《生物可降解材料结构与性能》-2016

拉伸形变 第1周 5% 第2周 10% 第3周 15%
【实验结果】 静态
其他蛋白
动态
胶原 细胞核
胶原纤维 天然
静态 动态 天然瓣膜
胶原密度 mg/ml 14.2 26.2
41.4
环向
辐射向
【结论】 周期性拉伸应力
有助于胶原的合成以 及力学性能的提高， 更接近于天然组织。
【实验设计】
G Wei, et al., Biomaterials 28 (2007) 2087–2096
MSCs的成骨分化
地塞米松
b-甘油磷酸酯 1,25-二羟基维他命D3
Ascorbate BMPs
b-catenin/LRP-5/Wnt Signaling
Telomerase Cbfa-1
化学 信号
培养方法
拓扑学 特性
间充质干细胞
力学 特性
表面化学特性
……
人工ECM对MSC成骨分化的 调控作用
BMSCs在具有规则和不规则纳米坑的PMMA表面表现出对成骨分化不 同的促进作用。在不引入化学诱导分子的前提下，不规则纳米坑（直径
模量高 模量低
成纤维细胞在较为刚硬的聚二甲基硅氧烷（PDMS）表面的富集 （标尺100 um）
7
【图片说明】
基质的硬度影响细胞的 粘附、迁移、细胞骨架 的分布和细胞铺展。
左图显示细胞在软凝胶 上的粘附是动态的，细 胞铺展程度低；而细胞 在硬基质上的粘附是静 态的、局部的，细胞铺 展程度大。
Dennis E. Discheret al., Tissue Cells Feel and Respond to the Stiffness of Their Substrate, Science, 2005, 310: 1139
脱细胞气管支架用于人工气管治疗
颅骨缺损
小面积的颅骨缺损通常是截取人体的肋
骨接到需要的地方，但大面积的颅骨缺 损采用此法是不合适的，因为需要的肋 骨量较大；
将人工合成材料制成的颅骨片植入脑
中，但对于儿童患者而言，由于合成颅 骨片不会随着病人的成长而长大，每隔 几年病人必须来医院换一个颅骨片。
细胞外基质是指组织中除细胞以外，支撑和连接细胞的部分，在除血液 以外的几乎所有的组织中都或多或少存在细胞外基质。
120nm, 深100nm）排列的表面具有显著促进BMSCs向成骨分化的作用。
骨桥蛋白
骨钙蛋白
矿化结节
PMMA
21天
28天
MJ Dalby, N Gadegaard, R Tare, A Andar, MO Riehle, P Herzyk, CDW Wilkinson, ROC Oreffo, The control of humanmesenchymal cell differentiation usingnanoscale symmetry and disorder, Nature Materials, 2007, 6: 997-1003.
组织工程技术可用于各种组织的修复
伦敦大学学院的实验室如同一家人体备用“零件”商店，利用 患者自身细胞培育耳朵、鼻子、气管和心脏瓣膜等组织和器官。
2
【组织工程膀胱实例】
【皮肤组织工程实例】
提取健康的肌肉和膀胱壁细胞 将细胞接种在胶原质模具上
培养7周
实验室量杯中 “自产”膀胱中的一个
左图上半部：未使用胶原类材料，形成明显的瘢痕组织 左图下半部：采用胶原基支架减少了疤痕组织的形成 右图：人工皮肤
H2C
CH3
O CH2CH2OH O HEMA
H2C
CH3
OH O MAA
H2C
CH
NH2 O
AAm
Zuwei Ma, et al., Biomaterials 24 (2003) 3725–3730
【结果】
PLLA PLLA-g-PHEMA PLLA-g-PAAm PLLA-g-PMAA
接触角 72.2 ± 2.4
Osteocalcin
Nanofibrous structure can apparently accelerate theosteogenic differentiation of bone-related cells.
[Ref] Hu J, Liu X, Ma P X. Induction ofosteoblast differentiation phenotype on poly (L-lactic acid)nanofibrous matrix. Biomaterials, 2008, 29(28): 3815-3821.
生物降解高分子的结构与性能
蔡晴 2016-10
一、组织工程简介 二、细胞外基质或支架材料 三、生物可降解脂肪族聚酯 四、水凝胶材料 五、脂肪族聚酯的降解性能
假体
自体、异体或 异种器官移植
“人体零件制造”
克隆器官
组织工程
中国医生成功将克隆猪肝脏移植猴子体内
2013-06-09 新浪图片
2013年6月9日报导，中国西安西京医院的成功地将一头克隆猪的肝脏移植 到一只藏猕猴身上，这只猴子因此被载入史册。医生在5月28日实施了这个 移植手术。这只猕猴现在的情况十分稳定。专家认为手术获得成功。
40.1 ± 3.6
41.8 ± 3.7
39.8 ± 4.4
TCPS
PLLA
PLLA-g-PHEMA
PLLA-g-PAAm
PLLA-g-PMAA
软骨细胞在不同表面的形态（Giemsa染色）
【膜的制备】 选择一种合适的上面有小方块突起的模具，浇上第一层聚合物溶
液（交联剂和引发剂量相对较少）交联后形成柔软的膜基体，然后去 掉模具，在小方块中浇入第二个聚合物溶液，交联剂量增加，形成的 膜更加刚硬。聚合物选用了聚丙烯酰胺和聚二甲基硅氧烷。
【实验目的】
将–OH， –COOH，–CONH2引入聚乳酸（PLLA）表面，研究不同基 团对软骨细胞粘附、增殖和形态的影响。
【实验方法】
将经过双氧水处理的聚乳酸浸入甲基丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸或丙
烯酰胺的溶液中，通过光引发聚合将PHEMA、PMAA、PAAm接枝到聚乳 酸表面，然后进行软骨细胞的培养。
（3）虽然分离的细胞群能够进行生理性重组，但这种行为 在细胞是悬浮状态时会受到抑制。
Joseph P Vacanti （哈佛医学院）
Three-Dimensional Cell Culture Matrices: State of the Art.Tissue Engineering: Part B 2008, 14:61-86
Biomaterials 32 (2011) 3700-3711
两种不同的细胞收获方式
丙交酯
磷酰胆碱甘油酯
利ห้องสมุดไป่ตู้细胞层的组织重建技术示例
Reconstruction of functional tissues with cell sheet engineering, Biomaterials 28 (2007) 5033–5043
Yasuhiko Iwasaki et al., J Biomed Mater Res 2003，65A: 164–169
结合水分子 自由水分子
结合水 自由水
endo
BSA
BPF
Bengt Kasemo, Biological surface science, Surface Science 500 (2002) 656–677
polyHEMA对牛血清白蛋白(BSA) 和牛血浆纤维蛋白原(BPF)的吸附
6
骨组织
植入体
纤维组织
假性聚酪氨酸
植入体 骨组织
上图：poly(DTB carbonate)，约79％的 植入体发生异物反应，在植入体周围生 成纤维囊 下图：poly(DTE carbonate)，约72％的 植入体周围发现有骨组织的重塑
治疗性克隆
生殖性克隆
1
“人耳鼠”
组织工程与克隆器官的异同？
组织工程技术提出的理论和实践基础
细胞能在聚合物支架上形成组织的生理基础:
（1）所有的组织都在不停地进行重塑；
Robert Langer （2）将成熟的细胞分离、分散后，置于合适的细胞培养条 （麻省理工）
件下，它们能重新组织成原来的生物学结构；
具有高表面能的材料更利于对细胞的黏附和铺展。
PEP：氟代乙烯－丙烯共聚物 PE：聚乙烯 PS： 聚苯乙烯 PEU：聚氨酯 PSu：聚硫砜 PMMA：聚甲基丙烯酸甲酯 TCPS：组织培养用聚苯乙烯
研究表明，中等润湿性表面对细胞粘连最多。这和蛋 白质在表面吸附相关。
○和■：成纤维细胞 ●和△：内皮细胞
5
细胞外基质是由多种生物大分子组成
的网络状结构，主要含有纤维蛋白、黏附
蛋白和蛋白多糖。作为载体，细胞外基质
中还含有各种生长因子、细胞因子等。
细胞外基质是细胞附着的基本框架和
代谢场所，其形态和功能直接影响所构成
的组织形态和功能。
成纤维细胞的扫描电镜照片 （来自大鼠的角膜）
ü 决定再生组织、器官的形状与大小 ü 为细胞增殖、繁衍提供空间场所 ü 为细胞增殖创造（营养、气体交换及排除废物）环境 ü 起到机械支撑作用 ü 通过支架向细胞施加某种组织特异性的机械力 ü 支架材料可作为促细胞生长的活性因子的载体
3
ZH Syedain, et al., Biomaterials 30 (2009) 4078–4084
【实验方法】
1、将人真皮成纤维细胞悬液与纤维蛋白原溶液混合后，
三尖瓣 右心室
注入两叶心脏瓣膜的模具，加入凝血酶凝胶成型，体外
静态培养2周；
2、将细胞/材料复合物固定于下图所示生物反应器中，
施加周期性拉伸应力，作用频率0.5Hz条件下培养3周。
植入体与骨组织界面的组织学分析 ( Biomaterials 28 (2007) 4171–4177 )
不同基团对细胞粘附的影响顺序为： －NH2 ＞ (CH3)2N－＞－OH＝－CONH2＞－SO3H＞－COOH
CH3
OC
O
NH CHOH
CHOH
CH2OH
COOOH
细胞膜的结构模型
OH 唾液酸（N-乙酰神经氨酸）
胶原蛋白
纤粘连蛋白 蛋白聚糖
层粘连蛋白
细胞外基质的组成和可能的结构
纤连蛋白将细胞连接到细胞外基质上
细胞
界面
表面识别 化学相互作用：
某些特
酸碱
定结构
离子对
离子交换
氢键
二价离子桥连
大分子相互作用： 非特异性吸附（如疏水相互作用）
特异性吸附（配体－受体）
聚合物本体
nm 10 5
0
5
10
聚合物材料表面与生理性介质接触后可能发生的相互作用
不同支架的大鼠皮下埋植6周的结果
纤维粘连法
致孔剂法
固液相分离法
液液相分离法
微球粘连法
发泡法
快速成型法
静电纺丝法
4
Nanofibers
Contact guide effect
Flat control
Calcium deposition
Osteocalcin
Integrin mediated
Calcium deposition
基质材料弹性模量对间充 质干细胞分化的调控作用
Adam J. Engler, et al., Matrix Elasticity Directs Stem Cell Lineage Specification, Cell 126: 677–689, 2006
无定型
结晶性 培养72h后
3T3成纤维细胞在具有不同结晶性PLLA膜表面的生长状况 Ann Park, et al., In vitro cell response to differences in poly-L-lactide crystallinity, J Biomed Mater Res, Vol. 31, 117-130 (1996)
为促进细胞的粘附，表面都涂覆了纤维蛋白。试验细胞为NIH 3T3成纤维细胞和猪股动脉的血管内皮细胞。
Darren S. Gray, et al., Repositioning of cells by mechanotaxis on surfaces with micropatterned Young’s modulus, J Biomed Mater Res 66A: 605–614, 2003
【结果】 组织学切片检查发现
前两种情况都没有骨组织 的生成，主要是成纤维细 胞和一些多核巨细胞，而 载有PLGA纳米球的PLLA 支架，则观察到明显的骨 组织生成，说明生长因子 的缓慢控制释放是决定其 作用发挥的一个重要方面。
H&E染色显示有矿化发生 （左图中粉红色区域） E和F：载有PLGA纳米球，载5 ug rhBMP-7
1、采用双乳液法，用PLGA包埋rhBMP-7制备得到纳米微球（NS）。
2、采用相分离和致孔剂法相结合，制备大孔、纳米纤维PLLA支架。
3、采用接种法将载有BMP的纳米微球加入到PLLA支架中。
4、进行体外释放和体内皮下埋植实验。
体外释放
A和B：PLLA裸支架
炎性细胞
C和D：PLLA支架吸附5 ug rhBMP-7