组织工程学概述
简述组织工程学的原理
简述组织工程学的原理
组织工程学是一种通过培养和调控人工制造的生物组织的技术和方法。
其原理是利用细胞、支架材料和生物活性因子等构建复杂的组织结构，以替代受损或缺失的组织或器官。
组织工程学的原理包括以下几个方面：
1. 细胞选择和扩增：选择特定类型的细胞，如干细胞或成熟的功能细胞，并通过体外培养方法进行扩增，以获得足够数量的细胞用于构建组织。
2. 支架材料的选择：选择适当的支架材料，通常是生物降解的材料，以提供足够的结构和力学支持，以及为细胞提供生长和分化的环境。
3. 组织工程构建：将细胞与支架材料结合在一起，通过合适的方法和技术，如三维打印、注射或层层堆叠等，构建起所需的组织结构。
4. 细胞分化和功能培养：通过调控细胞的微环境，包括生物活性因子的添加和机械刺激等，促使细胞分化为特定的细胞类型，并使其具备所需的功能。
5. 组织发育和成熟：将构建好的组织结构，通过体外或体内培养方法进行持续发育和成熟，使其逐渐具备类似自然组织的结构和功能。
综上所述，组织工程学的原理是通过选择适当细胞、支架材料和生物活性因子，构建复杂的组织结构，并通过调控细胞的微环境促进细胞分化和功能培养，最终实现复杂组织的替代和修复。
组织工程概述
管状器官旳组织工程，如食道、气管、小肠、 肾脏、支气管等研究也进行了逐渐展开。
另外心瓣膜组织工程和血管组织工程旳研究 正处于开端旳阶段。
国外
组织工程旳提出和建立虽然只有10数年旳时间,但已 在国际上得到迅猛发展。在美国,组织工程研究开展 最早,进展较快。在80年代,美国首先由国家科学基金 组织资助建立了一系列组织工程试验室。1995年筹 建组织工程学会,并出版了正式刊物“组织工程学” 。美国集中了相当数量旳研究机构(涉及ＮＡＳＡ,Ｄ ＯＥ,ＮＩＨ)、大学(涉及ＭＩＴ,ＨＭＳ,ＧＩＴ,Ｕ ＣＳＤ等)企业(如Ｓａｎｄｏｚ,Ｏｒｇａｎｏｇｅ ｎｅｓｉｓ,Ａｄ ｖａｎｃｅｄ Ｔｉｓｓｕｅ等)。
1992年，Green将角质层细胞在一层3T3成纤 维细胞上进行培养，在无生物材料旳情况下， 细胞旳迅速增殖，取得人工皮肤（高级生物 敷料），用于烧伤旳治疗。
七、其他方面旳组织工程研究
实质性器官旳组织工程：此研究方面也取得 了很大旳发展，如肝脏、胰腺、胰岛等。尤 其是在胰岛组织工程研究中，采用内含胰岛 细胞旳微型胶囊进行体内植入试验，取得了 很好旳临床疗效，目前已出现了商品化。
组织工程
组织工程
一、组织工程研究概况 二、种子细胞 三、支架材料 四、生长因子 五、组织工程旳临床应用
组织工程一词最早是在1987年美国科学基金 会(ＮＳＦ)在华盛顿举行旳生物工程小组会上 提出。1988年,ＮＳＦ旳一种专门工作小组对 组织工程旳内涵作了如下界定:“应用工程科 学和生命科学旳原理和措施,认识哺乳动物正 常和病理组织与器官旳构造—功能关系,并开 发具有生物活性旳人工替代物,以恢复、维持 或改善组织、器官旳功能”
组织工程学在替代医学中的应用
组织工程学在替代医学中的应用随着人均寿命的延长，医学技术也在不断地更新和发展。
组织工程学是一项新兴的技术，它通过结合医学和工程学的知识，重建和修复人体组织和器官，为替代医学提供了新的可能性。
本文将从组织工程学的概念、技术、应用和前景等方面，探讨组织工程学在替代医学中的应用。
1. 组织工程学的概念组织工程学是一种多学科交叉的技术，它将生物学、材料科学和工程学等多种学科的理论和技术融合在一起，以建立和修复人体组织和器官为目的。
组织工程学技术主要包括细胞培养、生物材料、生物反应器、生物力学和生物传感器等方面，其中细胞培养是组织工程学的核心技术之一。
2. 组织工程学的技术组织工程学技术主要包括以下方面：（1）细胞培养技术细胞培养技术是组织工程学的核心技术之一，它可以用来生产组织工程器官所需的细胞。
细胞培养的主要方法有原代细胞培养和细胞系细胞培养两种。
原代细胞培养是将从人体组织中提取的原代细胞经过体外培养，使其繁殖成为大量的细胞，以生成替代医学所需的器官和组织。
细胞系细胞培养则是使用已经建立起来的细胞系，通过体外培养以寻找新的资源和方法，为替代医学提供更好的方案。
（2）生物材料生物材料是组织工程学的另一个关键技术，它是用来替代人体组织、器官和血管等生物材料。
生物材料要具有符合生物体环境特点的生物相容性、生物可分解性和生物可吸收性等特性。
世界卫生组织规定的生物材料还要符合现行的药品管理法规和质量管理体系要求。
（3）生物反应器生物反应器是组织工程学中一项重要的技术。
它可以提供一种合适的环境，来培育和生产大量的细胞，并帮助细胞和生物材料组装成为器官和组织。
今天，医学科技水平不断提高，生物反应器也在不断创新，从小型瓶状的细胞培养仪器到大型二维和三维生物反应器，都在帮助组织工程学的进一步发展。
（4）生物力学生物力学是一种探究物体在生物环境中力学性质的学科，它可以测量和分析人体器官和组织的温度、压力、重力、张力、沉积速率等各种机械参数。
组织工程学在临床医学中的应用
组织工程学在临床医学中的应用组织工程学是现代医学中的一大进展，它通过生物材料、细胞生态学和生物反应工程等技术手段，利用人体自身的生理活性，重建功能缺失部位的生物组织，以实现替代、修复或再生组织的作用。
这一技术的应用范围非常广泛，从骨科到心血管外科，从皮肤到肝脏，都有所涉及。
在临床医学中，组织工程学已经逐渐成为一种前沿和极具价值的技术，为许多患者带来了新的治疗选择。
一、心血管组织工程学心血管组织工程学是利用细胞和生物材料重建心血管系统的一种方法。
随着心脏病和血管病的不断增加，这一技术已成为关键的治疗方法之一。
研究人员已开发出许多方法和技术，如制备支架和纤维网、生物反应器和细胞培养技术等，以支持心血管细胞的生长和再生。
这一领域的突破不仅能够修复受损的心血管组织，还为心脏瓣膜、大血管和冠状动脉疾病的治疗提供了崭新的选择。
二、骨科组织工程学骨科组织工程学主要应用于骨骼退化、骨折和骨癌等领域。
利用细胞学、生物材料和生物反应工程技术，可以修复或替代丧失的骨质和关节软骨。
这一技术可以通过制作支架、向骨植入细胞和矩阵等方式，同时促进骨细胞的再生和培养。
骨科组织工程学已经成为一个快速发展的领域，在骨科手术的治疗中是一个极其有价值的新技术。
三、皮肤组织工程学皮肤组织工程学主要应用于烧伤、创伤和生殖器疾病等领域。
通过细胞培养技术和生物材料的制备，可以制作出与正常皮肤相似的人造皮肤，以替代或补充患者体内短缺的皮肤细胞和组织。
这一技术还可以用于治疗膀胱、阴茎和口腔等部位的缺陷和疾病。
皮肤组织工程学已经在临床医学中得到广泛的应用，成功地为数千名患者恢复了不同程度的皮肤功能。
四、肝脏组织工程学肝脏组织工程学是为肝脏疾病治疗提供一种新型方法和方案。
该方法基于细胞和生物材料的完美结合，利用3D细胞培养和3D打印技术等，制作出与正常肝脏相似的人造肝脏。
这种人造肝脏可以支持患者的肝细胞生长和再生，从而增强患者的肝功能，减少慢性肝病等需要进行肝移植的疾病的发生率。
组织工程学概述
皮肤的解剖生理学
皮肤依构造可分为表皮、 真皮及皮下组织,如图所 示。
表皮最主要的成分是角化 细胞，它们由细胞桥粒形 成互相结合的重叠结构， 使得细胞与细胞互相粘连。
真皮的主要细胞是成纤维 细胞，产生和维持大部分 细胞外基质。
角质层 透明层
颗粒层 表皮
棘层 基底层
（生发层）
乳头层 网织层 真皮
3）生长因子 作用：
➢ 具有诱导和刺激细胞增殖，维持细胞存活等生物 效应的蛋白类物质；
➢ 促进细胞增殖，组织或血管的修复和再生。
✓ 在骨创伤早期，生长因子主要启成骨细胞活性， 促进成骨，后期作用逐渐减弱，但也参与骨的生 长调节。
✓ 髓基质中含有多种生长因子：骨形态发生蛋白 (BMP)、转化生长因子β、酸性成纤维生长因子、 类胰岛素生长因子Ⅰ和Ⅱ、血管内皮细胞生长因 子、肿瘤坏死因子和白细胞介素-1等。
胞粘附生长的生物支架(或细胞外基质)、用于促进组织再 生长因子和组织的相容性等问题。
2）利用组织工程方法生成活体替代组织或器
官常可使用
策略3
细胞分离
生物过程
微结构
策略1
体外培养扩增 种植到多孔支架 植入缺损部位
生物活性肽 多孔支架 策略2
培养6天
培养10天
PLA支架（灰色）+间充质干细胞（绿色）激光共聚焦显微镜照 片
1. 组织工程的概念
一）.提出
1984年华人学者冯元桢首次提出 组织工程的概念
Robert Langer教授和麻省理工大 学医学院的临床医生Joseph P Vcanti正式提出组织工程的概念
1987年，美国国家科学院基金会在 加利福尼亚的Lake Tahoe举行的专 家讨论会上明确了组织工程的定义
生物医学工程概论-组织工程学
生物材料
• 概念：1987年10月，巴黎，国际标准化 组织规定。
• 以医用为目的，用于和活体组织接触且 具有功能的无生命材料。
生物材料
• 分类： 体内植入材料（包括组织工程材料） 半体内应用材料（接触镜，人工肾） 体外应用材料（生物传感器/医疗器械）
• 要求：优良的生物相容性、符合机体环境 的生物特性以及物理、化学性质。
是建立由细胞和生物材料构成的三维空间复合体。 其最大的优点在于：
• 形成具有生命力的活体组织，对病损组织进行形 态、结构和功能的重建并达到永久性替代；
• 可以最少量的组织细胞，经体外培养扩增后，来 修复大块的组织缺损，达到无损伤修复创伤和真 正意义上的功能重建；
• 可按组织、器官缺损情况任意塑型，达到完美的 形态修复。
1000亿用于心脏，公开招标 • 亚洲（日本、韩国、新加坡、中国）初具影响力
组织工程研究机构
• “组织工程”一词是美国国家科学基金会 于1987年正式提出和确定的。
• 美国已有相当数量的研究机构（NASA、 DOE、NIH等），大学包括（MIT、HMS、GIT、 UCSD、UMAS）。
• 公司（Sandoz、0rganogenesis、Advanced Tissue）参与了组织工程，发展迅猛，在 许多方面取得了重大进展。
组织工程科学意义
• 不但可以从细胞水平和分子水平认识生命的本 质，而且能够从整体上优化生命的质量，并把 握生命的进程。
• 组织工程研究理论体系和研究方法不仅是针对 哺乳类动物，而且可拓展到植物上去，这对于 促进农业、工业和军事科学的发展都将有着不 可估量的深远意义。
组织工程科学意义
• 是多学科交叉的边缘学科，除了具有生物力学、生物 材料学和细胞与分子生物学三大学科支撑外，尚融汇 了生物信息，生物化学工程、遗传学及工程、生物电 子学及计算机的原理和方法。
组织工程学在临床治疗中的应用
组织工程学在临床治疗中的应用组织工程学在现代医学中的应用越来越广泛，尤其在临床治疗中发挥着越来越重要的作用。
组织工程学是一种综合性学科，它涉及生物学、物理学、化学、机械学等多个学科，旨在通过材料、生物学和工程学手段，设计、构造和维持与人体组织类似的三维功能结构，以实现修复、再生或替代许多受损或损失的组织和器官。
本文将从组织工程学的基本概念开始，深入探讨其在临床治疗中的应用。
一、组织工程学的基本概念组织工程学是一种运用多学科知识、借助生物材料、细胞及生物相关因素等手段，基于人体组织工程学理论并通过人工合成，创造具有特定功能的组织和器官的新工程技术。
它的目的是通过大规模培养、分化和植入修复、再生和替代多种组织和器官，如皮肤、软骨、骨、血管、神经等。
组织工程学的核心在于建立与人体组织相似的三维构架和生态环境，并在这个环境中维持新型组织的生存、传导和功能。
组织工程学需要利用生物材料、生物学因素和工程学手段制造这种三维构架。
它主要分为三个步骤：生物材料的制备、细胞的培养以及生物学因素的添加。
生物材料可以是人造材料或者自体材料，如聚乳酸、透明质酸等。
生物学因素包括生长因子、细胞因子、成长因子等，可以使细胞分化为特定的功能细胞。
工程学因素则是制造该生物材料的技术。
最常见的工程学因素包括3D打印、微细加工、生物反应器等。
二、组织工程学在临床治疗中的应用2.1 皮肤组织工程学皮肤是人体最大的器官，它能够保护身体并维持外界环境的平衡。
临床上，皮肤缺损是最常见的情况之一，可以由烧伤、创伤或其他原因引起。
传统的处理方法是使用自体皮片或人工皮肤，但由于损伤面积较大，需要大量的自体皮肤移植或复杂的手术操作，难以保证修复效果。
因此，研究人员在皮肤组织工程学领域进行了大量的研究，以寻找更好的解决方案。
利用组织工程学手段制造的人造皮肤可以在体外培育和维持，并在移植到人体后具有与自体皮肤相似的结构和功能。
目前，市场上有多种类型的人造皮肤可供选用，其中包括RAFT人造三明治皮肤、Bilayer人造皮肤和自体细胞-材料复合体人造皮肤等。
第一章 组织工程学-概述
2014-3-15
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Tissue Engineering
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4.细胞外基质的结构
机体中除了细胞之外还有一些非细胞物质，称 为细胞外基质（ECM，extracellular matrix）。 它们是在机体的发育过程中由细胞分泌到细胞外的 各种生物大分子，这些细胞外大分子在细胞周围高 度水合构成的凝胶或纤维网络，它的结构精细而又 复杂。 细胞是通过特殊的细胞表面受体与周围的细胞外基 质发生作用，将细胞骨架及细胞内信号通道与细胞 外基质连接起来。
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Tissue Engineering
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一、支架材料─细胞的家
想要让细胞长成我们所预期的器官构造，如果缺乏细胞的 立足点，也就是作为细胞生长温床的「支架」，是一件不 可能的任务。细胞锚点 组织工程利用特殊的生物高分子材料建构出三度空间的立 体框架，让植入的细胞可以在其中生长并增殖。 结构支撑 支架的功能不仅仅当作细胞生长的框架结构，更可以进一 步地控制引导细胞朝特定的方向生长、分化。 功能引导
3
一、组织工程学的概念
—— 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（living cells） 种植于多孔支架(scaffolds)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。
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材料表面 工程 Tissue Engineering
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无论所使用的材料为何，皆具有两个共通的特性： 首先是可塑性，可按照不同的组织器官构造，塑 造出我们所想要的形态； Nhomakorabea
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各种各样的可生物降解材料已用作组织支架， 包括陶瓷和多聚物。 陶瓷主要用于骨组织工程，再次运用了羟基磷 灰石多孔配方以承载来源于骨膜或骨髓的骨祖细胞。 多聚物支架的典型形式：纤维网、多孔海绵或泡 沫、或是水合凝胶。在纤维网和泡沫中更常使用的 多聚物包括线形聚酯，例如，聚乙酸（PGA）、 聚乳酸（PLA）和聚已内酯（PCL）；聚乙二醇 （PEG）以及天然聚合物如胶原和透明质酸。
策略3 细胞分离 体外培养扩增 生物过程 微结构
策略1
种植到多孔支架 植入缺损部位
生物活性肽 多孔支架 策略2
培养6天
培养10天
PLA支架（灰色）+间充质干细胞（绿色）激光共聚焦显微镜照片
4.组织工程相关生物材料
组织工程相关的生物材料主要有两种： 天然的材料：胶原 合成聚合物：开始于20世纪80年代中期 优点： 1）生物相容性 2）可复制性 3）可生物降解 4）通过与多聚物结构一体化来连续地输送营养和激素
• 生长因子直接复合到支架上或者在支架构建之后再与其符 合； • 在支架上同时移植能分泌生长因子的细胞。
3.组织工程研究方法
1）研究的核心内容：合适的种子细胞来源、可供细胞粘
附生长的生物支架(或细胞外基质)、用于促进组织再生长 因子和组织的相容性等问题。
2）利用组织工程方法生成活体替代组织或器官常可 使用
三）.生长因子
1）定义
在细胞间传递信息并对细胞生长具有调节功能的一些 多肽类物质，它可以促进或者抑制细胞的增殖、分化、迁 移和基因的表达。
2）分类
按受体的结构分类，成纤细胞生长因子（FGF）、表 皮细胞生长因子（EGF）和肝细胞生长因子（HGF）等
3）将生长因子用于组织工程技术中时，有两种不 同的方式：
2.组织工程的三要素
• 核心：构件由细胞和生物材料构成的三维复合体。 • 三要素： 种子细胞 生长因子 支架材料
组织工程的三要素
支架
假体
种子细胞
生长因子
• 种子细胞——干细胞 • 支架：细胞立脚点的支撑体。人工细胞外基质称 为细胞增殖和分化的“立脚点”，例如，立体海 绵状骨胶原。 • 生长因子：让细胞增殖和分化的因子。要确保必 须的细胞立脚点，必须让细胞的数量大幅增加。 控制细胞分裂的是一种被称为“细胞增殖因子” 的蛋白质。
二.）支架
1）定义 能与组织活体细胞结合并能植入生物体的三维结 构体 2）支架材料最基本的特征 与活体细胞直接结合：羟基磷灰石（HAP）、聚乳 酸（PLA）、聚羟基乙酸（PGA）网、尼龙网 与生物系统结合：植入生物体的组织工程化软骨、 骨、肌腱、牙、肺、肝、肾等组织与机体的结合 具备细胞相容性和组织相容性（统称生物相容性）
皮下组织
组织工程皮肤
• 组织工程皮肤:由活性细胞接种在支架材料上形成的 • 工程化皮肤结构需要复制的关键特性有：
①一种具有恰当帮助真皮修复和支持表皮生长能力的真 皮或者间质成分； ②一层具有容易使创面达到生物覆盖能力表皮； ③一层可以使屏障特性快速重建的表皮； ④一个准许免疫系统、神经系统和血管系统生长的环境； ⑤一种能在结构和附加功能（例如降低长期瘢痕形成和 色素重建）方面正常化的组织。 组织工程化皮肤，有真皮层或同时具有真皮层和表皮层， 因此是一种活性生物敷料。
5.组织工程化皮肤及骨的应用及展望
目前组织工程技术可应用于复制各种组织，如肌肉、骨 骼、软骨、腱、韧带、人工血管和皮肤；生物人工器 官的开发，如人工胰脏、肝脏、肾脏等；人工血液的 开发；神经假体和药物传输等方面。 一）组织工程化皮肤 • 皮肤损伤主要是热损伤，仅在美国每年大约就有250 万人烧伤，其他原因包括慢性溃疡、创伤、皮肤肿瘤 切除或其他皮肤疾病。 • 传统的修复方法有：自体植皮、同种异体植皮、异种 植皮和人工合成代用品的应用。但存在供区不足、免 疫排斥及传播疾病等缺点。 • 目前，一种生长因子和几种皮肤替代物已经投放市场， 作为治疗难愈性溃疡的二线选择。
二）.组织工程学定义：
运用工程科学和生命科学的原理及方 法，从根本上认识正常和病理的哺乳动 物组织和结构功能的关系，并研究生物 学的替代物，以恢复、维持和改进组织 的生物替代物的一门科学。
料学的原理与方法， 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的功能。 • 科学意义：不仅在于为解除病人痛苦提供了一种 新的治疗方法，更重要的是提出了复制“组织”、 “器官”的新思想，它标志着“生物科技人体时 代”的到来，是“再生医学的新时代”，是“一 场深远的医学革命。
3）支架材料 材料：钙磷材料、多聚物（合成的和自然的） 要求：微孔结构、化学组成、可降解、力学性能 作用： • 在结构上加强缺损部位的强度； • 阻碍周围组织长入； • 作为体外接种的细胞在体内扩增和增殖的支架； • 利用与细胞整合素以及受体的相互作用，作为一 种可溶的细胞功能调节因子； • 作为细胞、生长因子和基因的生物载体。
一）.种子细胞
种子细胞是组织工程研究的基础，也是制约组 织工程发展的瓶颈。 主要原因：
许多组织细胞（如软骨细胞、内皮细胞）的供体来源 和扩增能力均非常有限，无法通过取少量组织体外扩增细 胞来构建大块组织，很难实现“小损伤修复大缺损”的组 织工程基本设想。 干细胞来源广，增殖力强，又能定向诱导分化为多种 目的细胞并形成相应组织，因此，应用干细胞能够实现 “小损伤修复大缺损”的基本设想，这为解决组织工程种 子细胞问题提供了良好机遇。
皮肤的解剖生理学
• 皮肤依构造可分为表皮、 真皮及皮下组织,如图所 示。 • 表皮最主要的成分是角化 细胞，它们由细胞桥粒形 成互相结合的重叠结构， 使得细胞与细胞互相粘连。 • 真皮的主要细胞是成纤维 细胞，产生和维持大部分 细胞外基质。
角质层 透明层 颗粒层 棘层 基底层
表皮
（生发层）
乳头层 网织层 真皮
1. 组织工程的概念
一）.提出
1984年华人学者冯元桢首次提出 组织工程的概念 Robert Langer教授和麻省理工大学 医学院的临床医生Joseph P Vcanti
正式提出组织工程的概念
1987年，美国国家科学院基金会在 加利福尼亚的Lake Tahoe举行的专
家讨论会上明确了组织工程的定义