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骨組織工程生物支架材料在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用 生物工程材料第三組 LOGO 1 LOGO 章節(jié)名 基本定義 骨組織生物工程支架材料應(yīng)用介紹 參考文獻(xiàn) 2 1 1骨 BONE 由骨組織 骨膜 骨髓等構(gòu)成的器官 可為適應(yīng)機(jī)體受力的需要而進(jìn)行更新和改建 1 基本定義 3 骨祖細(xì)胞 成骨細(xì)胞 骨細(xì)胞 破骨細(xì)胞 骨組織的結(jié)構(gòu) 四種細(xì)胞 4 骨組織的結(jié)構(gòu) 一種基質(zhì) 鈣化的細(xì)胞間質(zhì) 又稱骨基質(zhì) 5 骨組織的結(jié)構(gòu) 骨基質(zhì) 又名骨質(zhì) 是鈣化的細(xì)胞間質(zhì) 是人體最大的Ca2 庫 有機(jī)部分 由膠原纖維和基質(zhì)構(gòu)成 后者主要包括糖蛋白和蛋白多糖 有一定的彈性和韌性 無機(jī)部分 富含鈣 磷的中性鹽 主要為羥基磷灰石結(jié)晶 很堅硬 6 骨板的結(jié)構(gòu)組成 骨板 骨基質(zhì)各種成分共同構(gòu)成的板層狀結(jié)構(gòu) 同一骨板內(nèi)膠原纖維平行排列 相鄰骨板間膠原纖維相互垂直 骨板內(nèi)有骨陷窩 從骨陷窩放射狀發(fā)出的骨小管連接相鄰的骨陷窩 7 骨組織中的細(xì)胞 骨祖細(xì)胞 位于骨膜內(nèi)層 形態(tài) 細(xì)胞較小 呈梭形 細(xì)胞核橢圓形或扁圓形 胞質(zhì)少 弱嗜堿性 功能 分化為成骨細(xì)胞 骨祖細(xì)胞 8 骨組織中的細(xì)胞 成骨細(xì)胞 來源于骨祖細(xì)胞形態(tài) 矮柱狀或不規(guī)則形 核圓形 胞質(zhì)嗜堿性 功能 分泌未鈣化的骨質(zhì) 稱類骨質(zhì) 將自身包埋 變?yōu)楣羌?xì)胞 分泌多種細(xì)胞因子調(diào)節(jié)骨組織的形成和鈣化 對生長激素等敏感 成骨細(xì)胞 9 骨組織中的細(xì)胞 骨細(xì)胞 位于骨陷窩內(nèi) 形狀 不規(guī)則 骨細(xì)胞的突起位于骨小管內(nèi) 相鄰骨陷窩的骨小管相通 相鄰?fù)黄痖g形成的縫隙連接 胞質(zhì)弱嗜堿性 不再分泌類骨質(zhì) 10 骨組織中的細(xì)胞 破骨細(xì)胞 位于骨組織表面的凹陷處 由血液中的多個單核細(xì)胞融合而成 形態(tài) 體積最大 細(xì)胞不規(guī)則 細(xì)胞質(zhì)嗜酸性 多核 功能 溶解 吸收骨組織 起破骨作用 11 支持 保護(hù)機(jī)體 集中了體內(nèi)99 的鈣 是維持血鈣平衡的器官 適宜的血液鈣濃度才能保證心臟正常工作 造血功能 骨髓中有大量骨髓干細(xì)胞 可誘導(dǎo)分化成各種血細(xì)胞進(jìn)入血液 骨組織的作用 12 1 2生物支架材料組織工程支架材料是指能與組織活體細(xì)胞結(jié)合并能植入生物體的不同組織 并根據(jù)具體替代組織具備的功能的材料 為了使種子細(xì)胞增殖和分化 需要提供一個由生物材料所構(gòu)成的細(xì)胞支架 支架材料相當(dāng)于人工細(xì)胞外基質(zhì) 組織工程支架材料包括 骨 軟骨 血管 神經(jīng) 皮膚和人工器官 如肝 脾 腎 膀胱等的組織支架材料 1 基本定義 13 骨組織工程支架材料 神經(jīng)組織工程支架材料 血管組織工程支架材料 皮膚組織工程支架材料 1 2生物支架材料分類 14 骨組織生物工程支架材料 2 骨組織生物工程支架材料 15 因創(chuàng)傷 腫瘤或骨病等原因造成的骨缺損 骨不連和骨髓炎患者越來越多需要骨移植材料的患者也越來越多 另外 由于外傷 腫瘤 炎癥 先天畸形等原因造成牙列缺損后 缺牙區(qū)牙槽骨常伴有過度吸收 致種植區(qū)骨量不足 臨床醫(yī)生須選擇合適的骨替代品重建牙槽骨缺損 骨組織工程學(xué)為骨缺損的治療提供了一種可供選擇的新方法 骨組織工程支架材料是構(gòu)建組織工程骨的主要組成部分 在體內(nèi) 組織基質(zhì)作為細(xì)胞的三維支架為細(xì)胞提供該組織所特有的微結(jié)構(gòu)和微環(huán)境 并儲備足量的水 營養(yǎng)物質(zhì) 細(xì)胞因子和生長因子 以維持細(xì)胞的生存 發(fā)揮其功能 2 1應(yīng)用背景 16 1 種子細(xì)胞 2 信號因子 3 支架材料 骨組織工程 三要素 17 骨組織工程實(shí)施過程 種子細(xì)胞 支架材料 新骨 支架材料降解 骨缺陷修復(fù)完成 18 生物相容性和表面活性 骨傳導(dǎo)性和骨誘導(dǎo)性 合適的孔徑和孔隙率 機(jī)械強(qiáng)度和可塑性 2 2性能要求 19 2 2性能要求 1 生物相容性和表面活性有利于細(xì)胞的黏附 無毒 不致畸 不引起炎癥反應(yīng) 為細(xì)胞的生長提供良好的微環(huán)境 能安全用于人體 2 骨傳導(dǎo)性和骨誘導(dǎo)性具有良好骨傳導(dǎo)性的材料可以更好地控制材料的降解速度 具有良好骨誘導(dǎo)性的支架材料植入人體后有誘導(dǎo)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化并促進(jìn)其增殖的潛能 3 可降解性在組織形成過程中逐漸分解 并且速度與組織細(xì)胞的生長速度相一致 降解時間應(yīng)能調(diào)控 20 2 2性能要求 4 合適的孔徑和孔隙率理想的支架材料孔徑最好與正常骨單位的大小相近 人骨單位的平均大小約為223 m 在維持一定的外形和機(jī)械強(qiáng)度的前提下 通常要求骨組織工程支架材料的孔隙率應(yīng)盡可能高 同時孔間具備連通孔隙 這樣有利于細(xì)胞的黏附和生長 促進(jìn)新骨向材料內(nèi)部的長入 利于營養(yǎng)成分的運(yùn)輸和代謝產(chǎn)物的排出 5 機(jī)械強(qiáng)度和可塑性材料可以被加工成所需要的形狀 并且在植入體內(nèi)一定時間后仍可保持其形狀 21 1 人工合成材料 2 天然衍生材料 3 復(fù)合支架材料 2 3分類 22 1 人工合成材料 無機(jī)材料 應(yīng)用于骨組織工程的無機(jī)材料有生物陶瓷 氧化鋁陶瓷 羥基磷灰石 磷酸三鈣 多孔金屬 不銹鋼 鈷基合金 記憶合金 鈦及鈦合金 磷酸鈣水泥 其中以羥基磷灰石和磷酸三鈣的研究較多 有機(jī)材料 聚丁酸 聚偶磷氮 聚酸酐 聚乙二醇 聚尿烷 聚乳酸 聚羥基乙酸及其共聚物 其中以聚乳酸 聚羥基乙酸及聚乳酸 聚羥基乙酸共聚物的研究最為廣泛 納米材料 納米材料是從原子水平制備的支架材料 其最大的特點(diǎn)是具有高比表面積和孔隙率 有利于細(xì)胞接種 遷移和增殖 納米纖維材料仿生化的微環(huán)境能影響細(xì)胞與細(xì)胞 細(xì)胞與基質(zhì)之間的相互作用 調(diào)節(jié)細(xì)胞的生物學(xué)行為 納米材料安全性能的科學(xué)評價將是其應(yīng)用于臨床所面臨的挑戰(zhàn) 23 2 天然衍生材料 天然骨 天然骨的來源有同種異體或異種動物骨 天然有機(jī)高分子材料 天然有機(jī)高分子材料包括膠原 纖維蛋白 幾丁質(zhì) 藻酸鹽 殼聚糖 天然無機(jī)材料 珊瑚材料的優(yōu)點(diǎn)是具有多孔性和高孔隙率及良好的生物降解性 另外有一定的機(jī)械強(qiáng)度和可塑性 來源豐富 但缺點(diǎn)是降解速度較慢 限制其在骨組織工程中的應(yīng)用 珊瑚骨 海珊瑚及珊瑚羥基磷灰石 的主要成分是碳酸鈣 其優(yōu)點(diǎn)是骨傳導(dǎo)作用較好 在高孔隙率時仍保持機(jī)械強(qiáng)度高的特點(diǎn) 但缺點(diǎn)是力學(xué)性能較差 無骨誘導(dǎo)作用 不易加工 微波燒結(jié)墨魚骨 微波燒結(jié)墨魚骨是通過高溫?zé)崽幚慝@得的多孔純骨礦材料 可突破異種骨移植的限制 24 3 復(fù)合支架材料 羥基辛酸共聚體 由微生物合成的天然高分子聚酯材料多聚羥基烷酸能夠作為組織工程支架進(jìn)行組織修復(fù) 多聚羥基烷酸的新產(chǎn)品羥基丁酸與羥基辛酸共聚體具有良好的細(xì)胞相容性和生物可降解性 有望成為一種新型的骨組織工程支架材料 納米羥基磷灰石 與膠原復(fù)合的骨組織工程支架材料羥基磷灰石和膠原由于具有良好的生物相容性和可降解性 成為支架材料研究應(yīng)用中重要的天然材料 但各自有缺點(diǎn)而限制臨床進(jìn)一步的應(yīng)用 若利用特殊的實(shí)驗(yàn)方法按照一定比例將兩種材料結(jié)合為復(fù)合材料 則有可能優(yōu)化該兩種材料的生物性能 殼聚糖 脫細(xì)胞真皮三維材料 該支架材料具有良好的細(xì)胞相容性 對細(xì)胞有很好的親和性 能促進(jìn)細(xì)胞黏附 生長 增殖和分化 殼聚糖 脫細(xì)胞真皮支架材料在組織工程中是一種很好的生物相容性材料 滿足組織工程新型支架材料的基本要求 25 1 磷酸三鈣骨支架 2 微波燒結(jié)墨魚骨 3 羥基辛酸共聚體 2 4醫(yī)學(xué)應(yīng)用研究 26 1 磷酸三鈣骨支架 林柳蘭等采用冷凍干燥技術(shù)制備的 磷酸三鈣骨支架具有較高的純度 高孔隙率 孔隙結(jié)構(gòu)均勻 連通性好 但支架的結(jié)構(gòu)受漿料濃度與預(yù)凍溫度影響 調(diào)整漿料濃度和預(yù)凍溫度可以制備多孔結(jié)構(gòu)完整性好和連通性好的 磷酸三鈣骨支架 27 2 微波燒結(jié)墨魚骨 微波燒結(jié)墨魚骨是通過高溫?zé)崽幚慝@得的多孔純骨礦材料 可突破異種骨移植的限制 近年來有學(xué)者探討微波燒結(jié)墨魚骨作為骨組織工程支架材料的可行性 李亞屏等試圖用微波燒結(jié)的方法去除全部有機(jī)質(zhì)以消除墨魚骨抗原及可能攜帶的微生物 保留其高孔隙率的骨鹽支架作為骨組織工程支架材料及骨移植替代材料 結(jié)果表明 燒結(jié)墨魚骨有良好生物相容性 有利于人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的黏附生長 并在一定程度上促進(jìn)干細(xì)胞的成骨分化 具備作為骨組織工程支架材料及骨移植替代材料的一些重要特性 28 2 微波燒結(jié)墨魚骨 后續(xù)研究中 李亞屏等通過動物實(shí)驗(yàn)對墨魚骨在動物體內(nèi)的組織相容性 降解特性和骨生物活性等進(jìn)行了深入研究 以探討燒結(jié)墨魚骨作為骨組織工程支架及骨移植替代材料的可行性 結(jié)果發(fā)現(xiàn)微波燒結(jié)后墨魚骨的有機(jī)質(zhì)可被完全碳化 骨鹽成分及適合發(fā)揮成骨效能的三維微孔結(jié)構(gòu)得以保存 體外細(xì)胞培養(yǎng)無毒性 人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞可在其表面細(xì)胞黏附生長 其浸提液可顯著促進(jìn)干細(xì)胞的成骨分化 表明微波燒結(jié)的墨魚骨具有作為骨組織工程支架的一些重要特性如無細(xì)胞毒性 良好的生物相容性 良好的表面活性及適合發(fā)揮成骨效能的多孔骨鹽結(jié)構(gòu)等 利用微波技術(shù)可完全碳化墨魚骨有機(jī)質(zhì) 滅活抗原性及滅菌可同時進(jìn)行 因此 微波燒結(jié)的墨魚骨具有作為骨組織工程支架的潛在可能性 29 2 微波燒結(jié)墨魚骨 討論 結(jié)構(gòu) 墨魚骨大體觀察為瓷白色 微波燒結(jié)后可見褐黃斑紋 質(zhì)地 脆性和硬度無明顯變化 肉眼及放大鏡下保持粗糙多孔狀外觀 紋理清晰 掃描電鏡下可見橫向的平板結(jié)構(gòu) 即為肉眼及放大鏡下的清晰平行紋理 橫向板層結(jié)構(gòu)之間有縱向S板層構(gòu)成的規(guī)則的雙向穹頂結(jié)構(gòu)的孔道 雙向穹頂結(jié)構(gòu)間可見小梁構(gòu)成的桁架結(jié)構(gòu) 微波燒結(jié)處理 有效滅活異種骨抗原及可能攜帶的微生物 是異體或異種骨成功移植的首要條件 而骨的抗原來自其有機(jī)質(zhì) 微生物的生命本質(zhì)也是有機(jī)質(zhì) 常規(guī)高溫煅燒可完全去除墨魚骨的有機(jī)質(zhì) 從而達(dá)到有效滅活異種骨抗原及可能攜帶的微生物的目的 30 2 微波燒結(jié)墨魚骨 燒結(jié)墨魚骨的多孔結(jié)構(gòu)特性 合適的微觀孔結(jié)構(gòu)是骨移植替代物及骨組織工程支架能否發(fā)揮最優(yōu)成骨效能的關(guān)鍵 多孔骨組織工程支架要求三維互通的微觀孔結(jié)構(gòu)以為細(xì)胞的轉(zhuǎn)移 黏附和新骨的內(nèi)生提供足夠的空間 31 3 羥基丁酸與羥基辛酸共聚體 由微生物合成的天然高分子聚酯材料多聚羥基烷酸能夠作為組織工程支架進(jìn)行組織修復(fù) 多聚羥基烷酸的新產(chǎn)品羥基丁酸與羥基辛酸共聚體具有良好的細(xì)胞相容性和生物可降解性 有望成為一種新型的骨組織工程支架材料 32 3 羥基丁酸與羥基辛酸共聚體 郭羽等采用粒子濾出 冷凍干燥復(fù)合法制備了羥基丁酸與羥基辛酸共聚體多孔支架 結(jié)果表明 羥基丁酸與羥基辛酸共聚體多孔支架孔隙分布均勻 連通性好 孔隙率為50 90 時 抗壓強(qiáng)度在1 7 6 2MPa之間 12周體外降解率約為20 與其復(fù)合培養(yǎng)的小鼠成骨樣細(xì)胞黏附率高 生長狀態(tài)良好 羥基丁酸與羥基辛酸共聚體支架孔隙分布均勻且相互連通 無致孔劑殘留 孔隙率和孔徑大小均可以控制 證明羥基丁酸與羥基辛酸共聚體具有良好的理化性能和細(xì)胞相容性 33 多聚羥基烷酸結(jié)構(gòu) 2 4醫(yī)學(xué)應(yīng)用研究 34 2 4醫(yī)學(xué)應(yīng)用研究 1 蠶絲蛋白做骨釘 35 羥基磷灰石涂層骨替代材料與體內(nèi)成骨實(shí)驗(yàn) 2 4醫(yī)學(xué)應(yīng)用研究 36 2 4醫(yī)學(xué)應(yīng)用研究 生物醫(yī)用鈦合金 37 2 靜電紡絲法制備的納米纖維支架 2 4醫(yī)學(xué)應(yīng)用研究 38 3 中科院科學(xué)家3D打印生物陶瓷支架可用于骨腫瘤治療 2 4醫(yī)學(xué)應(yīng)用研究 39 參考文獻(xiàn) 1 馬新芳 張靜瑩 骨組織工程支架材料的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用前景 大連大學(xué)醫(yī)學(xué)部 2014 2 梁衛(wèi)東 王宏偉 王志強(qiáng) 不同骨組織工程支架材料的生物安全性及性能 中國組織工程研究與臨床康復(fù) 2010 3 林柳蘭 鞠少華 方明倫 基于快速成形和冷凍干燥技術(shù)制備 磷酸三鈣骨組織工程支架 中國組織工程研究與臨床康復(fù) 2009 4 李亞屏 李星 彭兆祥等 微波燒結(jié)墨魚骨作為骨組織工程支架材料的體外研究 中醫(yī)正骨 2010 5 郭羽 董岳峰 陳璋 等 羥基丁酸與羥基辛酸共聚體骨組織工程支架的初步研究 功能材料 2009 6 Garc a Garc aJM GarridoL Quijada GarridoI etal Nove