骨组织工程支架材料专家讲座

骨组织工程支架材料

骨组织工程支架材料专家讲座第1页组织工程支架材料是指能与组织活体细胞结合并能植入生物体不一样组织，并依据详细替换组织具备功效材料。为了使种子细胞增殖和分化，需要提供一个由生物材料所组成细胞支架，支架材料相当于人工细胞外基质。组织工程支架材料包含：骨、软骨、血管、神经、皮肤和人工器官，如肝、脾、肾、膀胱等组织支架材料。支架材料骨组织工程支架材料专家讲座第2页骨组织工程支架材料背景介绍性能要求起源分类研究应用骨组织工程支架材料骨组织工程支架材料专家讲座第3页因创伤、肿瘤或骨病等原因造成骨缺损、骨不连和骨髓炎患者越来越多需要骨移植材料患者也越来越多。另外，因为外伤、肿瘤、炎症、先天畸形等原因造成牙列缺损后，缺牙区牙槽骨常伴有过分吸收，致种植区骨量不足，临床医生须选择适当骨替换品重建牙槽骨缺损。骨组织工程学为骨缺损治疗提供了一个可供选择新方法，骨组织工程支架材料是构建组织工程骨主要组成部分，在体内，组织基质作为细胞三维支架为细胞提供该组织所特有微结构和微环境，并贮备足量水、营养物质、细胞因子和生长因子，以维持细胞生存，发挥其功效。1.应用背景骨组织工程支架材料专家讲座第4页1）种子细胞2）信号因子3）支架材料骨组织工程——三要素骨组织工程支架材料专家讲座第5页骨组织工程实施过程种子细胞支架材料新骨支架材料降解骨缺点修复完成骨组织工程支架材料专家讲座第6页生物相容性和表面活性骨传导性和骨诱导性适当孔径和孔隙率机械强度和可塑性2.性能要求骨组织工程支架材料专家讲座第7页2.性能要求1)生物相容性和表面活性有利于细胞黏附，无毒，不致畸，不引发炎症反应，为细胞生长提供良好微环境，能安全用于人体。2)骨传导性和骨诱导性含有良好骨传导性材料能够更加好地控制材料降解速度，含有良好骨诱导性支架材料植入人体后有诱导骨髓间充质干细胞向成骨细胞分化并促进其增殖潜能。3)可降解性在组织形成过程中逐步分解，而且速度与组织细胞生长速度相一致，降解时间应能调控。骨组织工程支架材料专家讲座第8页2.性能要求4）适当孔径和孔隙率理想支架材料孔径最好与正常骨单位大小相近(人骨单位平均大小约为223μm)，在维持一定外形和机械强度前提下，通常要求骨组织工程支架材料孔隙率应尽可能高，同时孔间具备连通孔隙，这么有利于细胞黏附和生长，促进新骨向材料内部长入，利于营养成份运输和代谢产物排出。5）机械强度和可塑性材料能够被加工成所需要形状，而且在植入体内一定时间后仍可保持其形状。骨组织工程支架材料专家讲座第9页1）人工合成材料2）天然衍生材料3）复合支架材料3.分类骨组织工程支架材料专家讲座第10页1）人工合成材料

无机材料：应用于骨组织工程无机材料有生物陶瓷(氧化铝陶瓷、羟基磷灰石、磷酸三钙)，多孔金属(不锈钢、钴基合金、记忆合金)，钛及钛合金，磷酸钙水泥，其中以羟基磷灰石和磷酸三钙研究较多。有机材料：聚丁酸、聚偶磷氮、聚酸酐、聚乙二醇、聚尿烷、聚乳酸，聚羟基乙酸及其共聚物，其中以聚乳酸、聚羟基乙酸及聚乳酸-聚羟基乙酸共聚物研究最为广泛。纳米材料：纳米材料是从原子水平制备支架材料，其最大特点是含有高比表面积和孔隙率，有利于细胞接种、迁移和增殖。纳米纤维材料仿生化微环境能影响细胞与细胞、细胞与基质之间相互作用，调整细胞生物学行为。纳米材料安全性能科学评价将是其应用于临床所面临挑战。骨组织工程支架材料专家讲座第11页2）天然衍生材料

天然骨:天然骨起源有同种异体或异种动物骨。天然有机高分子材料：天然有机高分子材料包含胶原、纤维蛋白、几丁质、藻酸盐、壳聚糖。天然无机材料：珊瑚材料优点是含有多孔性和高孔隙率及良好生物降解性，另外有一定机械强度和可塑性，起源丰富。但缺点是降解速度较慢，限制其在骨组织工程中应用。珊瑚骨(海珊瑚及珊瑚羟基磷灰石)主要成份是碳酸钙，其优点是骨传导作用很好，在高孔隙率时仍保持机械强度高特点，但缺点是力学性能较差、无骨诱导作用、不易加工。微波烧结墨鱼骨：微波烧结墨鱼骨是经过高温热处理取得多孔纯骨矿材料，可突破异种骨移植限制。骨组织工程支架材料专家讲座第12页3)复合支架材料

羟基辛酸共聚体：由微生物合成天然高分子聚酯材料多聚羟基烷酸能够作为组织工程支架进行组织修复，多聚羟基烷酸新产品羟基丁酸与羟基辛酸共聚体含有良好细胞相容性和生物可降解性，有望成为一个新型骨组织工程支架材料。纳米羟基磷灰石：与胶原复合骨组织工程支架材料羟基磷灰石和胶原因为含有良好生物相容性和可降解性，成为支架材料研究应用中主要天然材料，但各自有缺点而限制临床深入应用，若利用特殊试验方法按照一定百分比将两种材料结合为复合材料，则有可能优化该两种材料生物性能。壳聚糖-脱细胞真皮三维材料:该支架材料含有良好细胞相容性，对细胞有很好亲和性，能促进细胞黏附、生长、增殖和分化。壳聚糖-脱细胞真皮支架材料在组织工程中是一个很好生物相容性材料，满足组织工程新型支架材料基本要求。骨组织工程支架材料专家讲座第13页1）

气泡状多孔结构新型羟乙基壳聚糖/纤维素支架2）新型层状双氢氧化物-羟基磷灰石/明胶支架3）碳纳米纤维/羟基磷灰石（HA）生物活性支架4.前沿研究骨组织工程支架材料专家讲座第14页骨组织工程支架材料专家讲座第15页新型羟乙基壳聚糖/纤维素支架天然多糖制成水凝胶能够作为组织工程理想支架，因为它们与细胞外基质相同。经过化学交联，使用二氧化硅颗粒作为致孔剂颗粒浸出和冷冻干燥方法，由羟乙基壳聚糖（HECS）和纤维素（CEL）制备了含有气泡状多孔结构新型水凝胶支架。经过SEM，机械试验，接触角测量和流变仪对HECS/CEL支架形态，压应力-应变曲线，润湿性，溶胀度和流变行为进行了表征。HECS/CEL支架含有良好综合性能，20秒内可到达水中平衡膨胀状态。HECS/CEL支架能够很好地支持成骨细胞MC3T3-E1细胞附着，扩散和增殖，并显示出良好生物相容性。所以，新型HECS/CEL支架对于骨组织工程应用是有希望。骨组织工程支架材料专家讲座第16页新型羟乙基壳聚糖/纤维素支架

从图中可知化学反应主要包括环氧基胺/羟基引发开环反应，造成形成单一3D网络结构。经过ECH交联与二氧化硅浸出法组合制备HECS/CEL支架在浸泡于水中时以水凝胶形式存在。骨组织工程支架材料专家讲座第17页从图知经过微粒浸出和冷冻干燥方法，支架显示出高度相互连接双孔结构。经过去除致孔剂SiO2颗粒来生产尺寸为100-250μm气泡状大孔，而在冷冻干燥过程中形成冰晶升华，尺寸为数十微米微孔是升华结果。这种高度互连多孔结构将促进营养物质，氧气和代谢废物经过支架交换，以促进细胞，血管和周围组织向内生长。新型羟乙基壳聚糖/纤维素支架骨组织工程支架材料专家讲座第18页新型羟乙基壳聚糖/纤维素支架

如图3A所表示，这三种不一样支架表现出类似应力-应变行为，而且应力伴随应变增加几乎线性增加。如图3B所表示，HECS/CEL支架平均压缩模量显著高于1.5wt％CEL支架。骨组织工程支架材料专家讲座第19页图4所表示1.5重量％CEL和HECS/CEL支架膨胀动力学和水接触角（A）和视觉肿胀现象（B），表明加入水溶性HECS提升了CEL亲水性新型羟乙基壳聚糖/纤维素支架

骨组织工程支架材料专家讲座第20页图6所表示体外检测活细胞惯用方法，绿色荧光点代表活细胞。如图所表示。6A，孵育1天后，在CEL和HECS/CEL支架上观察到代表细胞簇几个绿色荧光点。当培养时间延长至4天时，观察到更多细胞簇，并出现一些细胞间结。结果表明HECS/CEL支架含有比CEL支架更加好体外生物相容性，为细胞附着和增殖提供了有希望环境。新型羟乙基壳聚糖/纤维素支架

骨组织工程支架材料专家讲座第21页骨组织工程支架材料专家讲座第22页层状双氢氧化物-羟基磷灰石/明胶支架层状双氢氧化物-羟基磷灰石/明胶骨组织工程支架：制造，表征和体内研究层状双氢氧化物-羟基磷灰石/明胶骨组织工程支架：制造，表征和体内研究

经过开发多孔生物降解支架是骨组织工主要方法之一。使用共沉淀和溶剂铸造方法制备了含有层状双氢氧化物（LDH），羟基磷灰石石（HA）和明胶（GEL）新型BTE复合材料。生理化学特征表明，支架化学成份和微观结构与天然海绵骨相同。观察到互连大孔，而LDH/GEL和LDH孔隙率和杨氏模量也很满足性能要求支架。一个月后，支架在去离子水中降解。SEM图像显示，在两个支架之间，含有针状二次HA晶体LDH-HA/GEL显示更加好生物活性。依据碱性磷酸酶活性和茜素红染色结果，与LDH/凝胶支架以及对照样品相比，LDH-HA/GEL支架显示更加好骨特异性活性。提取兔子脂肪干细胞培养，然后在融合后接种在LDH-HA/GEL支架上。结果证实了LDH-HA/GEL支架诱导骨再生良好性能。骨组织工程支架材料专家讲座第23页骨组织工程支架材料专家讲座第24页碳纳米纤维/羟基磷灰石（HA）生物活性支架

临界尺寸骨缺损是矫形缺损，不会在没有干预情况下愈合，也不会在动物自然生命周期内完全愈合。尽管骨通常含有完全再生能力，但临界缺点需要某种支架才能完成。所以提出了一个取得碳纳米纤维/羟基磷灰石（HA）生物活性支架方法。经过使用聚丙烯腈“PAN”聚合溶液静电纺丝工艺和随即稳定化和碳化方法取得碳纳米纤维（CNF）非织造织物。CNF片由羟基磷灰石（HA）和牛血清白蛋白（BSA）二者官能化。将HA加入静电纺丝溶液中，但在（BSA）情况下，在碳化处理后被吸附。使用表征方法（SEM，FT-IR，TGA和EDX）研究在前体片中发生性质改变。经过皮下植入在新西兰白兔中测试制备材料生物相容性。HA和BSA功效化片材与3周内只有HA患者相比，含有更少嗜中性粒细胞和淋巴细胞炎症细胞生物相容性。骨组织工程支架材料专家讲座第25页羟基磷灰石涂层骨替换材料与体内成骨试验医学应用骨组织工程支架材料专家讲座第26页2）静电纺丝法制备纳米纤维支架医学应用骨组织工程支架材料专家讲座第27页3D打印生物陶瓷支架可用于骨肿瘤治疗