组织工程用生物材料
生物仿生材料在组织工程中的应用研究
生物仿生材料在组织工程中的应用研究组织工程是一门综合性学科，旨在通过生物材料和细胞的协同作用来修复和替代受损组织。
随着生物科技的不断发展，仿生材料作为一种新型生物材料，已经被广泛应用于组织工程领域。
本文将重点探讨生物仿生材料在组织工程中的应用研究。
一、生物仿生材料的概念和特点生物仿生材料是以生物体为模板，通过制造材料和构建结构来模仿生物体的特性和功能的人工材料。
生物仿生材料具有与生物体相似的结构、形态和力学性能，能够有效地与生物组织相结合，并且具有可控的生物相容性和生物活性。
这些特点使得生物仿生材料成为组织工程研究中的重要方法和技术。
二、生物仿生材料在骨组织工程中的应用1. 人工骨替代材料生物仿生材料可制成与骨组织相似的结构和力学性能，在骨缺损修复和骨移植中起到重要作用。
目前常用的人工骨替代材料包括羟基磷灰石、生物活性玻璃等，它们能够提供合适的支撑结构和生物活性，促进骨细胞的附着和生长，加速骨组织的再生和修复过程。
2. 三维打印技术应用三维打印技术结合生物仿生材料，可以直接打印出与患者体内骨组织相似的结构和形态。
利用三维打印技术，可以根据患者的个体特征制造定制的骨植入物，大大提高了手术效果和患者生活质量。
同时，生物仿生材料的三维打印技术也为组织工程研究提供了更广阔的发展空间。
三、生物仿生材料在软组织工程中的应用1. 生物支架的制备与应用生物仿生材料可以制备成具有良好生物相容性和机械强度的支架结构，用于修复和重建受损的软组织。
例如，羟基磷灰石支架可以用于修复软骨缺损，聚乳酸支架则可以用于修复脊椎间盘。
2. 功能性与生物活性的融合生物仿生材料还可以与生物活性因子结合，产生特定的生物效应。
例如，将生物活性因子载入到生物支架上，可以促进细胞的迁移和增殖，加速受损组织的修复和再生过程。
四、生物仿生材料在器官工程中的应用生物仿生材料不仅在组织修复领域发挥重要作用，也在器官工程中得到了广泛应用。
利用生物仿生材料和细胞的组合，可以构建出功能性的人工器官，如人工心脏瓣膜、人工血管等。
生物医学材料在组织工程中的应用及其相关问题
生物医学材料在组织工程中的应用及其相关问题组织工程是一种基于生物医学材料和细胞培养技术的治疗方法，旨在重建受损组织或器官。
生物医学材料在组织工程中起到了重要的作用。
随着生物材料科学的发展，越来越多的材料被开发出来，并在组织工程中得到了广泛应用。
本文将介绍生物医学材料在组织工程中的应用以及相关问题。
一、生物医学材料的分类生物医学材料主要分为天然材料和人工材料两类。
天然材料指的是从生物体内提取出来的材料，如胶原蛋白、明胶等。
人工材料则是通过化学或物理方法合成的材料，如聚乳酸、聚己内酯等。
二、生物医学材料的应用1、细胞支架细胞支架是一种在组织工程中广泛使用的生物医学材料，主要作用是为细胞提供支撑和定向途径。
细胞支架可分为天然支架和人工支架两类。
其中，胶原蛋白和明胶等天然支架因其良好的生物相容性和生物活性受到了广泛的关注。
而人工支架中的聚己内酯、聚乳酸等材料则因其耐受性和可控性而得到了广泛应用。
2、生物陶瓷生物陶瓷是一种具有生物活性的人工材料，可用于组织修复和再生。
生物陶瓷不仅具有优异的生物相容性和生物活性，还可以与骨组织良好地结合。
因此，生物陶瓷在骨组织工程中得到了广泛的应用，可以用于制作植入物或人工骨。
3、生物胶凝剂生物胶凝剂是一种在组织工程中应用较为广泛的生物医学材料，主要用于支架的制作和细胞的培养。
生物胶凝剂一般具有良好的生物相容性和生物活性，能够为细胞提供适宜的生长环境，并且可以自然地降解。
三、生物医学材料的相关问题1、材料的生物相容性生物相容性是生物医学材料应用中必须要考虑的问题。
材料的生物相容性直接影响着组织工程的效果。
因此，在选择生物医学材料时，必须要考虑到其生物相容性，以避免对人体产生不良影响。
2、材料的形态稳定性材料的形态稳定性是影响生物医学材料应用效果的一个重要因素。
如果材料的形态不稳定，可能会对组织修复产生不利影响。
因此，在选择生物医学材料时，需要考虑到其形态稳定性，并对此进行严格的评估。
生物材料在组织工程中的应用
生物材料在组织工程中的应用生物材料是一种具有生物活性的材料，可以与生物体组织相互作用，并在人工组织工程中发挥重要的功能。
随着科学技术的发展，生物材料在组织工程中的应用变得越来越广泛。
本文将介绍生物材料在组织工程中的应用及其对人类健康的重要意义。
一、生物材料在骨组织工程中的应用骨组织工程是一种通过植入人工生物材料来修复和重建受损骨组织的技术。
生物陶瓷、生物高分子材料和金属材料常被应用于骨组织工程中。
1. 生物陶瓷材料生物陶瓷材料具有良好的生物相容性和生物活性，可以促进骨细胞的生长和骨形成。
羟基磷灰石和β-三磷酸钙是常见的生物陶瓷材料，广泛应用于骨组织工程中。
2. 生物高分子材料生物高分子材料具有多样的性能和结构，可用于骨组织工程中的骨修复和再生。
例如，生物可降解聚合物可以作为骨代用品，具有良好的力学性能和生物活性。
3. 金属材料金属材料在骨组织工程中的应用主要是用于重建骨缺损和骨植入物的制作。
钛合金和不锈钢是常用的骨植入材料，具有良好的生物相容性和机械性能。
二、生物材料在软组织工程中的应用软组织工程是一种通过植入人工生物材料来修复和重建软组织的技术。
生物高分子材料和生物合成材料常被应用于软组织工程中。
1. 生物高分子材料生物高分子材料在软组织工程中的应用主要包括血管组织工程、肌肉组织工程和神经组织工程等方面。
生物可降解聚合物和胶原蛋白是常见的生物高分子材料，可以模拟和替代软组织的结构和功能。
2. 生物合成材料生物合成材料是一种模拟和替代天然组织的材料，可用于软组织工程中的修复和再生。
例如，人工皮肤和血管支架是常见的生物合成材料，用于治疗烧伤和血管疾病等。
三、生物材料在器官工程中的应用器官工程是一种通过植入人工生物材料来修复和重建器官的技术。
生物支架和细胞培养系统是器官工程中常用的生物材料。
1. 生物支架生物支架是一种提供结构支持和细胞定植的材料，用于构建人工器官的基础结构。
生物陶瓷和生物高分子材料常被应用于生物支架的制备，如人工心脏瓣膜和肝脏支架等。
生物材料在组织工程中的应用
生物材料在组织工程中的应用第一章：生物材料的概念与分类生物材料是指能与生物系统互动并具有特定生物功能的材料。
根据其来源和性质，可以将生物材料分为天然生物材料和人工生物材料两大类。
天然生物材料包括骨骼、牙齿、皮肤等，而人工生物材料则主要为合成材料，如金属、陶瓷和聚合物等。
第二章：生物材料在组织工程中的意义组织工程是一门跨学科的学科，旨在利用生物材料和生物工程技术来修复和再生受损组织。
生物材料在组织工程中扮演着关键的角色，它可以提供细胞定植支架、引导组织重建和促进生物反应等功能。
因此，生物材料的合理选用和设计对于组织工程的成功应用至关重要。
第三章：生物材料在骨组织工程中的应用骨组织工程是利用生物材料和细胞工程技术来修复和再生骨组织的过程。
生物材料在骨组织工程中可用于制造人工骨替代物、骨修复植入物和骨髓移植支架等。
通过结合生物材料和适当的生理和力学刺激，可以促进骨细胞的增殖和分化，加速骨骼再生过程。
第四章：生物材料在软组织工程中的应用软组织工程是利用生物材料和组织工程技术来修复和再生软组织的过程。
生物材料在软组织工程中可用于制造人工血管、心脏瓣膜和皮肤替代物等。
通过选择合适的生物材料和细胞，可以在原有组织损伤部位重新构建具有相似组织结构和生物功能的组织。
第五章：生物材料在神经组织工程中的应用神经组织工程是利用生物材料和细胞工程技术来修复和再生神经组织的过程。
生物材料在神经组织工程中可用于制造人工神经导向通道、神经修复支架和神经细胞载体等。
通过携带适当的生物因子和细胞，生物材料可促进神经元的再生和连接，帮助恢复受损的神经功能。
第六章：生物材料在器官工程中的应用器官工程是利用生物材料和生物工程技术来修复和再生器官的过程。
生物材料在器官工程中可用于制造人工心脏、肝脏和肾脏等器官替代物。
通过结合合适的细胞和功能性材料，生物材料可模拟真实器官的结构和功能，为器官移植和替代提供解决方案。
第七章：生物材料在药物传递系统中的应用生物材料在药物传递系统中起到载体的作用，可以控制药物的释放速率和目标器官的靶向性。
组织工程技术中的生物材料生物降解性评估指南
组织工程技术中的生物材料生物降解性评估指南组织工程技术是一门致力于利用生物材料来修复、重建和替代人体组织的学科。
在这个领域中，生物材料的生物降解性评估是至关重要的一环。
这项评估指南的目的是为了确保使用的生物材料在人体中能够逐渐降解并不会造成不良的生物反应。
在开始讨论生物降解性评估指南之前，我们先来了解一下什么是生物降解性。
简单来说，生物降解性是指材料在生物体内逐渐分解的能力。
当生物材料被植入或注射到人体中时，它们应该能够逐渐降解为可被生物体吸收和代谢的物质，同时不会对周围组织产生不良影响。
评估生物材料的生物降解性需要考虑多个因素，其中包括生物材料的物理化学性质、组织环境的特点以及生物体对材料的生物反应等。
以下是一些用于评估生物降解性的指标和方法：1. 分析生物材料的化学成分和结构。
了解生物材料的成分和结构对于评估其生物降解性至关重要。
常用技术包括质谱分析、红外光谱和核磁共振等。
2. 考察生物材料的降解速率。
可以通过浸泡实验或体内植入实验来评估生物材料的降解速度。
浸泡实验是将生物材料置于模拟体液中，通过测量溶解物的浓度和重量损失来评估其降解速度。
3. 考虑生物材料的生物相容性。
生物材料应该能够与周围组织相容，并且不会引起过度炎症反应或免疫排斥。
可以通过观察炎症细胞浸润、血管生成和组织修复等指标来评估生物材料的生物相容性。
4. 考虑生物材料的代谢产物。
生物材料在降解过程中会产生代谢产物，这些产物对人体是否有毒性或可代谢掉需要进行评估。
可以通过动物实验或细胞培养实验来研究生物材料代谢产物的毒性和代谢途径。
5. 考虑生物材料的机械性能。
生物材料在组织工程中通常需要承受一定的机械负荷。
因此，评估生物材料的强度、刚度和韧性等机械性能对于确保其适用性至关重要。
6. 考虑生物材料的生物降解产物。
当生物材料降解时，会产生一些物质进入周围组织。
评估这些降解产物的生物毒性和代谢途径对于确保生物材料的安全性至关重要。
综上所述，生物降解性评估指南涉及到生物材料的化学成分、降解速率、生物相容性、代谢产物、机械性能和降解产物等多个方面的考虑。
组织工程相关生物材料
组织工程相关生物材料组织工程是一门横跨多个学科领域的综合性科学，旨在利用生物材料和细胞工程技术来修复和替代人体组织、器官和器官系统。
生物材料是组织工程的核心，它们是人体内修复和替代组织的基础。
本文将介绍几种常用的组织工程相关生物材料，并分析它们的特点和应用前景。
1.生物陶瓷材料：生物陶瓷材料具有良好的生物相容性和生物活性，可用于修复骨组织。
例如，羟基磷灰石（HA）是一种常用的生物陶瓷材料，其化学成分类似于骨组织，能够促进骨细胞黏附和增殖，从而加速骨组织的再生和修复。
此外，氧化锆和二氧化硅等生物陶瓷材料也常用于修复牙齿和关节等组织。
2.生物高分子材料：生物高分子材料包括蛋白质、多糖和合成聚合物等，具有良好的生物相容性和可塑性。
其中，胶原蛋白是一种常用的生物高分子材料，与人体组织具有相似的成分和结构，可用于修复皮肤、软骨和血管等组织。
此外，聚乳酸（PLA）和聚乙二醇（PEG）等合成聚合物也被广泛应用于组织工程领域。
3.生物复合材料：生物复合材料是由两种或两种以上的生物材料组合而成的复合系统，能够结合各材料的优点，用于修复多种组织和器官。
例如，生物陶瓷-生物高分子复合材料具有陶瓷的生物活性和高分子的可塑性，可用于修复骨组织和软组织。
此外，生物高分子-合成聚合物复合材料也可用于修复软骨、神经和心血管组织等。
4.生物活性因子载体材料：生物活性因子是调控细胞增殖和分化的关键分子，可用于促进组织的再生和修复。
生物活性因子载体材料能够稳定地释放生物活性因子，从而提高其疗效和持续时间。
例如，聚乳酸-羟基磷灰石复合材料可用于突破骨缺损的再生，它能稳定地释放骨形成因子，促进骨细胞的增殖和骨组织的再生。
总之，生物材料是组织工程的重要基础，不同类型的生物材料可用于修复和替代不同类型的组织和器官。
随着材料科学和细胞工程技术的不断发展，人们对更复杂和高性能的生物材料的需求也日益增加。
未来，可以预期生物材料将在组织工程和再生医学领域发挥越来越重要的作用，为人类健康和生命质量的提高做出巨大贡献。
组织工程名词解释
组织工程名词解释
组织工程是一种利用生物材料、细胞和生长因子等多种技术手段，构
建和修复人体组织的科学与技术领域。
其目的是通过模拟人体内环境，促进受损组织的再生和修复，从而恢复人体正常功能。
以下是组织工
程中常用的名词解释：
1. 生物材料：指用于构建组织工程支架或载体的材料，可以是天然或
合成的生物高分子材料，如胶原蛋白、明胶、聚乳酸等。
2. 细胞：指在组织工程中用于构建新组织或修复受损组织的基本单位，可以是来源于患者自身或捐赠者的干细胞、成纤维细胞等。
3. 生长因子：指在组织工程中用于促进新生血管形成、增加新生组织
数量和改善新生组织质量等作用的蛋白质分子。
4. 支架：指在组织工程中扮演支撑和引导新生组织发育方向的三维结构，可以是由生物材料制成或通过3D打印技术制造。
5. 组织再生：指在组织工程中通过使用生物材料、细胞和生长因子等
技术手段，促进受损组织的再生和修复。
6. 组织工程器官：指通过组织工程技术构建的具有特定功能的人工器官，如肝脏、心脏等。
7. 体外培养：指在实验室中利用培养基、生物材料、细胞和生长因子等技术手段，构建和培养新组织或器官。
8. 种植：指将组织工程构建好的新组织或器官种植到患者体内进行修复治疗。
生物材料在组织工程中的应用
生物材料在组织工程中的应用组织工程是一门利用生物材料来重建或改善人体组织功能的学科。
随着科学技术的进步和人们对健康的关注，越来越多的研究人员开始探索生物材料在组织工程中的应用。
生物材料不仅可以提供支撑和保护，还可以为细胞提供良好的生长环境。
在接下来的文章中，我将详细介绍生物材料在组织工程中的主要应用和发展方向。
一. 人工血管的建立心血管疾病是当今社会的一大健康隐患。
为了治疗或预防动脉狭窄、动脉粥样硬化等心血管疾病，生物材料在人工血管的制备方面起到了重要作用。
研究人员利用聚合物、金属材料等制造出具有良好生物相容性和生物活性的人工血管，可以替代受损的血管进行移植，为患者提供有效的血流供应。
二. 组织修复与再生在器官损伤或组织缺损的治疗中，生物材料也扮演着重要的角色。
例如，生物可降解的聚合物材料可以用来制造骨骼支架，促进骨骼的再生和修复。
生物可降解材料被植入体内后，可以逐渐分解和被吸收，使得新生组织能够有效地填补缺损区域。
三. 药物缓释系统生物材料还可以用于制造药物缓释系统，用于治疗疾病或提供疗效。
例如，聚合物微球可以包裹药物，并通过缓慢释放的方式将药物输送到需要治疗的部位。
这种药物缓释系统不仅可以提高药物的疗效，还可以减少药物的副作用，提高患者的生活质量。
四. 组织工程的挑战与发展方向尽管生物材料在组织工程中的应用取得了许多进展，但仍然面临着一些挑战。
首先，生物材料的生物相容性和生物活性是关键因素，需要进一步研究和改进。
其次，生物材料的力学性能和稳定性也需要被重视，以确保其在长期使用过程中的有效性和可靠性。
此外，生物材料的制备技术和加工工艺也需要不断提升，以满足不同组织工程需求的多样性。
未来，生物材料在组织工程中的应用将继续发展。
一方面，随着生物材料的科学和技术的不断进步，新型材料的开发将推动组织工程的创新和发展。
另一方面，生物材料的基因编辑和纳米技术的应用将为组织工程开辟新的可能性，提高治疗效果和生物材料的适配性。
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250
力学强度优良
400
适用材料窄 ,成型时须 将材料制成粉末或半 液体状 ,高温操作
要求冻干 ,使用溶剂
[ 17, 18 ] [ 19 ]
立体 印 刷 技 术 ( SLT)
PMA 2HA HA , PCL
450 286 ～394
密度较大 ,力学性能 优良 每层沉积为光滑表 面 ,不易断裂
高温操作
孔径及孔隙率要比设 计时小 ,有质量损耗
[ 20 ] [ 21, 22 ]
表中缩写 : HA:羟基磷灰石 ; PVA:聚乙烯醇 ; PCL:聚己酸内酯 ; PP: 聚丙烯 ; TCP:磷酸三钙 ; PLLA:聚乳酸 ; PMA:聚丙烯 酰胺 。
2 组织工程用生物材料的发展趋势
生物材料介入生物体内时 ,其表面会诱发一系列宿主反应 ,从蛋白质的吸附 、炎性分子与 细胞激活 ,到细胞征集或粘连 ,这些事件是更为广泛的炎症反应和纤维化反应的一部分 。如何 诱发所期望的愈合途径 ,使组织重建 ,这有赖于抑制生物材料与体内环境的非特异反应 ,使其 具有生物特异性 ,这是需要首先考虑的问题 [ 1 ] 。 2. 1 生物材料与细胞相互作用 将生物材料植入生物体内时应考虑其对生物活性分子的动态吸附 、多种细胞的作用 、细胞
3
因子的影响以及生物过程的激发 。另一方面 ,这些细胞及细胞外基质和生物体内的生物系统 也对生物材料的结构和性能产生影响 ,因而生物材料与细胞的相互作用是双向的 、动态的且随 时间和空间的不同而不同 ;细胞与生物材料之间存在物质 、能量和信息 (化学信使和场信号 ) 的传递 [23 ] ,是一个受多因素调控的复杂体系 ,这些都决定了生物材料研究的复杂性 。骨是羟 基磷灰石和胶原构建的纳米尺度的生物复合材料 ,它在生命过程中不断更新和重建 。骨的形 成需有成骨细胞和破骨细胞参与 ,这些细胞的细胞外基质分泌的不同信号分子协调骨的形成 与吸收 ,血液和内分泌系统的生物活性物质亦参与骨重建过程 [ 24 ] ,而力学信号则影响基因表 达细胞功能的发挥 。阐明生物材料与细胞相互作用的过程 ,必将引起新的生物材料概念产生 , 有助于新一代生物材料的设计 。 2. 2 仿生表面工程及生物材料的仿生化 从材料科学的观点可以把组织视作细胞复合材料 ,它由细胞及其细胞外基质 ( ECM s)组 成 。组织工程的典型方法是在外源性的 ECM s中种植细胞组成结构物 ,在生物反应器中培养 扩增 ,体外形成新组织后植入患者体内与组织整合构建新的功能组织 。因此 ,组织工程采用的 外源性 ECM s (即三维支架 )应模拟天然组织的 ECM s分子功能 [ 25 ] 。 细胞外基质中含有黏附蛋白和糖蛋白结构中的肽序列 (如精氨酸 2甘氨酸 2天冬氨酸 (RGD ) ) ,可将这种序列固定在生物降解材料表面以介导细胞黏连 ,但这一过程非常复杂 。细 胞的存活与黏连过程关系密切 ,要求细胞游走形成血管并再生神经末端 。因此修饰生物材料 表面的 RGD 应具有适宜的密度 ,才能使细胞既黏连又能移动 ;细胞还能与相应的 RGD 肽组装 成纳米尺度的团簇结构发生作用 ,这样的肽结构比无规肽结构更能有效地诱导细胞的黏连和 移动 。 生物材料目标细胞的活化 ,要考虑的除了黏附配体肽外 ,还可将寡糖和脂质体设置于生物 材料表面 ,赋予其对目标细胞的特异相互作用 。 生物材料应精确控制其化学构造 ,使人体生理系统能够识别其为人体自身组织的一部分 。 为此 ,需从细胞生物学和分子生物学的角度设计生物材料 ,且应考虑材料的力学性能 、物理特 性及可加工性能 [ 26 ] 。
1 组织工程用生物材料领域国内外研究现状及发展趋势
生物材料又称生物医用材料 ,它是指对生物体进行诊断 、治疗和置换损伤组织 、器官或增 进其功能的材料 。起初 ,一些临床应用的生物材料并不是针对医用设计的 。随着对免疫系统 的深入了解 ,人们逐渐认识到所选用的许多生物材料存在着生物相容性问题 。20世纪 60～70 年代 ,开发出物理性能适宜 、对宿主反应较小的组织取代物 ,它们大多属于惰性生物材料 ,目的 是使免疫排斥反应达到最低 。此类惰性生物材料使数千万患者的寿命延长了 5～25年 [1 ] 。 超分子化学家 J. M. Lehn最近在《趋向复杂物质 :超分子化学和自组装 》一文中指出 :“物 质在信息存在下由游离态到凝固态 , 进而构造成智能化物质 , 通过自 组装 向复 杂方 向发 展 [2 ] 。”美国的 G. H. Pollack将细胞视同为高分子凝胶 ,将凝胶功能和细胞功能相联系 ,试图 从聚合物凝胶阐明细胞的一些行为 [3 ] 。生物材料的发展经历了 3个阶段 , 20世纪 60～70年 代的第一代生物材料大多数为微生物惰性材料 ; 20世纪 80年代开发了生物降解高分子材料 , 如聚乳酸 ( PLA )聚乙醇酸 ( PGA )及其共聚物 ( PLGA ) ,这些第二代生物材料虽在矫形外科和 心脏瓣膜的控制释放载体等方面有一定应用 ,但影响不大 。 第三代组织工程用生物材料综合了工程科学与生命科学原理 ,构筑取代物以修复组织缺 损 ,恢复其部分功能 。从材料科学观点 ,可将组织视同细胞复合材料 ,它由细胞及其合成与分 泌的细胞外基质 ( ECM s)组成 , ECM s提供细胞信号 ;而细胞则指导 ECM s的合成 。 ECM s由蛋 白质和糖胺聚糖 ( GAGs)的交联网络组成 。组织工程一般采用 3种策略 ,常用的策略是将种子 细胞 (培养细胞或骨髓间基质干细胞 (M SCs) )种植在生物降解的三维多孔支架内 ,构筑细胞 / 支架结构物质在模拟体内环境的生物反应器中扩增后 ,再植入患者体内 ,经生物过程在缺陷部 位形成组织 ;第二种策略是采用生物材料植入体内 ,经生物过程形成组织 ;第三种策略是细胞 移植 。 许多生物材料能在体外指导细胞生长 ,然而 ,体内组织再生涉及到引导神经 、骨 、血管的生 长和修复 ,同时再生损伤组织的细胞受到原有损伤部位和周围健康组织的分子信号作用 。理 想的支架材料应能在需修复损伤的组织周围诱导目标细胞黏附 ,并与其表达的生长因子受体
表 1 快速成型技术及支架特点
方法
材料
材料孔径 /μm
优点
缺点
参考文献
三维 打 印 技 术 HA 和 聚 合 物 添 加 剂
( 3DP)
度高 ,成型速 硬度差 ,成型时材料需 [ 12, 13 ]
度快 ,适用材料广 制备 成 粉 末 状 , 有 团
聚 ,可能需要后加工
激光 烧 结 技 术 ( SLS)
PVA 2HA PEEK2HA , PCL
500
分散性好 ,孔的连通 孔径大 ,对材料的混合 [ 14, 15 ]
性好
比例有一定的要求 、高
500
适用材料广 ,成型速 温操作 、材料需制备成 [ 16 ]
度快
粉末状
熔融 沉 积 技 术 PCL, PP2TCP, PCL2HA , ( FDM )
低温 沉 积 技 术 PCL2PLLA (LDM )
2
“指导 ”分子在纳米到微米尺度单层图案化形成超分子组装和组构 。自组装单层 ( SAM )影响 细胞黏附和铺展 。这些过程为 ECM s中的蛋白质 (如纤连蛋白 、层粘连蛋白及胶原 )所介导 ,细 胞在其生物材料表面上的黏附受 ECM s蛋白表面吸附 、取向及分子构象的调控 。生物材料的 表面特性与细胞的关系直接影响细胞代谢 ,因而这种调控对生物材料结构与功能有重要意义 。 采用表面图案化的分子光刻技术可使分子二维组构化 ,如微接触印迹 (μCP) 、浸笔纳米光 刻 (DNP)及扫描探针光刻制备纳米到微米尺度的图案 。D. L. Kap lan[ 10 ]用 DNP技术在胶原及 胶原状肽上制备出线宽为 30～50nm 高度组构图案 ,保持了这些生物大分子的三重螺旋结构 及功能 。可望将其用于未来的生物装置 ,如蛋白组学阵列 。 1. 5 组织构造 在合成和分泌的 3D 基质中组织细胞能比 2D 基质更有效地介导细胞黏附 ,利于增强细胞 活性 [11 ] 。生物材料支架的表面化学修饰及拓扑结构应利于细胞黏附 、分化和增殖 ;且支架应 具有适宜的力学性能 ,并可制造成不同的形状和尺度 ,具有贯通孔隙和适当的孔隙率 ,才能使 组织整合和血管化 。快速成型技术可形成预先设定内部形态的支架 ,表 1列举了不同类型的 快速成型技术及其形成支架的特点 。
1
相互作用 ,生物材料支架应引导这些目标细胞迁移到损伤部位并刺激其生长和分化 ,随着组织 的修复 ,细胞释放的基质重建酶 ,最终使支架完全降解 [4 ] 。理想的生物材料能够促使分子识 别的目标基因活化且具有细胞特异性 。 目前与组织工程相关的生物材料包括 : ( 1)生物降解高分子材料 ,如胶原 、明胶 、壳聚糖 、 海藻酸盐 、透明质酸 、血纤蛋白 、聚丙烯酸及其衍生物 、聚乙二醇及其共聚物 、聚乙烯醇 、聚磷 腈 、多肽 、聚交酯 、聚乳酸等 ; ( 2) 生物活性玻璃和生物陶瓷 ; ( 3) 生物复合材料 ,如羟基磷灰 石 /胶原 、羟基磷灰石 /胶原 /透明质酸 、磷灰石 /壳聚糖 、多孔羟基磷灰石 /壳聚糖 2明胶 、磷酸三 钙 /聚乳酸共聚物 、磷酸三钙 /壳聚糖 2明胶复合材料等 。 下面简单介绍组织工程用生物材料最受关注的几方面研究状况 。 1. 1 基因控制和活化 骨的迅速修复有赖于成骨细胞分化和增殖 ,成骨细胞基因的同步序列必须被激活 ,细胞才 能分裂 ,合成 ECM s, 才能矿化为骨 。通过基因治疗将表达生长因子 (如骨形态 发生 蛋白 (BM Ps) )的质粒 DNA 以适宜载体控制释放 ,使细胞转染 。美国 Goldstein等 [ 5 ]将含有能编码 的人甲状旁腺素 ( PTH )基因质粒 DNA 负载在聚合物基材中 ,再植入犬腿骨缺损部位 ,同周围 细胞接纳质粒 DNA ,表达类似于 BM P的 PTH 达 6周 ,骨的损伤部位完全愈合 。研究表明 ,一 些生物活性玻璃的离子溶解产物对成骨的某些基因具有特殊的控制作用 ,可促进细胞生长构 建骨组织工程支架材料 。 1. 2 生物材料的细胞活化 大多数哺乳动物细胞是贴壁细胞 ,它们必须在适宜的基质上贴附 、铺展才能正常代谢增殖 和分化 。细胞外基质 ( ECM s)的主要作用是介导细胞黏附 。 ECM s中有许多细胞受体识别的 多肽和糖配体 ,此类受体 、配体相互作用对维持细胞功能具有很重要的作用 ,同时还能赋予细 胞环境的响应性 。 ECM s的首要功能是介导细胞黏附 ,大多数细胞缺乏黏附就会凋亡或死亡 , 而丧失黏附相关信号传导途径会使癌性肿瘤生长和扩散 [6 ] 。因而生物材料表面修饰受到了 广泛的关注 。生物系统相互作用受生物材料表面特性的控制 ,目前主要运用等离子沉积 (聚 合 )蚀刻 、辐射接枝 、自组装 、湿化学反应 、吸附 、光反应 、固定化等方法对生物材料表面改性 , 以改善生物材料的生物相容性 ,从纳米到微米尺度上调控表面的拓扑结构 ,诱导细胞行为或生 物矿化 ,控制生物活性物质的释放速率或防止蛋白质或细胞黏附和组织黏连等 [7 ] 。 1. 3 生物材料仿生化 生命从本质上讲源自生物大分子 。细胞主要由蛋白质 、糖类和核酸构成 ,此类生物大分子 以高度复杂的方式响应外界刺激 。高分子聚合物具有模仿组织中 ECM s的多方面潜在功能 , 特别是结构类似体内许多组织的水凝胶 ,其生物相容性良好 ,已广泛用于组织工程和药物释放 载体 。水凝胶的设计既要考虑到它们的物理性能 ,更要关注其生物学特性 (生物相容性 ) [8 ] 。 M. P. Lutoif等 [ 9 ]以聚己二醇四乙烯基砜 、整联蛋白 ( integrin) 、结合肽及含金属蛋白酶 (MM P) 敏感和不敏感序列的双半胱氨酸肽构筑 MM P敏感水凝胶并将骨形态发生蛋白 (BM P)截留在 凝胶内 。由于水凝胶的酶降解具有可调性的特点 ,这类水凝胶可望用于组织工程和细胞生物 学等作为天然细胞外基质衍生物材料如血纤蛋白或胶原的取代物 。 1. 4 表面组构化 自组装形成的超分子组构化赋予生物材料独特的性质 ,它对复杂材料系统 (如细胞外基 质 )生物自组装的重要性不言而喻 。复杂的三维组装可通过二维 ( 2D )图案简化 ,将前驱体