LEC1人工器官和组织工程 绪论

细胞培养
细胞培养的基本条件
（四）气体环境和氢离于浓度
• 所需气体主要是O2和CO2。 • 大多数培养细胞适宜的pH值为7.2—7.4，低于6.8或高于7.6 对细胞不利，甚至导致细胞死亡。对多数细胞来说，在偏酸 环境中更细胞生长。 • 为维持培养基pH值的稳定，常以CO2／HCO3-和磷酸缓冲液体 系来完成。
概述
基本方法：将在体外
培养、扩增的功能相 关的活细胞种植于多 孔支架上,细胞在支架 上增殖、分化,构建生 物替代物,然后将之移 植到组织病损部位,种 植的细胞在生物支架 逐步降解吸收过程中， 继续增生繁殖，形成 了新的具有其原来特 殊功能和形态的相应 组织和器官，达到修 复创伤和重建功能的 目的。
生物材料的应用
4
组织工程学
4.1 4.2 4.3 4.4 概述
细胞培养
组织工程支架材料 支架材料制备技术
概述
组织工程学：
应用工程学和生命科学的原理与方法,研究 和开发具有生物活性的人工替代物，达到修复、 维持或改善损伤组织功能的一门科学 。（Langer
和Vacantil，1993年，<<Science>>）
细胞培养
细胞培养是指从体内取出的细胞或组织在模拟 体内生理环境，于无菌、合适温度和一定营养条件 下在体外培养，使其生存、生长、增殖，并保持其 结构和功能的方法。 它包括从活体中取出的细胞或已建立的细胞系 在体外培养生长、增强，但不再分化为组织。
细胞培养
细胞培养的基本条件
（一）无污染环境 无毒和无菌是保证细胞生存的首要条件。 （二）基本的营养物质
比 强 度 比 较
碳 硼 玻钛 钢 铝 纤纤璃 维维纤 维 树树 脂脂树 脂 \ \ \
16
复合材料－玻璃钢
玻璃钢冷却塔
颅骨： 316L 不锈钢、钛 甲基丙烯酸甲酯、羟基 磷灰石、磷酸三钙
颌面重建： Al2O3 、羟基磷灰 石 / 聚乳酸、磷酸三钙、生物 玻璃、钛、钛-铝-钒合金 心脏：钛-铝-钒合金、钴-胳-钼合 金、热解碳、膨体 - 聚四氟乙烯、 聚对苯二甲酸乙二酯、聚氨酯 起搏器：316L不锈钢、铂、聚氨酯 、硅树脂、聚对苯二甲酸乙二酯 脊柱：钴-胳-钼合金、 钛、羟基磷灰石、超高 分子聚乙烯 骨修复： 316L不锈钢、钴胳 - 钼合金、钛、钛 - 铝 - 钒 合金、聚乳酸 / 羟基磷灰石 、聚乳酸、聚羟基乙酸 肌腱和韧带：聚乳酸/碳纤 维、膨体-聚四氟乙烯、聚 对苯二甲酸乙二酯、超高 分子聚乙烯、甲基丙烯酸 甲酯
内视透镜：甲基丙 烯酸甲酯、硅树脂
耳： Al2O3 、羟基磷灰石、 钛、硅树脂 齿： 甲基丙烯酸甲酯、金、 316L 不锈钢、钴 - 胳 - 钼合金 、钛-铝-钒合金、钛、Al2O3 、羟基磷灰石、生物玻璃 血管： 膨体 - 聚四氟乙烯、 聚对苯二甲酸乙二酯 可降解的缝合线： 聚乳 酸、聚羟基乙酸、聚己 内酯、聚碳酸三亚甲基 酯、超高分子聚乙烯 修复关节： 316L 不锈 钢、钴-胳-钼合金、钛 钛-铝-钒合金、硅树脂 、超高分子聚乙烯、甲 基丙烯酸甲酯
加工及成形 非常好，可加工成任意 性能 形状，延展性良好
可加工性好， 塑形性好，脆性大， 有一定韧性 无延展性
3.生物材料的使用性能
复合材料涵义： 指两种或两种以上材料组合成的一种新型 基体，另外材料做为 材料。其中一种做为_____ 增强剂 。 ________ 复合材料的性能： 强度高、质量轻、耐高温、耐腐蚀 等 具有_______________________________ 优异性能，在综合性能上超过了单一材料。

所有天然生物材料都是复合材料
• 复合材料是多相材料，主要包括基体相和增强相。
• 基体相是一种连续相，它把改善性能的增强相材料固
结成一体，并起 传递应力的作用 。 增强相起承受应 力（结构复合材 料）和显示功能 (功能复合材料) 的作用。
纤维增强高分子复合材料
15
• 复合材料的特点 • 1、比强度和比模量高 其中 纤维增强复合材料的最高。 • 2、抗疲劳性能好 因纤维对 疲劳裂纹扩展有阻碍作用。 • 3、减振性能良好 复合材料 中的大量界面对振动有反射 吸收作用，不易产生共振。 • 4、高温性能好。
●● ● ●● ●
早期
20世纪初，高分子材料开始得到应用。牙科医学中开 始应用聚甲基丙烯酸甲脂（ PMMA) 。开始试验用聚乙 烯塑料制造血管替代材料。用涤纶仿造动脉血管。 20世纪60年代初，用高分子聚乙烯和不锈钢制成的人 工髋关节被植入人体并取得成功。
20世纪 60年代末和 70年代初，在美国克莱姆森大学举 发展时期 行的生物材料讨论会上“ biomaterial”一词开始被 普遍使用。
• ISO 定义，生物材料（ Biomaterials ）即生物医学材料 （ Biomedical Materials ），它是指“以医疗为目的， 用于与组织接触以形成功能的无生命的材料”。另有定 义是：具有天然器官组织的功能或天然器官部分功能的 材料。
1.生物材料发展背景
公元3500年前：古埃及人就开始利用棉纤维、马鬃作缝 合线缝合伤口；印第安人则使用木片修补受伤的颅骨。 公元2500年前：中国和埃及的墓葬中就发现有假牙、假 鼻和假耳。那时的人类很早就用黄金来修复缺损的牙齿 并沿用至今。
概述
3. 组织工程支架材料（细胞载体材料）
分离的细胞自身不可能形成组织，它们需要特 殊的环境，通常包括细胞生长临时的支架材料。这 种三维支架材料常常模拟其自然对应物一体内的细 胞外基质(ECM) ，它们既起物理支架的作用，又是实 质细胞在体外培养和后期植入的粘附物质。 细胞载体材料是利用组织工程技术再造人类器 官的物质基础，是组织工程技术中研究的关键。
2.生物材料的分类
• 生物材料是研制人工器官及一些重要医疗技术的 物质基础，综观人工器官及医疗装置的发展史， 每一种新型生物材料的发现都引起了人工器官及 医疗技术的飞跃。
–生物惰性医用硅橡胶—人工耳、人工鼻、人工颌骨等 –血液相容性较好的各向同性碳被复材料—碟片式机械 心脏瓣膜 –血液亲和性及物理机械性能较好的聚氨酯嵌段共聚物 —促使人工心脏向临床应用跨越一大步 –可形成假生物内膜的编织涤纶管—人工血管向实用化 飞跃。
(1)所有细胞均需要的各种氨基酸 (2)含有适当的葡萄糖以维持细胞代谢及产生能量 (3)必需的维生素 (4)钠、钾、钙、镁等无机盐类及Fe、Zn、Se等微量元素 在大多数培养基中需加入血清，如小牛血清等。为了防 止细菌感染，有时加入适量的抗生素(如青、链霉素)。
细胞培养
细胞培养的基本条件
（三）温度
内视透镜：甲基丙 烯酸甲酯、硅树脂
耳： Al2O3 、羟基磷灰石、 钛、硅树脂 齿： 甲基丙烯酸甲酯、金、 316L 不锈钢、钴 - 胳 - 钼合金 、钛-铝-钒合金、钛、Al2O3 、羟基磷灰石、生物玻璃 血管： 膨体 - 聚四氟乙烯、 聚对苯二甲酸乙二酯 可降解的缝合线： 聚乳 酸、聚羟基乙酸、聚己 内酯、聚碳酸三亚甲基 酯、超高分子聚乙烯 修复关节： 316L 不锈 钢、钴-胳-钼合金、钛 钛-铝-钒合金、硅树脂 、超高分子聚乙烯、甲 基丙烯酸甲酯
概述
2. 细胞生长因子 在组织器官的再造中，各类组织诱导因子、生 长因子和血管形成刺激因子将有利于组织的形成。
例如，促进骨细胞的分化与再生的是一些蛋白 质生长因子，其中起主要作用的是骨形态发生蛋 白 (BMP)。这种活性蛋白质可诱导血管周围游动间 充质细胞转转化为不可逆性骨系细胞．
如何将生长因子与载体组合成生长因子的释放系统，是 组织工程中有效利用生长因子的关键。
人工器官与组织工程
绪
论
大理大学 工程学院 李司婧
生物材料
隐形眼睛
假牙 假肢
2
生物材料
人工肾
人造心脏
人造关节
3
颅骨： 316L 不锈钢、钛 甲基丙烯酸甲酯、羟基 磷灰石、磷酸三钙
颌面重建： Al2O3 、羟基磷灰 石 / 聚乳酸、磷酸三钙、生物 玻璃、钛、钛-铝-钒合金 心脏：钛-铝-钒合金、钴-胳-钼合 金、热解碳、膨体 - 聚四氟乙烯、 聚对苯二甲酸乙二酯、聚氨酯 起搏器：316L不锈钢、铂、聚氨酯 、硅树脂、聚对苯二甲酸乙二酯 脊柱：钴-胳-钼合金、 钛、羟基磷灰石、超高 分子聚乙烯 骨修复： 316L不锈钢、钴胳 - 钼合金、钛、钛 - 铝 - 钒 合金、聚乳酸 / 羟基磷灰石 、聚乳酸、聚羟基乙酸 肌腱和韧带：聚乳酸/碳纤 维、膨体-聚四氟乙烯、聚 对苯二甲酸乙二酯、超高 分子聚乙烯、甲基丙烯酸 甲酯
最适宜温度为35—37C。偏离此范围，细胞的正常代谢 和生长受影响。一般来说，细胞对低温的耐受力较高温强。 温度不低于0 C时，细胞代谢随温度降低而减慢，对细胞无 伤害作用，一旦再置于37C培养，细胞仍能生长。 如温度降至冰点以下时，细胞可因胞质结冰而死亡，但 如向培养基中加入保护剂(二甲基亚砜 DMSO或甘油)，封入安 瓶中，即可在液氟中冷冻储存(温度达-196 C)，复苏后仍能 继续生长。
2.生物材料的分类
–按生物材料的属性分类：
• 天然生物材料—再生纤维、胶原、透明质酸、甲壳素等。 • 合成高分子生物材料—硅橡胶、聚氨脂及其嵌段共聚物、 涤纶、尼龙、聚丙烯腈、聚烯烃 • 医用金属材料—不锈钢、钛及钛合金、钛镍记忆合ห้องสมุดไป่ตู้等 • 无机生物医学材料—碳素材料、生物活性陶瓷、玻璃材料 • 杂化生物材料—指来自活体的天然材料与合成材料的杂化 ，如胶原与聚乙烯醇的交联杂化等 • 复合生物材料—用碳纤维增强的塑料，用碳纤维或玻璃纤 维增强的生物陶瓷、玻璃等
金属、陶瓷 天然高分子 合成高分子
动态细胞培养 提高传质 外机械刺激响
多肽 核糖核酸 反义核酸
细胞
支架
生物反应器
生长因子
概述
1.特定组织的细胞 特定组织的细胞是指从供体组织的健康部位 收集个体细胞，分离后，再移植到患者所需要的部 位。 细胞移植与整个器官移植相比具有明显的优势： • 仅仅需要很少量的供体细胞就可进行移植； • 活的供体不必牺牲整个器官； • 分离细胞的用处可以排除易发生免疫反应的细 胞类型； • 成本低。
组织工程再生过程：①提取自体细胞，②繁殖细胞 ，③将细胞移植在合适的支架上并控制其生长因子 ，④细胞培育，⑤将支架移植的需要修复的组织内
概述
核 心：建立由细胞和生物材料构成的三维复合体
三要素：种子细胞、信号因子(细胞因子或生长因子)
和支架材料
概述
组织工程
四大发展方向
细胞分化 成人干细胞 胚胎干细胞
成立于1996年，由中国材料研究学会、中国生物医 学工程学会、中华医学会等10个与生物材料相关的 全国学会派出代表组成，挂靠依托于四川大学的国 家生物医学材料工程技术研究中心。
9
2.生物材料的分类
• 两种分类方法
–按应用性质来分类：
抗凝血材料（心血管材料）、齿科材料、 骨科材料、眼科材料、吸附解毒材料（血液 灌流用）、假体材料、缓释材料、生物粘合 材料、透析及超滤用膜材料、一次性医用材 料，等等。
飞速发展时期
20 世纪末，以纳米科技为首的物理、化学的科技 迅猛发展，极大的带动了生物材料的研究和发展 ，使得生物材料进入了全新的飞速发展时期，产 生了，如药物释放、生物传感器、人工器官、仿 生材料、智能材料、生物医学材料等的多学科交 叉、多应用前景的发展局面。
药物释放载体
自清洁玻璃
纳米机器人
中国生物材料委员会 "(Chinese Committee For Biomaterials, 缩写为 CCBM
生物材料的应用
1 2 3 4
生物材料发展背景 生物材料的分类 生物材料的使用性能 组织工程学
1.生物材料发展背景
生物材料：
• 生物医学材料是生物医学科学中的最新分支学科，是生 物、医学、化学和材料科学交叉形成的边缘学科。具体 涉及到化学、物理学、高分子化学、高分子物理学、生 物物理学、生物化学、生理学、药物学、基础与临床医 学等很多学科 。
3.生物材料的使用性能
各类生物材料比较
材料特性 生物相容性 不太好 耐侵蚀性 耐热性 强度 耐磨性 除贵金属外，多数不耐 侵蚀，表面易变质 较好，耐热冲击 很高 不太好，磨损产物易污 染周围组织 金属 高分子 较好 化学性能稳 定，耐侵蚀 很好 化学性能稳定，耐侵 蚀，不易氧化、水解 陶瓷
受热易变形， 热稳定性好，耐热冲 易老化 击 差 不耐磨 很高 耐磨性好，有一定润 滑性能