生物材料学组织工程支架材料
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生物材料学组织工程支架材 料
8.1 概论
相关背景 基本概念 深远意义 组织工程四要素
8.1.1相关背景
自体移植：添新伤补旧伤 异体移植：排斥/供给不足 异种移植：排斥 人工器官：排斥/功能不足
8.1.2 基本概念
组织工程学：
细胞生物学+工程学→生物活体组织→修复或 重建组织器官的结构与功能
8.1.4 组织工程四要素
生长因子
概念： 对细胞生长、分化有一定的调节功能，能 在细胞间传递信息的多肽物质。
应用方式： 生长因子+支架材料→复合体 支架材料上培养能分泌生长因子的细胞
8.1.4 组织工程四要素
组织构建
路线一： 功能细胞+支架材料→体外培养→成熟生 物组织→植入体内
路线二： 功能细胞+支架材料→体外短期培养→植 入体内，逐渐发育成形
前提：光能>化学键的离解能 有氧时，可按氧化机制降解，即光降
解
8.4.2 降解机制与过程
化学降解：
多指水解反应，即遇水发生水解反应
生物降解：
酶等作用下，发生的水解
8.4.3 降解与吸收的研究方法
评价方法
体外评价：外形、外观、力学性能 、失重和失效等物理变化的程度
植入动物体内特定部位评价
既要有一定的强度，有要有一定的韧性
支架材料的热点：
陶瓷材料：
成骨细胞与支架材料的三维培养：
材料的理化性能/表面微结构及微环境/ 新技术
8.2.3 皮肤组织工程
人工表皮: 人工真皮： 人工复合
8.2.4 韧带组织工程
典型的支架材料体系：
聚羟基乙酸-涤纶复合物： 碳素纤维-聚乳酸复合物：
底灭菌过程的考验
8.4 生物降解材料基础
降解的基本概念与类型 降解机制与过程 降解与吸收的研究方法 生物降解材料的安全评价
8.4.1 降解的基本概念wenku.baidu.com类型
基本概念：
降解：分子量变小的化学过程 生物降解：
在生物体内的体验、酶和细胞等多种因 素的综合作用下，分子量变小的过程。
8.4.1 降解的基本概念与类型
非植入性材料和制品
化学性能/物理性能/生物学性能
植入性材料和制品
组织学观察/致突实验/生物学老化实验
血液接触性材料和制品
体内外血液相容性实验
降解和吸收过程
8.5 天然组织支架材料
天然蛋白质类材料 天然多糖类材料 天然无机物
8.5.1 天然蛋白质类材料
胶原：
组成：
一级结构：每链1050个氨基酸，富含脯氨酸 和羟脯氨酸 二级结构：α-螺旋结构 高级结构：三条肽链螺旋缠绕成1个胶原分子
潜力巨大的高新产业：
8.1.4 组织工程四要素
种子细胞
胚胎干细胞：最理想 干细胞
成体干细胞：便于将来临床应用
组织细胞：可直接移植
8.1.4 组织工程四要素
支架材料
概念： 能与组织活体细胞结台并能植入生物体的 材料
功能： 为细胞提供获取营养、气体交换、排泄废 物和生长发育的场所，也是形成新的具有 形态和功能的组织、器官的物质基础
8.2 组织工程化组织简介
软骨组织工程 骨组织工程 皮肤组织工程 韧带组织工程 肌腱组织工程 神经组织工程 其他组织工程
8.2.1 软骨组织工程
软骨组织的特点
基本结构简单，只有软骨细胞，无血管 、 和淋巴组织等
软骨组织的现状
可用的支架材料多，成果丰富
8.2.2 骨组织工程
对支架材料的要求：
胶原：
组织工程中的应用：
物理交联：高能辐射/紫外辐射/干热处理 化学交联： 胶原复合材料：
肝组织工程： 肾组织工程： 角膜组织工程： 胰腺组织工程：
8.3 工程支架材料的基本要求
良好的生物相容性 良好的生物机械性能 合适的生物降解性 良好的可塑性 可行的灭菌、消毒方法
8.3.1 良好的生物相容性
材料组成无毒，化学结构稳定 降解产物安全 良好的血液相容性
8.3.2 良好的生物机械性能
组织工程的基本方法：
体外培养高浓度组织细胞→扩增→人工细胞 基质(三维的支架材料)→生长，分化→生物 活体组织
8.1.3 深远意义
新兴学科，带来一场医学革命： 多学科交叉，促进众多学科的交叉、渗透
和发展：
支撑学科：生物材料/细胞生物学/分子生物学 /生物力学
其他学科：信息/工程/机械/电子/物理/化学
按降解机制分：
生物降解/物理降解/化学降解/机械降解
按降解方式和程度分：
天然材料
完全降解材料 合成材料
非完全降解材料
8.4.2 降解机制与过程
热降解：
解聚：链增长的逆反应 无规断链：受热后，分子量迅速下降 取代基的脱除：
机械降解：
外力作用引起的降解
8.4.2 降解机制与过程
氧化降解： 光解和光氧化：
降解机制的研究
物理因素的影响 化学因素的影响 生物因素的影响
8.4.3 降解与吸收的研究方法
材料在体内吸收和排泄研究
组织和细胞生物学方法 直观方法：光镜或电镜观察 动力学方法：同位素标记
8.4.3 降解与吸收的研究方法
降解速率的调控
亲水性 比表面积和多孔结构 加工过程
8.4.4 生物降解材料的安全评价
新型支架材料体系：
蚕丝纤维
8.2.5 肌腱组织工程
亚硝酸和戊二醛交联异体胶原纤维 ：
胶原和黏多糖的交联： 难点：手指腱损伤的修补
8.2.6 神经组织工程
神经组织的类型、结构和功能：
中枢神经系统/周围神经系统 神经元/神经胶质细胞
神经组织工程的关键问题：
雪旺细胞的长期存活
8.2.7 其他组织工程
为体外接种细胞提供扩增和 增殖场所
阻碍周围组织的生长 机械性能要与周围组织匹配
8.3.3 合适的生物降解性
降解产物无毒 降解速率可调 降级过程中，材料与组织有较
好的亲和性
8.3.4 良好的可塑性
高孔隙率：一般>90% 结构形状复杂
8.3.5 可行的灭菌、消毒方法
灭菌、消毒不可少 材料的结构和性能能够经受彻
8.5.1 天然蛋白质类材料
胶原：
生理作用：
结构蛋白：在人体，约占蛋白质总量的1/3 主要功能是组织的支持物 其他功能： 生物的生长、发育/细胞的分化和黏附/抗原抗 体结合反应
8.5.1 天然蛋白质类材料
胶原：
改性：
物理交联：高能辐射/紫外辐射/干热处理 化学交联： 胶原复合材料：
8.5.1 天然蛋白质类材料
8.1 概论
相关背景 基本概念 深远意义 组织工程四要素
8.1.1相关背景
自体移植：添新伤补旧伤 异体移植：排斥/供给不足 异种移植：排斥 人工器官：排斥/功能不足
8.1.2 基本概念
组织工程学：
细胞生物学+工程学→生物活体组织→修复或 重建组织器官的结构与功能
8.1.4 组织工程四要素
生长因子
概念： 对细胞生长、分化有一定的调节功能，能 在细胞间传递信息的多肽物质。
应用方式： 生长因子+支架材料→复合体 支架材料上培养能分泌生长因子的细胞
8.1.4 组织工程四要素
组织构建
路线一： 功能细胞+支架材料→体外培养→成熟生 物组织→植入体内
路线二： 功能细胞+支架材料→体外短期培养→植 入体内，逐渐发育成形
前提：光能>化学键的离解能 有氧时，可按氧化机制降解，即光降
解
8.4.2 降解机制与过程
化学降解：
多指水解反应，即遇水发生水解反应
生物降解：
酶等作用下，发生的水解
8.4.3 降解与吸收的研究方法
评价方法
体外评价：外形、外观、力学性能 、失重和失效等物理变化的程度
植入动物体内特定部位评价
既要有一定的强度，有要有一定的韧性
支架材料的热点：
陶瓷材料：
成骨细胞与支架材料的三维培养：
材料的理化性能/表面微结构及微环境/ 新技术
8.2.3 皮肤组织工程
人工表皮: 人工真皮： 人工复合
8.2.4 韧带组织工程
典型的支架材料体系：
聚羟基乙酸-涤纶复合物： 碳素纤维-聚乳酸复合物：
底灭菌过程的考验
8.4 生物降解材料基础
降解的基本概念与类型 降解机制与过程 降解与吸收的研究方法 生物降解材料的安全评价
8.4.1 降解的基本概念wenku.baidu.com类型
基本概念：
降解：分子量变小的化学过程 生物降解：
在生物体内的体验、酶和细胞等多种因 素的综合作用下，分子量变小的过程。
8.4.1 降解的基本概念与类型
非植入性材料和制品
化学性能/物理性能/生物学性能
植入性材料和制品
组织学观察/致突实验/生物学老化实验
血液接触性材料和制品
体内外血液相容性实验
降解和吸收过程
8.5 天然组织支架材料
天然蛋白质类材料 天然多糖类材料 天然无机物
8.5.1 天然蛋白质类材料
胶原：
组成：
一级结构：每链1050个氨基酸，富含脯氨酸 和羟脯氨酸 二级结构：α-螺旋结构 高级结构：三条肽链螺旋缠绕成1个胶原分子
潜力巨大的高新产业：
8.1.4 组织工程四要素
种子细胞
胚胎干细胞：最理想 干细胞
成体干细胞：便于将来临床应用
组织细胞：可直接移植
8.1.4 组织工程四要素
支架材料
概念： 能与组织活体细胞结台并能植入生物体的 材料
功能： 为细胞提供获取营养、气体交换、排泄废 物和生长发育的场所，也是形成新的具有 形态和功能的组织、器官的物质基础
8.2 组织工程化组织简介
软骨组织工程 骨组织工程 皮肤组织工程 韧带组织工程 肌腱组织工程 神经组织工程 其他组织工程
8.2.1 软骨组织工程
软骨组织的特点
基本结构简单，只有软骨细胞，无血管 、 和淋巴组织等
软骨组织的现状
可用的支架材料多，成果丰富
8.2.2 骨组织工程
对支架材料的要求：
胶原：
组织工程中的应用：
物理交联：高能辐射/紫外辐射/干热处理 化学交联： 胶原复合材料：
肝组织工程： 肾组织工程： 角膜组织工程： 胰腺组织工程：
8.3 工程支架材料的基本要求
良好的生物相容性 良好的生物机械性能 合适的生物降解性 良好的可塑性 可行的灭菌、消毒方法
8.3.1 良好的生物相容性
材料组成无毒，化学结构稳定 降解产物安全 良好的血液相容性
8.3.2 良好的生物机械性能
组织工程的基本方法：
体外培养高浓度组织细胞→扩增→人工细胞 基质(三维的支架材料)→生长，分化→生物 活体组织
8.1.3 深远意义
新兴学科，带来一场医学革命： 多学科交叉，促进众多学科的交叉、渗透
和发展：
支撑学科：生物材料/细胞生物学/分子生物学 /生物力学
其他学科：信息/工程/机械/电子/物理/化学
按降解机制分：
生物降解/物理降解/化学降解/机械降解
按降解方式和程度分：
天然材料
完全降解材料 合成材料
非完全降解材料
8.4.2 降解机制与过程
热降解：
解聚：链增长的逆反应 无规断链：受热后，分子量迅速下降 取代基的脱除：
机械降解：
外力作用引起的降解
8.4.2 降解机制与过程
氧化降解： 光解和光氧化：
降解机制的研究
物理因素的影响 化学因素的影响 生物因素的影响
8.4.3 降解与吸收的研究方法
材料在体内吸收和排泄研究
组织和细胞生物学方法 直观方法：光镜或电镜观察 动力学方法：同位素标记
8.4.3 降解与吸收的研究方法
降解速率的调控
亲水性 比表面积和多孔结构 加工过程
8.4.4 生物降解材料的安全评价
新型支架材料体系：
蚕丝纤维
8.2.5 肌腱组织工程
亚硝酸和戊二醛交联异体胶原纤维 ：
胶原和黏多糖的交联： 难点：手指腱损伤的修补
8.2.6 神经组织工程
神经组织的类型、结构和功能：
中枢神经系统/周围神经系统 神经元/神经胶质细胞
神经组织工程的关键问题：
雪旺细胞的长期存活
8.2.7 其他组织工程
为体外接种细胞提供扩增和 增殖场所
阻碍周围组织的生长 机械性能要与周围组织匹配
8.3.3 合适的生物降解性
降解产物无毒 降解速率可调 降级过程中，材料与组织有较
好的亲和性
8.3.4 良好的可塑性
高孔隙率：一般>90% 结构形状复杂
8.3.5 可行的灭菌、消毒方法
灭菌、消毒不可少 材料的结构和性能能够经受彻
8.5.1 天然蛋白质类材料
胶原：
生理作用：
结构蛋白：在人体，约占蛋白质总量的1/3 主要功能是组织的支持物 其他功能： 生物的生长、发育/细胞的分化和黏附/抗原抗 体结合反应
8.5.1 天然蛋白质类材料
胶原：
改性：
物理交联：高能辐射/紫外辐射/干热处理 化学交联： 胶原复合材料：
8.5.1 天然蛋白质类材料