生物材料学组织工程

1、第八章第八章 组织工程组织工程肝的组织工程肝的组织工程起源起源器官器官康复.肌肉肌肉骨膜骨膜起源起源骨髓骨髓血导管血导管胶原质胶原质两性分子的两性分子的器官捐赠人器官捐赠人胎的胎的 组织工程组织工程(Tissue Engineering)是近年来正在兴是近年来正在兴起的一门新学科，属于生物高技术范畴起的一门新学科，属于生物高技术范畴 定义：应用生命科学与工程学的原理与技术，定义：应用生命科学与工程学的原理与技术，在正确认识哺乳动物的正常及病理两种状态下在正确认识哺乳动物的正常及病理两种状态下的组织结构与功能关系的基础上，研究、开发的组织结构与功能关系的基础上，研究、开发用于修复、维护、促进人体

2、各种组织或器官损用于修复、维护、促进人体各种组织或器官损伤后的功能和形态的生物替代物的一门新兴学伤后的功能和形态的生物替代物的一门新兴学科科 组织工程研究主要包括四个方面：种子细胞、组织工程研究主要包括四个方面：种子细胞、生物材料、构建组织和器官的方法和技术以以生物材料、构建组织和器官的方法和技术以以及组织工程的临床应用及组织工程的临床应用组织工程研究内容组织工程研究内容 组织工程的核心组织工程的核心 建立细胞与生物材料的三维空间复合体，即具有生建立细胞与生物材料的三维空间复合体，即具有生命力的活体组织，用以对病损组织进行形态、结构命力的活体组织，用以对病损组织进行形态、结构和功能的重建并达到

3、永久性替代和功能的重建并达到永久性替代 基本原理和方法基本原理和方法 将体外培养扩增的正常组织细胞，吸附于一种生物将体外培养扩增的正常组织细胞，吸附于一种生物相容性良好并可被机体吸收的生物材料上形成复合相容性良好并可被机体吸收的生物材料上形成复合物，将细胞物，将细胞-生物材料复合物植入机体组织、器官的生物材料复合物植入机体组织、器官的病损病分，细胞在生物材料逐渐被机体降解吸收的病损病分，细胞在生物材料逐渐被机体降解吸收的过程中形成新的在形态和功能方面与相应器官、组过程中形成新的在形态和功能方面与相应器官、组织相一致的组织，而达到修复创伤和重建功能的目织相一致的组织，而达到修复创伤和重建功能的目

4、的。的。 组织工程研究包括以下四个方面组织工程研究包括以下四个方面 种子细胞研究种子细胞研究 细胞外基质的研究细胞外基质的研究 组织器官的构建组织器官的构建 组织工程临床应用组织工程临床应用 种子细胞研究种子细胞研究 种子细胞的培养是组织工程的基本要素，细胞主要种子细胞的培养是组织工程的基本要素，细胞主要来源于自体、同种异体、异种组织细胞等。自体组来源于自体、同种异体、异种组织细胞等。自体组织细胞应为首选织细胞应为首选 1载体等技术用于细胞的快速增殖载体等技术用于细胞的快速增殖 2干细胞工程干细胞工程 3采用各种生长因子和端粒酶调节与延缓细胞的老化采用各种生长因子和端粒酶调节与延缓细胞的老化

5、4采用各种方法（包括自身转化、化学、物理、病毒等采用各种方法（包括自身转化、化学、物理、病毒等方法）诱导细胞发生转化，使其倍增时间减少，永生化或方法）诱导细胞发生转化，使其倍增时间减少，永生化或生命期延长，也是一个努力方向生命期延长，也是一个努力方向 细胞外基质的研究细胞外基质的研究 ECM均质状态的基质（蛋白多糖、糖蛋白）和细丝状均质状态的基质（蛋白多糖、糖蛋白）和细丝状的胶原纤维的胶原纤维 ECM是细胞附着的基本框架和代谢场所，其形态和功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能直接影响所构成的组织形态和功能 理想的理想的ECM应具有以下特点应具有以下特点

6、 生物相容性好有可吸收性生物相容性好有可吸收性 有可塑性有可塑性 表面化学特性和表面微结构利于细胞的粘附和生长表面化学特性和表面微结构利于细胞的粘附和生长 降解降解速率可根据不同细胞的组织再生速率而进行调整。速率可根据不同细胞的组织再生速率而进行调整。 细胞外基质的研究细胞外基质的研究 组织工程所应用的材料组织工程所应用的材料 天然天然ECM ：采用胶原制作人工皮和血管的模型：采用胶原制作人工皮和血管的模型 人工的人工的ECM ：聚乳酸、聚羟基乙酸、两者的共聚物：聚乳酸、聚羟基乙酸、两者的共聚物（PGA-PLA）、聚）、聚-羟基丁酯（羟基丁酯（PHB）；聚乳酸）；聚乳酸-已内酯已内酯的共聚物（

7、的共聚物（PLC）、聚原酸酯、聚磷本酯、聚酸酐）、聚原酸酯、聚磷本酯、聚酸酐 天然高分子同合成高分子的复合物天然高分子同合成高分子的复合物 ，如胶原，如胶原-PCA的复合的复合物等物等 有机材料同无机材料的复合物，如羟基磷灰石有机材料同无机材料的复合物，如羟基磷灰石-甲壳素的甲壳素的复合物，羟基磷灰石复合物，羟基磷灰石-PLA的复合物等的复合物等 组织器官的构建组织器官的构建 1骨组织构建骨组织构建 构建组织工程骨的方式有几种：支架材料与成构建组织工程骨的方式有几种：支架材料与成骨细胞；支架材料与生长因子；支架材料与骨细胞；支架材料与生长因子；支架材料与成骨细胞加生长因子。成骨细胞加生长因子。

8、 生长因子通过调节细胞增殖、分化过程并改变细生长因子通过调节细胞增殖、分化过程并改变细胞产物的合成而作用于成骨过程胞产物的合成而作用于成骨过程 组织器官的构建组织器官的构建 2组织工程血管构建组织工程血管构建 血管壁中切取弹性基膜，并在其上培养鼠动脉平血管壁中切取弹性基膜，并在其上培养鼠动脉平滑肌细胞；或用滑肌细胞；或用I型胶原制备基质材料与各型血型胶原制备基质材料与各型血管壁细胞成分合成血管模型。管壁细胞成分合成血管模型。 组织工程临床应用组织工程临床应用 组织工程中临床应用是在组织构建完成了动组织工程中临床应用是在组织构建完成了动物试验之后，在人体上的应用，这也是组织物试验之后，在人体上的

9、应用，这也是组织工程的最后一步。目前，组织工程的研究只工程的最后一步。目前，组织工程的研究只有活性皮肤达到了这一步。有活性皮肤达到了这一步。组织工程支架材料组织工程支架材料 一、骨组织工程支架材料一、骨组织工程支架材料 二、神经组织工程支架材料二、神经组织工程支架材料 三、血管组织工程支架材料三、血管组织工程支架材料 四、肌腱组织工程支架材料四、肌腱组织工程支架材料 五、皮肤组织工程支架材料五、皮肤组织工程支架材料 六、六、 角膜组织工程支架材料角膜组织工程支架材料 七、七、 肝、胰、肾、泌尿系统组织工程支架材料肝、胰、肾、泌尿系统组织工程支架材料 骨组织工程支架材料骨组织工程支架材料 必须具

10、备以下两个功能必须具备以下两个功能 （1） 有一定机械强度以支撑组织的高强度材料，以保证有一定机械强度以支撑组织的高强度材料，以保证材料植入人体后，有支撑体的重量，不改变骨骼形状。材料植入人体后，有支撑体的重量，不改变骨骼形状。 （2） 有一定生物活性可诱导细胞生长、分化，并可被人有一定生物活性可诱导细胞生长、分化，并可被人体降解吸收体降解吸收 分为两类，即生物降解和非生物降解型分为两类，即生物降解和非生物降解型 高聚物（碳素纤维，涤纶，特氟隆），金属材料（不锈钢，高聚物（碳素纤维，涤纶，特氟隆），金属材料（不锈钢，钴基合金，钛合金），生物惰性陶瓷（氧化铝，氧化锌，钴基合金，钛合金），生物惰性

11、陶瓷（氧化铝，氧化锌，碳化硅），生物活性陶瓷（生物玻璃，羟基磷灰石，磷酸碳化硅），生物活性陶瓷（生物玻璃，羟基磷灰石，磷酸钙）等钙）等 纤维蛋白凝胶、胶原凝胶、聚乳酸、聚醇酸及其共聚体、纤维蛋白凝胶、胶原凝胶、聚乳酸、聚醇酸及其共聚体、聚乳酸和聚羟基酸类、琼脂糖、壳聚糖和透明质酸等多糖聚乳酸和聚羟基酸类、琼脂糖、壳聚糖和透明质酸等多糖类类。图一：一名图一：一名7岁男孩岁男孩沈某因车祸造成颅骨沈某因车祸造成颅骨66厘米缺损厘米缺损图二：采用组织工程技术构建图二：采用组织工程技术构建的颅骨移植修复，经的颅骨移植修复，经4个月随个月随访，这块占颅骨总面积达访，这块占颅骨总面积达16的组织工程化颅骨在

12、人体内稳的组织工程化颅骨在人体内稳定存在，生长良好。定存在，生长良好。 神经组织工程支架材料神经组织工程支架材料 理想的人工神经是一种特定的三维结构支架的神经理想的人工神经是一种特定的三维结构支架的神经导管，可接纳再生轴突长入，对轴突起机械引导作导管，可接纳再生轴突长入，对轴突起机械引导作用，雪旺细胞支架内有序地分布，分泌用，雪旺细胞支架内有序地分布，分泌NTFs等发等发挥神经营养作用，并表达挥神经营养作用，并表达CAM、分泌、分泌ECM，支持，支持引导轴突再生。引导轴突再生。 以往用于桥接神经缺损的神经套管材料有硅胶管、以往用于桥接神经缺损的神经套管材料有硅胶管、聚四氟乙烯、聚交酯、壳聚糖等

13、。聚四氟乙烯、聚交酯、壳聚糖等。 目前用于人工神经导管研究的可降解吸收材料有聚目前用于人工神经导管研究的可降解吸收材料有聚乙醇酸（乙醇酸（PGA）、聚乳酸（）、聚乳酸（PLA）及它们的共聚物）及它们的共聚物等。等。 神经组织工程支架材料神经组织工程支架材料 神经支架材料的功能有两种神经支架材料的功能有两种 （1） 必须为神经的恢复提供所需的三维空间，必须为神经的恢复提供所需的三维空间，即要保证神经导管具有合适的强度、硬度和弹性，即要保证神经导管具有合适的强度、硬度和弹性，使神经具有再生的通道。使神经具有再生的通道。 （2） 要保证其有理想的双层结构：外层提供必要保证其有理想的双层结构：外层提供

14、必要的强度，为毛细血管和纤维组织长入提供营养要的强度，为毛细血管和纤维组织长入提供营养的大孔结构；内层则可起到防止结缔组织长入而的大孔结构；内层则可起到防止结缔组织长入而起屏障作用的紧密结构起屏障作用的紧密结构 血管组织工程支架材料血管组织工程支架材料 结构上也分为双层结构上也分为双层 ：内层是与血液相容性好的生物：内层是与血液相容性好的生物活性材料，该类材料要求不仅具有生物活性，同时活性材料，该类材料要求不仅具有生物活性，同时还要具有抗凝血和抗溶血作用还要具有抗凝血和抗溶血作用 类型：最早的外层材料一般为尼龙、聚酯等无纺布类型：最早的外层材料一般为尼龙、聚酯等无纺布或无纺网等。目前，该类材料

15、应用较多的为胶原或或无纺网等。目前，该类材料应用较多的为胶原或明胶蛋白包埋的或表面处理的可降解材料的无纺网，明胶蛋白包埋的或表面处理的可降解材料的无纺网，例如：聚乳酸、聚羟基酸和多肽等的无纺布或无纺例如：聚乳酸、聚羟基酸和多肽等的无纺布或无纺网等网等 肌腱组织工程支架材料肌腱组织工程支架材料 肌腱与韧带组织中的功能细胞分别是肌腱细胞和成肌腱与韧带组织中的功能细胞分别是肌腱细胞和成纤维细胞，二者在组织来源上均属成纤维细胞型，纤维细胞，二者在组织来源上均属成纤维细胞型，但肌腱细胞分泌型胶原，而成纤维细胞分泌、但肌腱细胞分泌型胶原，而成纤维细胞分泌、型胶原。因此，肌腱组织支架材料必须可降解，型胶原。

16、因此，肌腱组织支架材料必须可降解，但一定要是降解时间较长的材料。但一定要是降解时间较长的材料。 类型：类型：20世纪世纪70年代肌腱支架材料一般使用硅橡胶、年代肌腱支架材料一般使用硅橡胶、尼龙聚酯、碳纤维等，目前使用的多是聚酯聚二氧尼龙聚酯、碳纤维等，目前使用的多是聚酯聚二氧杂环烷等。杂环烷等。 皮肤组织工程支架材料皮肤组织工程支架材料 人工角膜材料要求透明，吸水，有一定的机人工角膜材料要求透明，吸水，有一定的机械强度，屈光性好等特点，同时，要求可降械强度，屈光性好等特点，同时，要求可降解。以前常用的材料为解。以前常用的材料为HAMA、PMMA，近来来，多采用胶原和聚醇酸等材料。近来来，多采用

17、胶原和聚醇酸等材料。 肝、胰、肾、泌尿系统组织工程支架材肝、胰、肾、泌尿系统组织工程支架材料料 肝、胰、肾、泌尿系统使用的组织工程支架肝、胰、肾、泌尿系统使用的组织工程支架材料多为可降解材料，目前这方面研究和使材料多为可降解材料，目前这方面研究和使用的材料，主要以天然蛋白、多糖与合成高用的材料，主要以天然蛋白、多糖与合成高聚物杂化的可降解材料。例如：用于肝组织聚物杂化的可降解材料。例如：用于肝组织工程支架的血纤维和聚乳酸，用于泌尿系统工程支架的血纤维和聚乳酸，用于泌尿系统的聚乙醇酸等。的聚乙醇酸等。用于组织工程的新肽生物材料支架用于组织工程的新肽生物材料支架 理想的候选生物材料支架理想的候选生

18、物材料支架 (1)有易于设计和修饰的基本单元；有易于设计和修饰的基本单元； (2)该材料的生物降解速度可调控；该材料的生物降解速度可调控； (3)没有细胞毒性；没有细胞毒性； (4)具有能特异促进或抑制细胞具有能特异促进或抑制细胞-材料相互作用的特材料相互作用的特性；性； (5)能引发的免疫反应和炎症最小；能引发的免疫反应和炎症最小； (6)材料的生产、纯化和处理是容易的并可升材料的生产、纯化和处理是容易的并可升 (7)有与水溶液和生理条件的化学相容性。有与水溶液和生理条件的化学相容性。 自然来源的材料自然来源的材料 几种自然来源的动物产物如基于胶原蛋白的生物支架，它们的衍生物和生物相容性同聚物已用于细胞吸附的支架。 合成的肽生物材料支架合成的肽生物材料支架 合成生物材料的最大优点是他们能被设计成符合特定的需要的东西。通过插入能促进细胞吸附的生物活性基序的例子表明了这样设计的可塑性 组织工程和修复组织工程和修复 生物材料已广泛用于组织工程。最近在生物材料和细胞相互作用的工作集中在空腔（膀胱）和骨组织工程的生物材料的物理特性和维度。 设计更好的人工肽生物材料支架设计更好的人工肽生物材料支架 未来在合成的生物材料支架的工作将注重具有更复杂的材料几何构象和诸如更强的抗拉能力的生物材料的设计。将生物活性基序插入肽生物材料中将刺激编织这些材料成