骨组织工程支架材料
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骨组织工程支架材料
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
新型羟乙基壳聚糖/纤维素支架
从 图 中 可 知 化学反应主要涉及环氧基的胺/羟基引发的开环反应，导 致形成单一的3D网络结构。通过ECH交联与二氧化硅浸出法组合制备的 HECS / CEL支架在浸泡于水中时以水凝胶的形式存在。
新型羟乙基壳聚糖/纤维素支架
从图知通过微粒浸出和冷 冻干燥方法，支架显示出 高度互相连接的双孔结构。 通过去除致孔剂SiO 2颗粒 来生产尺寸为100-250μm 的气泡状大孔，而在冷冻 干燥过程中形成的冰晶升 华，尺寸为数十微米的微 孔是升华的结果。这种高 度互连的多孔结构将促进 营养物质，氧气和代谢废 物通过支架交换，以促进 细胞，血管和周围组织的 向内生长。
骨组织工程——三要素
1）种子细胞
2）信号因子
3）支架材料
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
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
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。
层Βιβλιοθήκη Baidu双氢氧化物-羟基磷灰石/明胶支架
碳纳米纤维/羟基磷灰石（HA）生物活性支架
临界尺寸骨缺损是矫形缺损，不会在没有干预的情况下 愈合，也不会在动物的自然生命周期内完全愈合。尽管骨通 常具有完全再生的能力，但临界缺陷需要某种支架才能完成 。因此提出了一种获得碳纳米纤维/羟基磷灰石（HA）生物 活性支架的方法。通过使用聚丙烯腈“PAN”的聚合溶液的 静电纺丝工艺和随后的稳定化和碳化方法获得碳纳米纤维（ CNF）非织造织物。 CNF片由羟基磷灰石（HA）和牛血清白 蛋白（BSA）两者官能化。将HA加入静电纺丝溶液中，但在 （BSA）的情况下，在碳化处理后被吸附。 使用表征方法（SEM，FT-IR，TGA和EDX）研究在前体片 中发生的性质的变化。通过皮下植入在新西兰白兔中测试制 备的材料的生物相容性。 HA和BSA功能化的片材与3周内只 有HA的患者相比，具有更少的嗜中性粒细胞和淋巴细胞炎症 细胞的生物相容性。
医学应用
羟基磷灰石涂层骨替代材料与体内成骨实验
医学应用
2）静电纺丝法制备的纳米纤维支架
医学应用
3D打印生物陶瓷支架可用于骨肿瘤治疗
讨论
目前应用于骨组织工程的支架材料种类繁多， 国内外学 者作了许多有益的尝试。理想的组织工程支架材料应具 有生物相容性、生物可降解性、 多孔性等特点， 以利 于细胞粘附、生长、增殖和分化， 并形成功能性组织。
新型羟乙基壳聚糖/纤维素支架
图6所示体外检测活细胞的常用方法，绿色荧光点代表活细胞。如 图所示。 6A，孵育1天后，在CEL和HECS / CEL支架上观察到代 表细胞簇的几个绿色荧光点。当培养时间延长至4天时，观察到更 多的细胞簇，并出现一些细胞间结。结果表明HECS / CEL支架具 有比CEL支架更好的体外生物相容性，为细胞附着和增殖提供了有 希望的环境。
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
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。
层状双氢氧化物 - 羟基磷灰石/明 通过开发多孔生物降解支架是骨组织工的主要方法 胶骨组织工程支架：制造，表征和 之一。使用共沉淀和溶剂铸造方法制备了含有层状双氢 体内研究层状双氢氧化物 - 羟基磷 氧化物（ LDH），羟基磷灰石石（HA）和明胶（ GEL）的 新型BTE 复合材料。生理化学特征表明，支架的化学成分 灰石 /明胶骨组织工程支架：制造 和微观结构与天然海绵骨相似。观察到互连大孔，而 ，表征和体内研究 LDH/GEL 和LDH的孔隙率和杨氏模量也很满足性能要求的
新型羟乙基壳聚糖/纤维素支架
如图3A所示，这三种不同的支架表现出类似的应力 - 应变行为，并且应 力随着应变的增加几乎线性增加。如图3B所示，HECS / CEL支架的平 均压缩模量显著高于1.5wt％CEL支架。
新型羟乙基壳聚糖/纤维素支架
图4所示1.5重量％CEL和HECS / CEL支架的膨胀动力学和水接触角（A） 和视觉肿胀现象（B），表明加入水溶性HECS提高了CEL的亲水性
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。
支架。一个月后，支架在去离子水中降解。SEM图像显示， 在两个支架之间，具有针状二次HA晶体的LDH-HA/GEL 显 示更好的生物活性。根据碱性磷酸酶活性和茜素红染色 结果，与LDH /凝胶支架以及对照样品相比，LDH-HA/GEL 支架显示更好的骨特异性活性。提取兔子脂肪干细胞培 养，然后在融合后接种在 LDH-HA/GEL支架上。结果证实 了LDH-HA/GEL支架诱导骨再生的良好性能。
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
新型羟乙基壳聚糖/纤维素支架
天然多糖制成的水凝胶可以作为组织工程的理想 支架，因为它们与细胞外基质相似。通过化学交联， 使用二氧化硅颗粒作为致孔剂的颗粒浸出和冷冻干燥 方法，由羟乙基壳聚糖（HECS）和纤维素（CEL）制 备了具有气泡状多孔结构的新型水凝胶支架。通过 SEM，机械试验，接触角测量和流变仪对HECS/CEL支 架的形态，压应力-应变曲线，润湿性，溶胀度和流 变行为进行了表征。HECS / CEL支架具有良好的综合 性能，20秒内可达到水中平衡膨胀状态。HECS/ CEL 支架可以很好地支持成骨细胞MC3T3-E1细胞的附着， 扩散和增殖，并显示出良好的生物相容性。因此，新 型HECS/CEL支架对于骨组织工程应用是有希望的。
骨组织工程的临床应用前景是极为广阔的有关产品也将 具有可观的市场需求。根据骨组织工程的应用战略．寻 找合适的信号分子以及种子细胞，并探索它们与支架材 料的组装模式，将是今后较长时间内的极为活跃的研究 内容。
织支架材料。
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。 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。
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。
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。 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。
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
新型羟乙基壳聚糖/纤维素支架
从 图 中 可 知 化学反应主要涉及环氧基的胺/羟基引发的开环反应，导 致形成单一的3D网络结构。通过ECH交联与二氧化硅浸出法组合制备的 HECS / CEL支架在浸泡于水中时以水凝胶的形式存在。
新型羟乙基壳聚糖/纤维素支架
从图知通过微粒浸出和冷 冻干燥方法，支架显示出 高度互相连接的双孔结构。 通过去除致孔剂SiO 2颗粒 来生产尺寸为100-250μm 的气泡状大孔，而在冷冻 干燥过程中形成的冰晶升 华，尺寸为数十微米的微 孔是升华的结果。这种高 度互连的多孔结构将促进 营养物质，氧气和代谢废 物通过支架交换，以促进 细胞，血管和周围组织的 向内生长。
骨组织工程——三要素
1）种子细胞
2）信号因子
3）支架材料
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
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
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。
层Βιβλιοθήκη Baidu双氢氧化物-羟基磷灰石/明胶支架
碳纳米纤维/羟基磷灰石（HA）生物活性支架
临界尺寸骨缺损是矫形缺损，不会在没有干预的情况下 愈合，也不会在动物的自然生命周期内完全愈合。尽管骨通 常具有完全再生的能力，但临界缺陷需要某种支架才能完成 。因此提出了一种获得碳纳米纤维/羟基磷灰石（HA）生物 活性支架的方法。通过使用聚丙烯腈“PAN”的聚合溶液的 静电纺丝工艺和随后的稳定化和碳化方法获得碳纳米纤维（ CNF）非织造织物。 CNF片由羟基磷灰石（HA）和牛血清白 蛋白（BSA）两者官能化。将HA加入静电纺丝溶液中，但在 （BSA）的情况下，在碳化处理后被吸附。 使用表征方法（SEM，FT-IR，TGA和EDX）研究在前体片 中发生的性质的变化。通过皮下植入在新西兰白兔中测试制 备的材料的生物相容性。 HA和BSA功能化的片材与3周内只 有HA的患者相比，具有更少的嗜中性粒细胞和淋巴细胞炎症 细胞的生物相容性。
医学应用
羟基磷灰石涂层骨替代材料与体内成骨实验
医学应用
2）静电纺丝法制备的纳米纤维支架
医学应用
3D打印生物陶瓷支架可用于骨肿瘤治疗
讨论
目前应用于骨组织工程的支架材料种类繁多， 国内外学 者作了许多有益的尝试。理想的组织工程支架材料应具 有生物相容性、生物可降解性、 多孔性等特点， 以利 于细胞粘附、生长、增殖和分化， 并形成功能性组织。
新型羟乙基壳聚糖/纤维素支架
图6所示体外检测活细胞的常用方法，绿色荧光点代表活细胞。如 图所示。 6A，孵育1天后，在CEL和HECS / CEL支架上观察到代 表细胞簇的几个绿色荧光点。当培养时间延长至4天时，观察到更 多的细胞簇，并出现一些细胞间结。结果表明HECS / CEL支架具 有比CEL支架更好的体外生物相容性，为细胞附着和增殖提供了有 希望的环境。
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
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。
层状双氢氧化物 - 羟基磷灰石/明 通过开发多孔生物降解支架是骨组织工的主要方法 胶骨组织工程支架：制造，表征和 之一。使用共沉淀和溶剂铸造方法制备了含有层状双氢 体内研究层状双氢氧化物 - 羟基磷 氧化物（ LDH），羟基磷灰石石（HA）和明胶（ GEL）的 新型BTE 复合材料。生理化学特征表明，支架的化学成分 灰石 /明胶骨组织工程支架：制造 和微观结构与天然海绵骨相似。观察到互连大孔，而 ，表征和体内研究 LDH/GEL 和LDH的孔隙率和杨氏模量也很满足性能要求的
新型羟乙基壳聚糖/纤维素支架
如图3A所示，这三种不同的支架表现出类似的应力 - 应变行为，并且应 力随着应变的增加几乎线性增加。如图3B所示，HECS / CEL支架的平 均压缩模量显著高于1.5wt％CEL支架。
新型羟乙基壳聚糖/纤维素支架
图4所示1.5重量％CEL和HECS / CEL支架的膨胀动力学和水接触角（A） 和视觉肿胀现象（B），表明加入水溶性HECS提高了CEL的亲水性
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。
支架。一个月后，支架在去离子水中降解。SEM图像显示， 在两个支架之间，具有针状二次HA晶体的LDH-HA/GEL 显 示更好的生物活性。根据碱性磷酸酶活性和茜素红染色 结果，与LDH /凝胶支架以及对照样品相比，LDH-HA/GEL 支架显示更好的骨特异性活性。提取兔子脂肪干细胞培 养，然后在融合后接种在 LDH-HA/GEL支架上。结果证实 了LDH-HA/GEL支架诱导骨再生的良好性能。
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
新型羟乙基壳聚糖/纤维素支架
天然多糖制成的水凝胶可以作为组织工程的理想 支架，因为它们与细胞外基质相似。通过化学交联， 使用二氧化硅颗粒作为致孔剂的颗粒浸出和冷冻干燥 方法，由羟乙基壳聚糖（HECS）和纤维素（CEL）制 备了具有气泡状多孔结构的新型水凝胶支架。通过 SEM，机械试验，接触角测量和流变仪对HECS/CEL支 架的形态，压应力-应变曲线，润湿性，溶胀度和流 变行为进行了表征。HECS / CEL支架具有良好的综合 性能，20秒内可达到水中平衡膨胀状态。HECS/ CEL 支架可以很好地支持成骨细胞MC3T3-E1细胞的附着， 扩散和增殖，并显示出良好的生物相容性。因此，新 型HECS/CEL支架对于骨组织工程应用是有希望的。
骨组织工程的临床应用前景是极为广阔的有关产品也将 具有可观的市场需求。根据骨组织工程的应用战略．寻 找合适的信号分子以及种子细胞，并探索它们与支架材 料的组装模式，将是今后较长时间内的极为活跃的研究 内容。
织支架材料。
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。 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。
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。
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。 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。