骨科生物支架材料

由微生物合成的天然高分子聚酯材料多聚羟基烷酸能够 作为组织工程支架进行组织修复，多聚羟基烷酸的新产品羟 基丁酸与羟基辛酸共聚体具有良好的细胞相容性和生物可降 解性，有望成为一种新型的骨组织工程支架材料。
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3）羟基丁酸与羟基辛酸共聚体
郭羽等采用粒子滤出/冷冻干燥复合法制备了羟基丁酸与 羟基辛酸共聚体多孔支架，结果表明，羟基丁酸与羟基辛酸 共聚体多孔支架孔隙分布均匀，连通性好，孔隙率为50%90%时，抗压强度在1.7-6.2 MPa之间，12周体外降解率约 为20%，与其复合培养的小鼠成骨样细胞黏附率高，生长状 态良好。羟基丁酸与羟基辛酸共聚体支架孔隙分布均匀且相 互连通，无致孔剂残留，孔隙率和孔径大小均可以控制，证 明羟基丁酸与羟基辛酸共聚体具有良好的理化性能和细胞相 容性。
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2）微波烧结墨鱼骨
微波烧结墨鱼骨是通过高温热处理获得的多孔纯骨矿材 料，可突破异种骨移植的限制；近年来有学者探讨微波烧结 墨鱼骨作为骨组织工程支架材料的可行性。 李亚屏等试图用微波烧结的方法去除全部有机质以消除 墨鱼骨抗原及可能携带的微生物，保留其高孔隙率的骨盐支 架作为骨组织工程支架材料及骨移植替代材料。结果表明， 烧结墨鱼骨有良好生物相容性，有利于人骨髓间充质干细胞 的黏附生长，并在一定程度上促进干细胞的成骨分化，具备 作为骨组织工程支架材料及骨移植替代材料的一些重要特性 。
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骨组织的结构——一种基质
钙化的细胞间质：
又称骨基质
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骨组织的结构
骨基质 : 又名骨质。是钙化的
细胞间质，是人体最大的Ca2+库。
有机部分 : 由胶原纤维和基质 构成，后者主要包括糖蛋白和蛋白
多糖。有一定的弹性和韧性。
无机部分：富含钙、磷的中性 盐，主要为羟基磷灰石结晶 。很
坚硬。
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陷窝的骨小管相通，相邻突 起间形成的缝隙连接。胞质 弱嗜碱性。 不再分泌类骨质。
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骨组织中的细胞
破骨细胞 : 位于骨 组织表面的凹陷处。 由血液中的多个 单核细胞融合而成。 形态：体积最大， 细胞不规则，细胞质 嗜酸性，多核。 功能：溶解、吸 收骨组织，起破骨作 用。
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骨组织的作用
支持，保护机体；
灭活异种骨抗原及可能携带的微生物的目的。
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2）微波烧结墨鱼骨
③烧结墨鱼骨的多孔结构特性：合适的微观孔结构是骨移植替 代物及骨组织工程支架能否发挥最优成骨效能的关键。多孔骨组织 工程支架要求三维互通的微观孔结构以为细胞的转移、黏附和新骨 的内生提供足够的空间。
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3）羟基丁酸与羟基辛酸共聚体
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2）微波烧结墨鱼骨
讨论：
①结构：墨鱼骨大体观察为瓷白色,微波烧结后可见褐黄斑纹,质地、 脆性和硬度无明显变化,肉眼及放大镜下保持粗糙多孔状外观,纹理清晰。 扫描电镜下可见横向的平板结构,即为肉眼及放大镜下的清晰平行纹理。 横向板层结构之间有纵向S板层构成的规则的双向穹顶结构的孔道,双向 穹顶结构间可见小梁构成的桁架结构。 ②微波烧结处理：有效灭活异种骨抗原及可能携带的微生物,是异体 或异种骨成功移植的首要条件;而骨的抗原来自其有机质,微生物的生命本 质也是有机质。常规高温煅烧可完全去除墨鱼骨的有机质,从而达到有效
骨组织工程生物支架材料在医学中的应用
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——生物工程材料第三组
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章节名
基本定义
骨组织生物工程支架材料应用介绍
参考文献
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1.基本定义
1.1骨（BONE） 由骨组织、骨膜、骨髓等构成的器 官。 可为适应机体受力的需要而进行更 新和改建。
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骨组织的结构——四种细胞
骨祖细胞 成骨细胞 骨细胞 破骨细胞
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2.4医学应用研究
1） β -磷酸三钙骨支架
2）微波烧结墨鱼骨
3）羟基辛酸共聚体
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1）β -磷酸三钙骨支架
林柳兰等采用冷冻干燥技术制备的β-磷酸三钙骨支架具 有较高的纯度、高孔隙率、孔隙结构均匀、连通性好，但支 架的结构受浆料浓度与预冻温度影响，调整浆料浓度和预冻 温度可以制备多孔结构完整性好和连通性好的β-磷酸三钙骨 支架。
集中了体内99%的钙，是维持血钙平衡的器官，适宜
的血液钙浓度才能保证心脏正常工作； 造血功能，骨髓中有大量骨髓干细胞，可诱导分化成 各种血细胞进入血液。
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1.基本定义
1.2生物支架材料
组织工程支架材料是指能与组织活体细胞结合并
能植入生物体的不同组织，并根据具体替代组织具备 的功能的材料。 为了使种子细胞增殖和分化，需要提供一个由生 物材料所构成的细胞支架，支架材料相当于人工细胞 外基质。组织工程支架材料包括：骨、软骨、血管、 神经、皮肤和人工器官，如肝、脾、肾、膀胱等的组
骨板的结构组成
骨板: 骨基质各种成分共同构成的板层状结构。同一骨板内胶原纤维 平行排列，相邻骨板间胶原纤维相互垂直。 骨板内有骨陷窝，从骨陷窝放射状发出的骨小管连接相邻的骨陷窝。
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骨组织中的细胞
骨祖细胞：位于骨膜内层。
形态：细胞较小，呈梭形，
骨 祖 细 胞
细胞核椭圆形或扁圆形，胞
质少，弱嗜碱性。 功能：分化为成骨细胞。
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2）微波烧结墨鱼骨
后续研究中，李亚屏等通过动物实验对墨鱼骨在动物体内的组织相 容性、降解特性和骨生物活性等进行了深入研究，以探讨烧结墨鱼骨作 为骨组织工程支架及骨移植替代材料的可行性。结果发现微波烧结后墨 鱼骨的有机质可被完全碳化，骨盐成分及适合发挥成骨效能的三维微孔 结构得以保存，体外细胞培养无毒性，人骨髓间充质干细胞可在其表面 细胞黏附生长，其浸提液可显著促进干细胞的成骨分化，表明微波烧结 的墨鱼骨具有作为骨组织工程支架的一些重要特性如无细胞毒性、良好 的生物相容性、良好的表面活性及适合发挥成骨效能的多孔骨盐结构等 ；利用微波技术可完全碳化墨鱼骨有机质，灭活抗原性及灭菌可同时进 行，因此，微波烧结的墨鱼骨具有作为骨组织工程支架的潜在可能性。
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3)复合支架材料
羟基辛酸共聚体：由微生物合成的天然高分子聚酯材料多聚羟基烷酸能够作 为组织工程支架进行组织修复，多聚羟基烷酸的新产品羟基丁酸与羟基辛酸共聚 体具有良好的细胞相容性和生物可降解性，有望成为一种新型的骨组织工程支架 材料。
纳米羟基磷灰石：与胶原复合的骨组织工程支架材料羟基磷灰石和胶原由于
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2.4医学应用研究
多聚羟基烷酸结构
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2.4医学应用研究
1）蚕丝蛋白做骨钉
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2.4医学应用研究
羟基磷灰石涂层骨替代材料与体内成骨实验
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2.4医学应用研究
生物医用钛合金
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2.4医学应用研究
2）静电纺丝法制备的纳米纤维支架
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2.4医学应用研究
3）中科院科学家3D打印生物陶瓷支架可用于骨肿瘤治疗
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骨组织工程——三要素
1）种子细胞
2）信号因子
3）支架材料
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骨组织工程实施过程
种子细胞
支架材料
新骨
支架材料降解
骨缺陷修复完成
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2.2性能要求
生物相容性和表面活性 骨传导性和骨诱导性 合适的孔径和孔隙率 机械强度和可塑性
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2.2性能要求
1)生物相容性和表面活性 有利于细胞的黏附，无毒，不致畸，不引起炎症反应， 为细胞的生长提供良好的微环境，能安全用于人体。 2)骨传导性和骨诱导性 具有良好骨传导性的材料可以更好地控制材料的降解速 度，具有良好骨诱导性的支架材料植入人体后有诱导骨髓间 充质干细胞向成骨细胞分化并促进其增殖的潜能。 3)可降解性 在组织形成过程中逐渐分解，并且速度与组织细胞的生 长速度相一致，降解时间应能调控。
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2.2性能要求
4）合适的孔径和孔隙率 理想的支架材料孔径最好与正常骨单位的大小相近(人骨 单位的平均大小约为223 μ m)，在维持一定的外形和机械强 度的前提下，通常要求骨组织工程支架材料的孔隙率应尽可 能高，同时孔间具备连通孔隙，这样有利于细胞的黏附和生 长，促进新骨向材料内部的长入，利于营养成分的运输和代 谢产物的排出。 5）机械强度和可塑性 材料可以被加工成所需要的形状，并且在植入体内一定 时间后仍可保持其形状。
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2）天然衍生材料
天然骨:天然骨的来源有同种异体或异种动物骨。 天然有机高分子材料： 天然有机高分子材料包括胶原、纤维蛋白、 几丁质、藻酸盐、壳聚糖。 天然无机材料： 珊瑚材料的优点是具有多孔性和高孔隙率及良好的 生物降解性，另外有一定的机械强度和可塑性，来源丰富。但缺点是降 解速度较慢，限制其在骨组织工程中的应用。珊瑚骨(海珊瑚及珊瑚羟基 磷灰石)的主要成分是碳酸钙，其优点是骨传导作用较好，在高孔隙率时 仍保持机械强度高的特点，但缺点是力学性能较差、无骨诱导作用、不 易加工。 微波烧结墨鱼骨： 微波烧结墨鱼骨是通过高温热处理获得的多孔纯 骨矿材料，可突破异种骨移植的限制。
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2.3分类
1）人工合成材料
2）天然衍生材料
3)复合支架材料
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1）人工合成材料
无机材料：应用于骨组织工程的无机材料有生物陶瓷(氧化铝陶瓷、 羟基磷灰石、磷酸三钙)，多孔金属(不锈钢、钴基合金、记忆合金)，钛 及钛合金，磷酸钙水泥，其中以羟基磷灰石和磷酸三钙的研究较多。 有机材料：聚丁酸、聚偶磷氮、聚酸酐、聚乙二醇、聚尿烷、聚乳 酸，聚羟基乙酸及其共聚物，其中以聚乳酸、聚羟基乙酸及聚乳酸-聚羟 基乙酸共聚物的研究最为广泛。 纳米材料：纳米材料是从原子水平制备的支架材料，其最大的特点 是具有高比表面积和孔隙率，有利于细胞接种、迁移和增殖。纳米纤维 材料仿生化的微环境能影响细胞与细胞、细胞与基质之间的相互作用， 调节细胞的生物学行为。纳米材料安全性能的科学评价将是其应用于临 床所面临的挑战。
具有良好的生物相容性和可降解性，成为支架材料研究应用中重要的天然材料， 但各自有缺点而限制临床进一步的应用，若利用特殊的实验方法按照一定比例将
两种材料结合为复合材料，则有可能优化该两种材料的生物性能。
壳聚糖-脱细胞真皮三维材料:该支架材料具有良好的细胞相容性，对细胞有 很好的亲和性，能促进细胞黏附、生长、增殖和分化。壳聚糖-脱细胞真皮支架 材料在组织工程中是一种很好的生物相容性材料，满足组织工程新型支架材料的 基本要求。
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参考文献
[1] 马新芳，张静莹.骨组织工程支架材料的研究现状与应用前景.大连大学医学部,2014. [2] 梁卫东，王宏伟，王志强.不同骨组织工程支架材料的生物安全性及性能.中国组织工程 研究与临床康复，2010. [3] 林柳兰,鞠少华,方明伦.基于快速成形和冷冻干燥技术制备β-磷酸三钙骨组织工程支架.中 国组织工程研究与临床康复，2009. [4] 李亚屏,李星,彭兆祥等.微波烧结墨鱼骨作为骨组织工程支架材料的体外研究.中医正骨 ,2010. [5] 郭羽,董岳峰,陈璋,等.羟基丁酸与羟基辛酸共聚体骨组织工程支架的初步研究.功能材料 ,2009. [6] García-García JM, Garrido L, Quijada-Garrido I, etal. Novel poly(hydroxyalkanoates)-based composites containing Bioglass and calcium sulfate for bone tissue engineering. Biomed Mater.2012. [7] Chen HX, Xie ZG. Demineralized bone matrix as a bone tissue engineering scaffold material. Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu. 2014.
织支架材料。
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1.2生物支架材料分类
骨组织工程支架材料 神经组织工程支架材料 血管组织工程支架材料 皮肤组织工程支架材料
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2.骨组织生物工程支架材料
来源分类
背景介绍
骨组织生物 工程支架材 料
作用
研究应用
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2.1应用背景
因创伤、肿瘤或骨病等原因造成的骨缺损、骨不连和骨髓炎患者越 来越多需要骨移植材料的患者也越Βιβλιοθήκη Baidu越多。 另外，由于外伤、肿瘤、炎症、先天畸形等原因造成牙列缺损后， 缺牙区牙槽骨常伴有过度吸收，致种植区骨量不足，临床医生须选 择合适的骨替代品重建牙槽骨缺损。 骨组织工程学为骨缺损的治疗提供了一种可供选择的新方法，骨组 织工程支架材料是构建组织工程骨的主要组成部分，在体内，组织 基质作为细胞的三维支架为细胞提供该组织所特有的微结构和微环 境，并储备足量的水、营养物质、细胞因子和生长因子，以维持细 胞的生存，发挥其功能。
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骨组织中的细胞
成骨细胞: 来源于骨祖细胞 形态：矮柱状或不规则形。核 圆形。胞质嗜碱性。 功能： 分泌未钙化的骨质，称 类骨质，将自身包埋，变为骨细胞。 分泌多种细胞因子调节骨组织 的形成和钙化。对生长激素等敏感。
成 骨 细 胞
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骨组织中的细胞
骨细胞:位于骨陷窝内。 形状：不规则，骨细胞的 突起位于骨小管内。相邻骨