骨组织工程生物支架材料

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 。
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。
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。
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
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
2.2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
2.2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。
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。
2.3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。
3）羟基丁酸与羟基辛酸共聚体
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。
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。
功能：溶解、吸 收骨组织，起破骨作 用。
骨组织的作用
支持，保护机体；
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。
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。
[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.
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。
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。
胞
的形成和钙化。对生长激素等敏感。
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 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。
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。
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。
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。
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。
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。
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 灭活异种骨抗原及可能携带的微生物的目的。
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。
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 织支架材料。
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
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，
细胞核椭圆形或扁圆形，胞
骨 祖
质少，弱嗜碱性。
细 胞
功能：分化为成骨细胞。
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
成 骨
类骨质，将自身包埋，变为骨细胞。
细
分泌多种细胞因子调节骨组织
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 μm)，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。
2.4医学应用研究
多聚羟基烷酸结构
2.4医学应用研究
1）蚕丝蛋白做骨钉
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
2.4医学应用研究
生物医用钛合金
2.4医学应用研究
2）静电纺丝法制备的纳米纤维支架
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
参考文献
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
作用
工程支架材
料
来自百度文库
研究应用
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。
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基本定义 骨组织生物工程支架材料应用介绍
参考文献
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。
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
骨组织的结构——一种基质
钙化的细胞间质： 又称骨基质
骨组织的结构
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。
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。
骨组织工程——三要素
1）种子细胞 2）信号因子 3）支架材料