组织工程支架材料
组织工程支架材料XX0516final
•生物材料表面• 对细胞的影响：
•生物材料表面能：表面能较高（较亲水）的表面更 有利于细胞的黏附和铺展。
•生物材料表面的蛋白吸附能力：生理液体中含大量 白蛋白和少量ECMs蛋白质（纤连蛋白FN、玻连蛋白 VN和层连蛋白LN等）。
•采 用 溶 剂 流 延 / 盐 颗 粒 沥 滤 技 术 可 制 备 87 ％～91％孔隙率、孔径100～500μm的多孔 支架。采用乳液冷冻干燥法可得到孔隙率>90 ％、孔径20～200μm的支架。
组织工程支架材料XX0516final
•相分离法/冷冻干燥法 •Phase separation/freeze drying
•角质形成细胞在成纤维细胞培养3周的支架上培养1周后的HE（苏木素－伊红）染色照片
•J.组S.织Ma工o 程et a支l. 架J B材iom料eXd XM0a5te1r 6Rfeinsa6l4A (2003) 301–308
•2. 合成降解聚合物支架制备技术
•纤维粘结技术 Fabrication of non-woven •相分离 技术phase separation •溶剂流延－颗粒沥滤法 Solvent casting and particular leaching •（成孔剂析出法） •膜材层压法 Membrane lamination •熔融模塑法 Melt moulding •超临界流体技术 Supercritical-fluid technology •（高压处理法、气体发泡法）
•将水凝胶分别在 •－20°C和－80°C预 冻12h（或在液氮中 冷冻20min)
•冷冻干燥4天
•Preparation scheme of gelatin hydrogels by the freeze-drying procedure. •冷冻干燥法制备明胶海绵支架示意图组织•H工.-W程. K支an架g e材t a料l. BXiXom0a5t1e6riafilns a2l0 (1999) 1339-1344
支架材料——精选推荐
⽀架材料1、⼈⼯⾻的⽀架材料功能⼈的⾻头在⼈体中起⼀⽀撑⼈体重量，维持⼈体⼒学平衡的功能，因此，⼈⼯⾻的组织⼯程⽀架材料必须具备以下两个功能。
（1）有⼀定机械强度以⽀撑组织的⾼强度材料，以保证材料植⼊⼈体后，有⽀撑体的重量，不改变⾻骼形状。
（2）有⼀定⽣物活性可诱导细胞⽣长、分化，并可被⼈体降解吸收。
在组织⼯程出现以前的第⼀种功能的材料为⾮降解性材料，仅起到⽀撑固定的作⽤。
存在的⼀个问题是：在⾻头愈合后，必须进⾏第⼆次⼿术取出这种材料。
第⼆种功能的材料主要是给细胞提供三维⽣长空间，其本⾝具有⽣活性，可诱导细胞分化⽣长和⾎管的长⼊，以形成活的⾻组织，使其具有⼈⾻的功能和作⽤。
以上两⾯三⼑个对⾻⽀架材料要求的条件可以归结为：组织⼯程⽀架材料是具有⼀定强度并具有⽣物活性的可降解材料。
2、⼈⼯⾻⽀架材料研究进展⼈⼯⾻⽀架材料可分为两类，即⽣物降解和⾮⽣物降解型。
早期的⼈⼯⾻⽀架材料都是⾮⽣物降解型的，这类材料有：⾼聚物（碳素纤维，涤纶，特氟隆），⾦属材料（不锈钢，钴基合⾦，钛合⾦），⽣物惰性陶瓷（氧化铝，氧化锌，碳化硅），⽣物活性陶瓷（⽣物玻璃，羟基磷灰⽯，磷酸钙）等。
这些材料的特点是机械强度⾼（耐磨、耐疲功、不变形等，⽣物惰性（耐酸碱、耐⽼化、不降解）。
但存在⼆次⼿术问题，因此⼈们开始研究使⽤可⽣物降解并具有⽣物活性的材料，这类材料有纤维蛋⽩凝胶、胶原凝胶、聚乳酸、聚醇酸及其共聚体、聚乳酸和聚羟基酸类、琼脂糖、壳聚糖和透明质酸等多糖类。
⽬前研究和使⽤的⾻组织⽀架材料是降解材料或降解和⾮降解材料的结合。
编辑本段⼆、神经组织⼯程⽀架材料理想的⼈⼯神经是⼀种特定的三维结构⽀架的神经导管，可接纳再⽣轴突长⼊，对轴突起机械引导作⽤，雪旺细胞⽀架内有序地分布，分泌神经营养因⼦（NTFs）等发挥神经营养作⽤，并表达CAM、分泌ECM，⽀持引导轴突出再⽣。
以往⽤于桥接神经缺损的神经套管材料有硅胶管、聚四氟⼄烯、聚交酯、壳聚糖等。
组织工程支架材料的制备与性能调控
组织工程支架材料的制备与性能调控随着生物医学技术的不断发展，组织工程支架材料在修复和重建组织器官方面发挥着重要作用。
本文将探讨组织工程支架材料的制备方法以及如何调控其性能。
一、组织工程支架材料的制备方法组织工程支架材料的制备方法主要包括生物陶瓷、生物高分子材料和合金材料等。
其中，生物陶瓷是目前最常用的一种材料。
其制备方法可以分为烧结法、溶胶-凝胶法和生物打印技术等。
烧结法是将陶瓷粉末通过热处理使其颗粒间发生结合，形成具有一定形状和结构的支架材料。
烧结法制备的陶瓷材料具有高强度和良好的生物相容性，但其制备过程较为复杂，需要控制烧结温度和时间等参数。
溶胶-凝胶法是将溶胶中的金属离子或有机物质凝胶化成固体材料。
这种方法可以制备具有多孔结构和大比表面积的材料，有利于细胞生长和组织再生。
溶胶-凝胶法制备的支架材料具有较好的生物相容性和可调控性。
生物打印技术是一种新兴的支架材料制备方法。
通过使用3D打印技术，可以打印出具有复杂形状和结构的支架材料。
这种方法可以实现精确的定制化设计，减少手术过程中的不确定性。
生物打印技术制备的支架材料具有良好的生物相容性和可塑性。
二、组织工程支架材料的性能调控组织工程支架材料的性能对于细胞生长和组织再生具有重要影响。
因此，研究人员通过调控材料的物理、化学和生物学性质，来改善其性能。
在物理性能上，研究人员可以调节支架材料的孔径、孔隙度和表面形态等。
合适的孔径和孔隙度可以促进细胞的吸附和生长，而表面形态的改变可以增加细胞黏附的机会。
在化学性能上，研究人员可以向支架材料中引入生物活性分子，如细胞因子和生长因子等。
这些生物活性分子可以促进细胞的增殖和分化，加快组织再生的过程。
在生物学性能上，研究人员可以利用细胞培养和动物实验等方法评估支架材料的生物相容性和生物降解性。
这些性能的调控可以提高支架材料的生物匹配性和迁移行为。
总结起来，组织工程支架材料的制备与性能调控是一项复杂而重要的任务。
组织工程中的种子细胞和支架材料
组织工程中的种子细胞和支架材料组织工程是一种利用生物学、生物化学和工程学知识，在体内或体外制造人工组织或器官，以替代或修复受损组织或器官的方法。
在组织工程中，种子细胞和支架材料是两个关键要素。
种子细胞是构成人体组织的基本细胞，而支架材料则是制造人工组织的载体。
种子细胞是组织工程中最关键的要素。
种子细胞的来源非常广泛，既可以从体内获得，也可以从体外培养。
目前常用的种子细胞有间充质干细胞、胚胎干细胞、成体干细胞和多能干细胞等。
其中，间充质干细胞来源广泛，成本低廉，维持稳定性好，是目前组织工程中最为常用的种子细胞之一。
在组织工程中，种子细胞需要基于自己的特性与生存环境建立自然的联系。
此外，对种子细胞的培养、分化、传代以及植入对象等环节也需要特别注意。
在这些环节中，需要严格控制细胞密度、培养基的成分和种子细胞分化等参数，以避免种子细胞的死亡、分化和瘤形成等问题。
支架材料也是组织工程中不可或缺的重要要素。
支架材料的选择非常关键，它需要具备以下特点：生物相容性良好、可降解性、机械强度适中、支持细胞附着和生长等性能。
目前，支架材料主要有天然材料和人工合成材料两种。
天然材料包括胶原蛋白、凝胶素、海藻酸盐、蛋白多肽等，而人工合成材料包括聚乳酸、聚己内酯、聚乙烯醇等。
除种子细胞和支架材料外，组织工程中还需要考虑多种其他要素。
首先是环境因素，如细胞培养和生长培养基的成分、营养水平、氧气含量等因素都会对种子细胞的生长和分化产生影响。
其次是植入物的体内环境，植入前需要进行充分的生物学和生物工程评估，以为后续治疗提供科学依据。
总之，种子细胞和支架材料是组织工程中最为核心的两个要素。
它们的选择和优化对组织工程的成功与否至关重要。
此外，还需要考虑其他多种因素，将各种要素结合起来，才能够实现组织工程的良好效果，为人类健康事业做出重要贡献。
组织工程支架
实验用组织工程支架-明胶支架支架简介该支架由明胶 (gelatin) 组成。
明胶为胶原裂解后之片段，具有胶原的胺基酸序列，其序列中的RGD 序列，有助于细胞贴附与生长，且由于明胶不具有胶原之免疫端，故其不易造成免疫反应。
明胶具有良好的理化性能、生物兼容性与生物可降解性，是组织工程生物材料支架制备的理想成分。
支架结构支架孔径：范围在100~300 m (此范围较适合细胞生长；大小可依据需求调整)宏观直径：为 10 mm (直径与厚度可依据需求调整)支架形状：可根据需求塑成所需要的形状 (圆盘状、管状；其它不规则立体形状，需洽谈)特性：生物可分解性,细胞可生长,有弹性可搭配生物反应器使用使用：需先以70~75% 酒精浸润消毒，再以培养液或生理食盐水浸润后( 30 分钟以上), 方可使用组织兼容性（以兔膝关节软骨缺损修复为例）以明胶支架为基础构建的软骨修复材料可有效促进兔膝关节关节软骨缺损的修复。
细胞兼容性明胶支架可良好支持膝关节软骨细胞的粘附、三维生长和增殖0 Day 1 Month 3 Months多成分支架明胶是胶原水解后的产物，较胶原免疫原性更温和，且其含有氨基酸序列，可强化细胞粘附。
因此，根据不同组织工程应用需求，可将明胶与其它天然或合成的生物材料混合制作3D支架。
（1）明胶-壳聚糖支架壳聚糖是甲壳素脱乙酰后的产物，不具有免疫原性，具有良好的生物兼容性，抗菌，该材料在植入体内8-10周可完全降解。
N.Kathuria et al. Synthesis and characterization of elastic and macroporous chitosan–gelatin cryogels for tissue engineering. Acta Biomaterialia 2008.（2）明胶-透明质酸支架透明质酸是一种天然多糖，是ECM的主要组分。
由于其高保水性和内在的膨胀特性，可强化细胞粘附、促进细胞迁移到支架内部。
组织工程技术中的支架材料选择与性能评估方法分享
组织工程技术中的支架材料选择与性能评估方法分享随着组织工程技术的发展，支架材料在细胞培养和组织工程中起着至关重要的作用。
支架材料的选择与性能评估是组织工程技术中的关键环节，合理的选择和评估可以提高组织工程产品的生物相容性、力学性能和生物活性。
本文将分享一些支架材料的选择与性能评估方法，希望对组织工程技术的研究者和从业者有所帮助。
首先，支架材料的选择应基于其生物相容性。
生物相容性是衡量一种材料能否与组织或细胞相协调的能力。
一个理想的支架材料应该不会引发明显的异物反应，不会影响细胞的生长和功能，并能支持组织的再生和修补。
一般来说，生物相容性可通过材料的初始化学成分、表面特性和降解速度等因素来评估。
例如，聚己内酯（PCL）和胶原蛋白等生物降解材料常用于骨组织工程，而聚乳酸（PLA）和聚丙内酸（PGA）等生物降解材料则常用于软组织工程。
其次，支架材料的机械性能也是选择的重要考虑因素之一。
机械性能直接影响到支架材料的稳定性和生物力学特性，对组织的修复和再生起着重要的作用。
对于骨组织工程而言，支架材料需要具备足够的刚度和强度，以承担起机械载荷，并提供支持和导向细胞的生长。
而在软组织工程中，弹性模量和柔韧性则是更为关键的指标。
因此，在选择支架材料时，应根据不同的组织和细胞类型，综合考虑机械特性与生物相容性的要求。
除了生物相容性和机械性能外，支架材料的生物活性也需要加以评估。
生物活性是指材料对细胞的影响和调控能力，包括细胞的黏附、增殖和分化等过程。
在骨组织工程中，钙磷陶瓷等生物活性材料能够作为细胞的骨基质，促进骨细胞的附着和骨组织的形成。
在软组织工程中，支架材料的生物活性可以通过引入生物因子、细胞外基质成分和微纳米结构等方式实现。
因此，在支架材料的选择过程中，需要综合考虑生物活性与其他因素的平衡。
总结而言，选择合适的支架材料需要考虑其生物相容性、机械性能和生物活性等因素。
在进行支架材料的性能评估时，可以采用一系列的实验方法和评价指标。
生物材料支架用于组织工程器官再生久负盛名
生物材料支架用于组织工程器官再生久负盛名生物材料支架在组织工程领域中久负盛名，其广泛应用于组织工程器官再生。
生物材料支架的使用是一种能够促进病患器官再生的创新方法，可以用于治疗各种疾病和损伤，为患者带来新的希望。
生物材料支架是一种人工制成的结构，可以提供支撑和模板功能，为细胞的生长和组织再生提供适宜的环境。
生物材料支架可以是天然物质（如胶原蛋白、壳聚糖等）或合成物质（如聚乳酸、聚己内酯等），具有良好的生物相容性和生物降解性。
生物材料支架的设计需根据所需组织的特点进行精确调控。
例如，对于骨组织再生，生物材料支架需要具有良好的力学性能、表面的微纳结构以及特定的化学成分，以促进骨细胞的粘附、增殖和分化。
对于心脏组织再生，生物材料支架需要能够模拟心肌组织的机械特性和细胞微环境，以促进心肌细胞的重建和心脏功能的恢复。
生物材料支架用于组织工程器官再生的原理是通过种植或注射方式将其引入患者体内，与周围组织相互作用。
生物材料支架的存在可以为细胞提供支架和定位信号，促进细胞黏附和增殖，同时也提供适宜的微环境，促进细胞的分化和功能发挥。
随着时间的推移，生物材料支架逐渐降解并为新生组织提供所需的空间和结构支持。
生物材料支架的应用领域非常广泛。
在骨组织工程中，生物材料支架已经成功用于治疗骨缺损、骨折和骨肿瘤等疾病，促进骨的再生和修复。
在心血管组织工程中，生物材料支架可以帮助修复和再生受损的心脏组织，恢复心脏功能。
在神经组织工程中，生物材料支架可以用于治疗中枢神经系统和外周神经系统损伤，促进神经再生和功能恢复。
此外，生物材料支架还可以应用于肝脏、肾脏、胰腺等多个器官的再生治疗。
然而，生物材料支架的应用也面临一些挑战和限制。
首先，生物材料支架的选择和设计需要充分考虑不同组织的特性，以确保其能够提供合适的物理、化学和生物学环境。
其次，生物材料支架的降解速度需要与新生组织的生长速度相匹配，以避免过早降解或过度残留。
此外，生物材料支架也需要具备良好的生物相容性和稳定性，以减少对患者的不良反应。
组织工程支架和载体材料
历史 组织工程的历史
组织工程的产生
Robert Langer和 Joseph P. Vacanti
Robert Langer
Joseph P. Vacanti
20世纪80年代中期提出一
个新的概念，即在一种可降解 的支架材料上种植人体活细胞， 使之在生长因子的作用下，再 生成为组织。
1987年，在美国科学基金会
序 什么是组织工程。
同时，蚯蚓体内的消化道、血管，以及神经系 统等组织的细胞，经过 许多分裂，快速地向再生芽里不断生长。于是， 切面上就会快速地再 生出另外一个头来，并且另一端也会自然生出 一条尾巴来。这样一条 蚯蚓被截成两截以后不会死，且能够再生，于 是就变成两条蚯蚓了。
序 什么是组织工程。
他们是尿毒症患者。由于没有医疗保险， 或者医保报销比例太低，他们进不了医 院，而是买来3台二手血液透析机给自 己透析，在北京郊外一个农家小院维持 着生命，被政府取缔。这是新医改方案 即将出台前，一个让人尴尬的故事。
最早的异体器官移植报道
《列子》
战国时代的典籍《列子》记载过一例很奇特 的移植手术。鲁国的公扈和赵国的齐婴得了 痼疾去找神医扁鹊医治。扁鹊对公扈说： “汝志疆而气弱，故足于谋而寡于断。齐婴 志弱而气疆，故少于虚而伤于专。故换汝之 心，则均善矣。”
历史 组织工程的历史
最早的异体器官移植报道
《列子》
扁鹊先给他俩喝了一种自治的 麻醉药。然后为两人做了开胸 术，取出心脏互换。接着给他 俩灌服了一种神奇的药物，公 扈和齐随即苏醒过来，怪疾得 以治愈。
组织工程原理
原理 组织工程的原理
组织工程的概念
组织工程概念图
组织工程是应用细胞生物学和工程学原理,将人体某部分的组织细胞种植和吸附在 一种生物材料的支架上进行人工培养繁殖,扩增,然后移植到人体内所需要的部位, 从而达到器官修复或再造的治疗目的的一种技术。
组织工程支架的研究进展
组织工程支架的研究进展随着医疗技术的不断发展，组织工程支架的研究也得到了迅速的发展。
组织工程支架是指在体内用于代替受损组织、促进组织修复和再生的材料。
目前，组织工程支架的材料、结构和制备技术已经不断发展，但是其临床应用仍存在一些局限。
本文将对组织工程支架的研究进展进行介绍，并探讨其未来发展方向。
一、组织工程支架的材料选择组织工程支架的材料应具备良好的生物相容性、机械强度、生物活性和易于加工的特点。
常用的组织工程支架材料包括生物陶瓷、金属、聚合物和天然支架材料等。
生物陶瓷支架材料具有化学稳定性、生物活性和良好的生物相容性等特点，常用于骨组织工程支架的制备。
研究表明，生物陶瓷支架材料具有良好的愈合效果和组织相容性。
金属支架材料具有良好的机械强度、生物相容性和生物活性，但其缺点是易受腐蚀和产生异物反应。
近年来，生物可降解金属材料成为研究的热点，这种材料具有良好的生物相容性和降解性能，能够有效避免异物反应和二次手术的风险。
聚合物支架材料具有良好的生物相容性、生物活性和可变形性，但其缺点是机械性能差。
研究表明，聚-羟基乳酸（PLGA）支架材料能够促进软骨组织工程的修复和再生。
天然支架材料具有良好的生物相容性、生物活性和组织相容性。
近年来，以自身组织为基础制备支架材料成为研究的热点。
例如，以自身软骨细胞为基础制备的软骨组织工程支架材料能够有效促进软骨组织的修复和再生。
二、组织工程支架的制备技术组织工程支架的制备技术是影响其性能的重要因素。
目前，常用的制备技术包括溶胶-凝胶法、熔融纺丝法、电纺丝法和三维打印等。
溶胶-凝胶法是一种将材料从溶液中凝胶化并制备成空心支架的方法。
这种方法制备的支架材料具有均匀的孔径和孔隙度，能够促进血管和细胞的渗透，有利于组织修复和再生。
熔融纺丝法是一种将高分子材料熔融后，通过旋转的方法制备出纤维的方法。
这种方法制备的支架材料具有良好的可塑性和可变性，可以制备出不同形态和尺寸的支架材料。
天然组织工程皮肤支架材料的分类及其免疫原性研究现状
料 的研 究 热 点 Ｊ 。但 天 然 支 架 材料 因来 源 和 所 含 成 分 不 同 ，
存在着不同程度 的免疫原性 ， 限制 了其 临床 的广泛应用。 目
前 这 方 面 的 研究 较 多 ， 因此 ， 必 要 结 合 天 然 支 架 材 料 的 分 有 类 来 概 括其 免 疫 原 性 研 究 现状 。
均 与原 有 组 织 相 似 。
脱 细胞支架材料是通 过各种 物理和化 学的方法 去除天然 组 织 中的细胞成分 ， 同时保 留了原有组织的三维支架结构 和主 要细胞外基质成分 的支架 材料。 目前应 用较多 的有 脱细胞 真皮基质 （ｃｌ ｌ ｅｍ ｌ ａ ｉ， Ｄ 、 ａｅ ｕ ｒ ｒ ａ ｍ ｔｘ Ａ Ｍ） 脱细胞小肠 黏膜下 ｌａ ｄ ｒ
（） ３ 脱细胞羊膜基 质 ： 羊膜是胎盘上最 靠近胎儿 的一种 薄膜状组织 ， 这种半透 明薄膜 由单层立 方上皮 细胞 、 较厚 的 基底膜以及 一层无血管 的问质组成 。羊膜的上皮 细胞 层 含有 羊膜上皮细胞和 由羊膜上皮 细胞 分泌的多种生长 因子 ， 因此 羊膜不仅具有生物支架所必须 的基质结构 ， 而且具有促
２１ ００年第 ５卷第 ４期 Ｃｉ Ｊ ｕ ｅａ ｄＷ ｕｄＨａｎ Ⅱ 由 ｃＥｉ ｎ， ｕｕｔ０ ０， ０ ５ Ｎ ． ｈ ｒＲｐ．ａ ｏｎ ｅｌｇ（ ｅ ｎ ｖ ｒｎ ｉ ｄ ｏ）Ａｇｓ２ １ Ｖ ｌ ， ｏ４ ｉ ｔ
组织工程支架材料
存在缺点 ： ( 1 ) 有机溶剂残留 ( 2 ) 高温拔丝损害分子稳定性 ， 且 喷涂技术难度大 、成本高 ( 3 ) 空隙分布不均匀 ( 4 ) 由于固有粘滞性限制 ，采用气体法和溶剂发泡等方法时开孔率低 （5）因聚合 物溶液流动或者使用粘合剂将导致部分NaCl颗粒被包裹
●低热高压法
●目的： 制作不含有机溶剂、三维结构良好的丙交酯 —乙交酯共聚物( P L GA) 支架，使之符合组织工程骨修复的需要。 ●需要克服的的问题： 有机溶剂残留、空隙分布不均匀、三维结构控制不稳定、支架 小并且开孔率计算不准确等。 ●原材料：
Figure 2. PLGA spinning with a microfluidic chip. (a) Fiber generation with the chip and (b) PLGA fiber scaffold for cell culture wound around a coverslip (18 × 18 mm) during spinning (at 60 rpm).
●传统开环聚合制备无规聚乙丙交酯：
单体:
乳酸
乙醇酸
聚合原理：
●三步法制备交替聚乙交酯丙交酯：
聚合原理：
第一步：O-氯乙酰-DL-乳酸的制备：
第二步：DL-3-甲基-乙交酯的制备：
第三步：Alt2PLGA的制备：
三步法的优缺点：
优点：该聚合物结构规整，组成固定，降解性
能较稳定。 缺点：工艺流程过长，生产成本高，不利于大 规模生产；辛酸亚锡催化剂对细胞有毒 害作用。
2 可加工性 3 孔隙的大小和孔隙率有可调控性
4 有足够的表面积用于细胞黏附
5 有足够的空间使细胞集落扩展 、增殖
支架材料-PLGA
组织工程支架的设计与优化
组织工程支架的设计与优化在现代医学领域，组织工程作为一项具有巨大潜力的学科，旨在通过构建生物活性的替代组织来修复和重建受损的组织和器官。
而组织工程支架在这一过程中起着关键的支撑作用，它为细胞的生长、分化和组织的形成提供了适宜的环境。
本文将深入探讨组织工程支架的设计与优化，包括其材料选择、结构设计、性能要求以及制造工艺等方面。
一、组织工程支架的材料选择选择合适的材料是构建有效组织工程支架的基础。
理想的支架材料应具备良好的生物相容性，即不会引起机体的免疫排斥反应和炎症反应。
常见的生物相容性材料包括天然高分子材料（如胶原蛋白、壳聚糖等）和合成高分子材料（如聚乳酸、聚乙醇酸等）。
天然高分子材料通常具有与人体组织相似的结构和性能，有利于细胞的黏附、增殖和分化。
例如，胶原蛋白是细胞外基质的主要成分之一，具有良好的生物活性和可降解性。
然而，天然材料的力学性能往往较差，且来源有限，质量难以控制。
合成高分子材料则可以通过化学合成的方法精确控制其性能，如分子量、降解速率和力学强度等。
聚乳酸和聚乙醇酸等聚酯类材料因其良好的可降解性和力学性能而被广泛应用于组织工程支架的制备。
但这类材料的生物活性相对较低，需要进行表面改性以提高细胞的亲和性。
此外，还有无机材料（如羟基磷灰石、生物玻璃等）和复合材料（如高分子/无机复合材料）也在组织工程支架中得到了应用。
无机材料具有良好的骨传导性，常用于骨组织工程支架；复合材料则可以结合不同材料的优点，以满足特定组织修复的需求。
二、组织工程支架的结构设计支架的结构对细胞的行为和组织的形成有着重要的影响。
一般来说，支架应具有三维多孔的结构，以提供足够的空间供细胞生长和营养物质的传输。
孔隙的大小、形状和连通性是关键的结构参数。
孔隙大小应适中，既能允许细胞的迁移和渗透，又能提供足够的机械支撑。
对于大多数组织工程应用，孔隙尺寸通常在 100 500 微米之间。
孔隙形状的不规则性可以增加细胞与支架的接触面积，有利于细胞的黏附和生长。
组织工程支架制备有哪些方法
纤维网状结构 加工示意图
A: PGA B: PLLA
(二) 多孔支架
松质骨结构
1. 粒子致孔法
最常用的是溶液浇注/粒子浸滤 ▪ 聚合物溶液与均一的盐晶混合 ▪ 溶剂挥发后形成固体的聚合物/盐复合物 ▪ 浸没在水中去除盐 ▪ 可控孔隙率达93%（厚度<2mm）
支架通过注射完成植入, 故可降低手术 难度, 减少手术创伤, 特别适用于微创伤 的修复。
高长有,马列.医用高分子材料.P229-234. 洪奕等.注射型组织再生支架的研究进展.生物医学工程学杂志,2007;24(2):463-465.
可注射型支架在组织工程中应用的示意图
水凝胶具有在一定条件下可保持流动状态而在外部 的物理或化学刺激下可形成一定形状和强度的体型 材料的特性, 因此成为可注射型支架的首选材料。
相分离/冷冻干燥法孔尺寸往往偏小，但该法 避免了高温，因而得到了研究者的重视。
改进：
不同温度下，多步相分离粗化，提高孔尺寸、连通性
3. 气体发泡法
（1）超临界流体技术（物理发泡法） 该法将聚合物压成片,浸泡在高压二氧化碳中
直至饱和,甚至超临界状态,然后降至常压, 气体的热力学不稳定性导致气泡成核和增 长,形成多孔支架。
支架设计及制备技术
表：三维支架制备技术
制备技术
材料 加工 要求
孔径 孔隙率
/m
/%
结构
溶剂流涎盐沥滤 流涎 溶解 30~300 ~90 球状孔径、盐粒会残留
挤出沥滤 模具 热塑性 50~500 <80 球状孔径、盐粒会残留
纤维粘合 编织 织物 20~100 <85
孔隙结构不规整
骨组织工程支架材料
层状双氢氧化物羟基磷灰石/明胶支架
通过层开状发多双孔生氢物降氧解支化架物是骨组羟织工基的磷主要方法 灰石/明胶骨组织工程支 之一 使用共沉淀和溶剂铸造方法制备了含有层状双氢氧
化物LDH;羟基磷灰石石HA和明胶GEL的新型BTE复合材料
生理化学架特征：表制明;支造架的;表化学征成分和和微体观内结构研与天然海 究层状双氢氧化物 羟基 绵骨相似 观察到互连大孔;而LDH/GEL和LDH的孔隙率和
3 分类
1人工合成材料 2天然衍生材料 3复合支架材料
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
骨组织工程支架材料
来源分类
背景介绍
骨组织工程 支架材料
性能要求
研究应用
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来越多
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
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
4 前沿研究
1 气泡状多孔结构新型羟乙基壳聚糖/纤维素支架 2 新型层状双氢氧化物羟基磷灰石/明胶支架 3碳纳米纤维/羟基磷灰石HA生物活性支架
组织工程支架材料XXXX0516final.pptx
生物材料表面的亲水－疏水平衡：疏水性表面对蛋 白质的吸附能力较强。
生物材料表面的拓扑（图案）结构：细胞根据材料 表面的拓扑形貌而取向生长。
生物材料表面的生物活性：生物材料表面具有整连 蛋白认同的配体是细胞识别并接受生物材料为“自 体”ECM的关键。
组织工程研究现状
组织工程研究的器官及其部分产品
支架设计与制备技术
-20℃,孔径 250±120μm
(a) An optical photograph of a hydrogel freeze-dried following freezing at -20℃ (b) and (b) a SEM micrograph of its horizontal cross-section.
（4）合成可降解无机材料。常用的主要有磷酸钙水 泥(calcium phosphate cement,CPC)，羟基磷灰 石(hydroxyapatite,HA),磷酸三钙( tricalcium phosphate, TCP),生物活性陶瓷如生物活性玻璃陶 瓷( biological activity ceramic glass,BCG),细胞 外基质陶瓷类材料等。
2）可降解性及合适的降解速率，当移植的细胞或组织在受体内 存活时，支架材料可自行降解，降解吸收速率能与细胞、组织 生长速率相匹配；
3）合适的孔尺寸、高的孔隙率和相连通的孔形态，以利于大量 细胞的种植、细胞和组织的生长、细胞外基质的形成、氧气和 营养的传输、代谢物的排泄以及血管和神经的长入；
4）高的表面积、合适的表面理化性质和良好的细胞界 面关系，以利于细胞黏附、增殖、分化以及负载生长 因子等生物信号分子；
5）与植入部位组织的力学性能相匹配的结构强度，以 在体内生物力学微环境中保持结构稳定性和完整性， 并为植入细胞提高合适的微应力环境；
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组织工程支架材料颜文龙 孙恩杰 郭海英 刘 东武汉理工大学生物科学与技术系 (武汉430070) 【摘要】 用于组织工程支架构建的生物材料,分为胶原、多糖、无机及生物衍生物等天然材料和聚酯、聚氨基酸、聚乙二醇等人工合成可生物降解材料两大类,此文分别对它们的研究进行了综述。
【关键词】 组织工程 天然材料 可生物降解材料Scaffold materials for tissue engineeringY en Wen Long Sun En Jie G uo Hai Y ing Liu D ongDepartment of Biological Science and T echnology,Wuhan University of T echnology(Wuhan430007)【Abstract】 Development in researches of Scaffold materials for tissue engineering are reviewed in this paper. These materials include naturally derived ones such as collagen,polysaccharides and inorganic materials as well as degrad2 able polymers such as polyesters,polyamides and polyethylene glycol.【K ey w ords】 tissue engineering naturally derived material degradable material 组织工程学是近来发展起来的一门新学科,是材料学、工程学和生命科学共同发展并相互融合的产物,其最基本的思路是在体外分离、培养细胞,将一定量的细胞接种到具有一定空间结构的支架上,通过细胞之间的相互黏附、生长繁殖、分泌细胞外基质,从而形成具有一定结构和功能的组织或器官[1]。
现在美国每年要进行80万例骨嫁接手术[2],据报道从1990年到现在已经有35亿美元应用到有关组织工程的研究与应用上[3]。
材料作为组织工程研究的人工细胞外基质(ex2 tracellular matrix,EC M),是组织工程研究的一个重要的方面,它为细胞的停泊、生长、繁殖、新陈代谢、新组织的形成提供支持。
目前研究的较多的有以下两种:天然生物材料和人工合成的可生物降解聚合物。
1 天然生物材料天然材料来源于动植物或者人体,由于其与细胞相容性好,常用来构建组织工程用支架。
主要可以分为胶原、聚糖以及无机及生物衍生材料。
天然材料的优势在于它们含有有利于细胞吸附或维持不同功能的物质(如特定的蛋白质),但是天然材料重现性差、不能大批量生产,同时异种移植的问题以及可能会带来不可预计的异种生物携带的病毒基因限制了这类材料的应用。
1.1 胶原 作为哺乳动物体内主要的结构蛋白,胶原来源丰富。
由于在进化过程中的保守性,胶原保留了原始的氨基酸顺序,以此制作的支架材料具有无抗原性、生物相容性好等优点,已经通过美国FDA 认证,在止血、促进伤口愈合、创面敷料、骨移植替代材料、组织再生诱导物方面得到广泛应用[4]。
胶原支架在体内通过连续酶解作用而逐渐降解,可以通过控制支架的密度及交联其它分子来调节支架的降解率及降解速度。
密度越低,支架孔隙率就越大,使得更多的细胞易于向支架内部生长,支架的降解率就更高;通过交联特定分子戊二醛、甲醛等则可保护支架免受酶的攻击而降低降解速度,同时使胶原支架机械性能得以改善[5]。
胶原本身所包含的细胞黏附信号肽序列(RG D)也可以引导细胞对支架材料的特定的识别,有助于保持许多细胞的表型及活性[6]。
牛Ⅰ型胶原由于其丰富的来源和成功的临床应用而被广泛用来制作组织工程支架[4]。
现在多利用几种类型胶原复合构建来制作支架材料[7,8],以胶原为原材料,用快速成型的方法(s olid freeform fabri2 cation,SFF)来构建组织工程用胶原支架,利用计算机来整体控制材料的设计及加工,为组织工程支架的制作展示了新的前景。
1.2 聚糖类 此类物质是戊糖分子或者己糖分子的聚合物,包括壳聚糖及海藻酸等,另外淀粉[9]应用于支架构建也见过报道。
聚糖单体上的羟基可以选择性的进行同分异构设计,也可以交联其它的支链,从而改变其理化性能。
除了极少数特例,此类物质的单体及降解产物都是无毒和具有生物活性的。
随着对多糖在细胞识别机理认识的深入,由单糖合成聚糖技术的创新,以及日益增长的组织工程研究对特异可控生物活性、可降解生物材料需求的增加,聚糖类物质在生物材料领域的应用获得了长足的发展。
海藻酸是从海藻中分离得到的一类聚糖,具有生物相容性,是β2D2Mannuronte(M)和α2L2G uluronate (G)构成的共聚物,可以构成G、M及G M三种单元。
富含G单元的糖链具有较高的弹性模量,糖链的韧性取决于各单元的组成,G单元硬度最高,MG单元硬度最低,所以低M/G构成糖链趋于直线性构造,高含量M/G的糖链则易于弯曲。
G单元中支架材料,常常将二价态的阳离子(比如Ca2+)交联在两条由G单元构成的糖链之间,构成“蛋盒”(egg box)的结构,这种结构使海藻酸具有凝胶的特性。
随着金属离子交联的两条糖链的水解,凝胶机械性能也随之降低。
由于本身不具备生物信号识别区域,近来海藻酸研究主要集中在金属离子交联及嫁接细胞黏附多肽改性方面。
壳聚糖兼具高等动物组织中胶原和高等植物中纤维素二者的生物功能,氨基带有正电荷,是少见的带正电荷的聚合物,利用它的带电性可以调节和控制产品的物理和化学性质。
将胶原与壳聚糖混合构建支架,发现嗜铬细胞在胶原-壳聚糖表面能更快的黏附,与培养基结合更好,植入体内最少能够存活2周的时间,提高了牛的肾上腺延髓嗜铬细胞的黏附特性,可望用于神经组织工程[10]。
1.3 无机及生物衍生材料 多用于骨组织工程支架材料的构建,此类材料的主要成分为钙的磷酸盐或者碳酸盐。
常用的有羟基磷灰石(H A)、磷酸三钙(tricalcium phos2phate,T CP)等。
曹罡等[11]发现骨髓基质干细胞在可吸收性羟基磷灰石复合表面附着良好,可分泌I型胶原,此复合物在裸鼠体内形成组织工程骨。
自固化磷酸钙骨水泥(calcium phosphate ce2 ment,CPC)作为骨移植替代材料,与陶瓷类材料相比,具有更好的生物相容性、生物降解性及成骨活性,其制作方便、可塑性强、性能稳定,在人体内可自行硬化,形成羟基磷灰石结晶,这使CPC适合作骨组织工程支架材料[12]。
陶瓷化骨(true bone ceramic, T BC)大多采用牛松质骨为原料煅烧的方法获得,主要成分也是羟基磷灰石(H A)。
煅烧过程中会发生H A和T CP之间晶相的转变,由于T CP与H A比较,前者降解率高于后者,所以通常是在陶瓷化骨制备过程中加入磷酸盐,以使所得的陶瓷化骨晶体结构从羟基磷灰石向磷酸三钙/羟基磷灰石(T CP/H A)双向结构转变,从而增加陶瓷化骨的降解率[13]。
2 合成可生物降解材料合成可生物降解材料具有相对强度高、来源充足、易于加工等优点,被广泛应用于组织工程领域。
合成可生物降解支架材料,目前主要为聚酯、聚氨基酸及聚乙二醇等。
2.1 聚酯 聚酯中常见的为聚脂肪酯,根据主链上碳原子个数的不同可以分为聚乙交酯(PG A)、聚丙交酯(P LA)、聚己内酯(PC L)以及它们的共聚物。
这些聚合物具有典型聚合材料的优良性质:高纯度、方便的加工工艺、良好的机械性能,除此还可以生物降解。
已经得到美国FDA认证,被用于一系列临床应用,包括医用缝合线、骨修复材料、药物控制释放材料、人工骨及人造皮肤等。
聚酯内的酯键易水解,在无酶的条件下就可以降解,降解产物无毒,在人体内最终以C O2和H2O 的形式代谢掉。
聚合物降解率、降解时间与分子质量、结晶度、支架几何形状及外界PH有关。
由于PG A的亲水性,使得它能在几个星期内降解;P LA由于具有甲基,亲水性不及PG A,降解速度较PG A降解慢,通过控制PG A与P LA比例可以得到理想降解时间的P LG A共聚物。
PG A与P LA本身不具备生物活性,所以在聚合物上与第二单体进行共聚成为其改性最主要的方法。
常见的为以细胞特异识别多肽改性支架材料表面,通过生物活性因子的固定达到改性目的,并且这些研究都取得了引人注目的成果。
包含细胞黏附多肽RG D的P LA,可以为细胞生长提供更为适宜的环境[14]。
结合骨形态发生蛋白BMP之后,P LA支架材料能够诱导骨细胞在其上更好的生长[15]。
P LA 与聚氧化乙烯PE O共聚,亲水PE O段可以改善P LA的疏水性能,调节其降解速率;同时PE O可以阻止非特异性蛋白吸附。
利用PE O链端头的官能基因固定生物活性分子,还可以改善细胞2材料界面理化性质,促进细胞在材料表面的黏附、铺展、分化等,此共聚物可作为细胞培养支架材料[16]。
针对PG A降解产物会引起局部PH值下降,从而导致炎症的发生。
有学者将碱性物质,如碳酸钙、碳酸氢钠、钙羟基磷灰石引入聚合物中,补偿聚合物降解引起的pH值下降,有助于防止无菌性炎症的发生,而同时添加的无机盐成分对提高聚合物的机械强度、延缓降解时间也有帮助。
研究表明人工合成的生物可降解材料PG A在软骨和骨组织工程应用中显示出较好的性能而被广泛接受[17]。
PC L的水解或降解速度较低,因此适合作长期植入装置。
K weon等[18]用PC L与丙烯酰氯共聚制得大分子聚合物,由于聚合后晶型程度的降低及聚合物分子端的改性,聚合物降解更快,呈现更高的抗压缩性及压缩复原性。
聚合物支架的孔隙可通过致孔剂的数量和尺寸来加以控制,MG263造骨细胞可以在此支架上很好的黏附并增生。
2.2 氨基酸类聚合物 作为蛋白质的基本组成单位,氨基酸具有其它一般聚合材料所不具备的一些特性:支链可以与小肽、药物或交联剂等连接,制成各种不同性能的产物,特别是降解产物为氨基酸,毒性很低,聚氨基酸特别是聚赖氨酸已用作缝合材料,人工皮肤和药物控释体系[19]。
聚氨基酸在体内主要以酶解为主,酶对氨基酸的酶解有特异性,多种氨基酸聚合后进入生物体内,为酶解提供了多个酶解位点。
故可以调解聚氨基酸中不同氨基酸的比例,调控材料的酶解速率。
就目前对聚氨基酸材料的研究来看,除了其为人体必须的氨基酸,生物相容性较好等特点外,氨基酸本身具有多个活性基团点位,这些基团为材料的功能化准备了条件,因此,在对聚氨基酸材料的研制中,一方面要寻找最佳氨基酸母体配比,另一方面则可对已合成的材料进行功能化。