组织工程相关生物材料

组织工程相关生物材料主要内容基本概念支架设计及制备技术生物材料的表面工程展望与挑战组织工程应用工程学和生命科学的原理与方法,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,达到修复、维持或改善损伤组织功能一门科学核心：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)支架材料基本概念支架材料细胞外基质（ECM）成分胶原蛋白、蛋白多糖、糖胺聚糖、层连蛋白和弹性蛋白等作用影响细胞形态促进细胞迁移调节细胞增殖和分化基本概念组织工程支架的要求符合生物安全性要求合适的可生物降解吸收性合适的孔尺寸、高孔隙率和相连的孔形态特定的三维外形高表面积和合适的表面理化性质与植入部位组织力学性能相匹配的结构强度支架设计及制备技术材料表面工程基本概念支架设计及制备技术支架材料天然高分子材料合成降解聚合物生物陶瓷生物复合材料天然高分子材料蛋白质支架胶原明胶多糖支架海藻酸盐壳聚糖透明质酸蛋白质－多糖支架支架设计及制备技术冷冻干燥LieMa,etal.Collagen/chitosanporousscaffoldswithimprovedbiostabilityforskintissueengineering.Biomaterials2003;24:4833–41支架设计及制备技术参数：溶液浓度、冷冻温度、冷冻时间和冷冻速率等浸没沉淀相转化碱性介质壳聚糖溶液上层（致密）下层（多孔）Fwu-LongMi,etal.Fabricationandcharacterizationofasponge-likeasymmetricchitosanmembraneasawounddressing.Biomaterials2001;22:165-73支架设计及制备技术冷冻－凝胶Ming-HuaHo,etal.Preparationofporousscaffoldsbyusingfreeze-extractionandfreeze-gelationmethods.Biomaterials2004;25:129–38溶液冷冻凝胶温度低于溶液凝结点支架设计及制备技术Morphologyofthechitosanandalginatescaffolds合成聚合物材料聚丙烯酸及其衍生物聚乙二醇及其共聚物聚乙烯醇聚交酯聚乳酸（PLA）聚（D,L-乳酸-co-乙醇酸）（PLGA）聚乙交酯（PGA）等支架设计及制备技术致孔剂致孔形成气体的盐致孔水溶性致孔剂致孔冰晶致孔GuopingChen,etal.Developmentofbiodegradableporousscaffoldsfortissueengineering.MaterialsScienceandEngineering,2001;C17:63–9Morphologyofcross-sectionsofPLLAsponges支架设计及制备技术热致相分离（TIPS）支架设计及制备技术均向聚合物溶液：高温低温淬火热力学状态参数：聚合物浓度、溶剂/非溶剂组成、淬火过程及添加剂Fig.2.SEMimagesofthecrosssectionofmorphousPLGAfoamsasafunctionofcoarseningtime.Thefoamswerepreparedbycoarsening9%(w/v)polymersolutionat43Cfor0min(a),2min(b),10min(c),andthenquenchingbyliquidnitrogen.乳液冷冻干燥WhangK,etal.Anovelmethodtofabricatebioabsorbablescaffolds.Polymer1995,36:837-42支架设计及制备技术真空干燥液氮去离子水乳液聚合物去离子水冷冻干燥超临界二氧化碳（SCCO2）无残留溶剂制备非晶相聚合物支架参数：压差、减压速率超临界流体技术支架设计及制备技术其它形态支架的制备技术微球基质静电液滴、乳化纤维支架静电纺丝管状支架无纺网粘合溶剂流涎和挤塑支架设计及制备技术支架设计及制备技术制备技术加工材料要求孔径/m孔隙率/%结构溶剂流涎盐沥滤流涎溶解30~300~90球状孔径、盐粒会残留挤出沥滤模具热塑性50~50080球状孔径、盐粒会残留纤维粘合编织织物20~10085孔隙结构不规整乳液冷冻干燥流涎溶解20~20090热诱导相分离流涎溶解10097孔隙高度贯穿，微孔结构超临界流体技术流涎非晶相5010~30非贯穿孔，微孔结构三维打印固体自由成型溶解45~15060100%贯穿孔（三角、五角、蜂窝状）表：三维支架制备技术生物陶瓷磷酸钙陶瓷聚磷酸钙羟基磷灰石珊瑚（碳酸钙）支架设计及制备技术生物材料表面对细胞的影响表面自由能表面蛋白质吸附能力表面亲水—疏水平衡表面荷电性能表面拓扑结构表面生物活性生物材料的表面工程仿生表面工程（工程化生物材料表面引发特定的细胞生理响应，给细胞创造一个良好的人工ECM环境）要求：良好的生物相容性；适宜的表面亲水－疏水平衡；具有较强的细胞识别功能；适宜的表面拓扑结构；可消除非特异性识别；易于加工和成型生物材料的表面工程生物大分子的表面固定化生物材料表面拓扑结构化生物大分子的表面固定化将具有生物活性的大分子通过物理吸附、包埋或化学键合的方法固定在材料的表面生物材料的表面工程生物活性大分子ECM黏附蛋白（纤连蛋白、层连蛋白）ECM多糖及其类似物（透明质酸、壳聚糖）细胞黏附多肽（RGD）细胞活性因子生物大分子的表面固定化生物材料的表面工程生物大分子的表面固定化生物材料的表面工程引发特异性生物反应的表面抗非特异性吸附的表面生物大分子的表面固定化生物材料的表面工程Giemsastainingofhumanchondrocytesafter1hattachmentonsurfacewithout(a),with0.1mm(b)orwith1000mm(c)cyclicthiolRGD-peptide.BrigitteJeschke,et,al.RGD-peptidesfortissueengineeringofarticularcartilage.Biomaterials2002;23:3455–63生物材料表面拓扑结构化光刻蚀表面拓扑结构生物材料表面图案化物理－化学性能不同的图案化表面刺激响应高分子图案化表面多糖图案化表面细胞黏附因子图案化表面生物材料的表面工程展望与挑战