生物材料学-组织工程支架材料资料
骨组织工程生物支架材料
骨板的结构组成
骨板: 骨基质各种成分共同构成的板层状结构。同一骨板内胶原纤维 平行排列，相邻骨板间胶原纤维相互垂直。 骨板内有骨陷窝，从骨陷窝放射状发出的骨小管连接相邻的骨陷窝。
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骨组织中的细胞
骨祖细胞：位于骨膜内层。
形态：细胞较小，呈梭形，
骨 祖 细 胞
细胞核椭圆形或扁圆形，胞
质少，弱嗜碱性。 功能：分化为成骨细胞。
织支架材料。LOGO来自1.2生物支架材料分类
骨组织工程支架材料 神经组织工程支架材料 血管组织工程支架材料 皮肤组织工程支架材料
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2.骨组织生物工程支架材料
来源分类
背景介绍
骨组织生物 工程支架材 料
作用
研究应用
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2.1应用背景
因创伤、肿瘤或骨病等原因造成的骨缺损、骨不连和骨髓炎患者越 来越多需要骨移植材料的患者也越来越多。 另外，由于外伤、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度吸收，致种植区骨量不足，临床医生须选 择合适的骨替代品重建牙槽骨缺损。 骨组织工程学为骨缺损的治疗提供了一种可供选择的新方法，骨组 织工程支架材料是构建组织工程骨的主要组成部分，在体内，组织 基质作为细胞的三维支架为细胞提供该组织所特有的微结构和微环 境，并储备足量的水、营养物质、细胞因子和生长因子，以维持细 胞的生存，发挥其功能。
集中了体内99%的钙，是维持血钙平衡的器官，适宜
的血液钙浓度才能保证心脏正常工作； 造血功能，骨髓中有大量骨髓干细胞，可诱导分化成 各种血细胞进入血液。
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1.基本定义
1.2生物支架材料
组织工程支架材料是指能与组织活体细胞结合并
能植入生物体的不同组织，并根据具体替代组织具备 的功能的材料。 为了使种子细胞增殖和分化，需要提供一个由生 物材料所构成的细胞支架，支架材料相当于人工细胞 外基质。组织工程支架材料包括：骨、软骨、血管、 神经、皮肤和人工器官，如肝、脾、肾、膀胱等的组
新型组织工程支架材料
Ａ ｓｒ ｃ Ｉ ｈｓｐ ｐ ｒ ｔ ｅｒｓ ｒ ａ ｌ ｎ ｅ ｒｄ ｂｅｂｏ ｔｒａｓｏ ｔｎ ｕ ｅ ｎ ｒｃ ｎ ｅ ｒ ｒ ｅ ｉｗｅ ． ｂ ｔａ ｔ ｎ ｔ ｉ ａ ｅ ｔｈ ｅ ｏ ｂ ｂ ｅａ ｄ ｄ ｇ ａ ａ ｌ ｉｍａｅＪｌ ｆｅ ｓｄ ｉ ｅ ｅ ｔｙ ａ ｓａｅ ｒｖｅ ｄ Ｔｈ ｓ ｍａｅ ｉ］ ｎ ｌｄ ａｕ ａ ａ ｄ ｓ ｎｈ ｔ ａ ｎ ｓ ｕ ｈ ａ ｏ ｌｇ ｎ，ｐ ｏ ｅｎ ｉｅ ， ｈｔ ｓｎ， ｏ ｙａ ｔ ａ ｉ ｅｅ ｔｒａｓ ｉｃｕ ｅ ｎ ｔ ｒ］ ｎ ｙ ｔ ｅｉ ｌｏ ｅ ｓ ｃ ｓ ｃ ｌ ｅ ｃ ａ ｒ ｔｉ ｆ ｒ ｃ ｉ ａ ｐ ｌ ｌｃｉ ｃｄ ｂ ｏ ｃ （ ＬＡ ） ｐ ｌｇｙ ｏｉ ａ ｉ Ｐ Ｐ ， ｏｙ ｌｃ ｌ ｃｄ（ ＧＡ） ｏ ｙ ｎｙ ｒ ｅ ｅ ｃ ｃ ，ｐ ｌａ ｌｄ ｉ ｓｔ ｔ ． ｄ
＊ 国家 科 拄 部 重 大 基 础研 究 项 目（ ９ ３ 项 目 Ｇ１ ９ ０ ４０ ） ７ ０９ ５ ３ ６ ， 教 育 部 骨 干 教师 培 养计 划 资 助 项 日 △ 通 讯 联 系 人 。Ｅ ｍａｌｔｒ９ Ⅱ ．ｄ ． ｎＴＥ ０ ０８ ２０ ２ — ｉ ｃｚ＠ｊｕ ｅｕ ｃ ： Ｌ｝２ ５２ ２ ２
纳米骨组织工程支架材料生物学效应研究进展_李波
纳米骨组织工程支架材料生物学效应研究进展_李波
目前，纳米骨组织工程支架材料的生物学效应研究主要集中在以下几个方面：
1.细胞生长和增殖：研究表明纳米骨组织工程支架材料能够促进骨细胞的粘附、增殖和分化，从而加速骨组织的再生过程。
这是因为纳米材料具有高比表面积和独特的表面化学特性，能够提供良好的细胞黏附环境和适宜的营养物质。
2.生物降解行为：纳米骨组织工程支架材料在体内的生物降解行为对临床应用起着决定性作用。
研究表明，纳米骨组织工程支架材料具有良好的生物降解性能，可以逐渐被机体吸收和代谢。
这种生物降解行为有助于材料与新生骨组织融合，加快骨组织的再生速度。
3.组织兼容性：纳米骨组织工程支架材料对周围组织的兼容性是影响其临床应用的重要因素。
研究表明，纳米材料能够通过调节材料的表面形貌和表面化学性质，改变材料与周围组织之间的相互作用。
这种材料的组织兼容性优于传统的支架材料，可以减少对机体的刺激和副作用。
4.生物活性：纳米骨组织工程支架材料具有良好的生物活性，可以模拟人体骨组织的生理和生化特性。
这种生物活性有利于支架材料与机体骨组织的结合，并提供机械支撑和生物信号，促进骨组织的再生和修复。
总的来说，纳米骨组织工程支架材料的生物学效应研究已经取得了一定的进展。
未来的研究方向可以包括进一步深入探讨纳米材料与细胞的相互作用机制、优化材料的表面形貌和表面化学性质，以及研发新型的纳米骨组织工程支架材料。
这将有助于提高纳米支架材料的生物学效应，推动其在骨组织工程和临床应用中的发展。
骨科生物支架材料
将两种或多种材料组合， 制备出具有优异性能的 复合生物支架，如碳纤 维/聚合物复合支架、纳 米复合支架等。
骨科生物支架材料的临床试验进展
临床试验阶段
新型骨科生物支架材料经过实验室研 究和初步临床试验后，进入临床试验 阶段，评估其安全性和有效性。
临床应用前景
根据临床试验结果，评估新型骨科生 物支架材料的临床应用前景，为今后 的推广应用提供依据。
特性
具有优良的生物相容性、机械性 能和可塑性，能够与人体骨骼结 合，促进骨骼再生和修复。
骨科生物支架材料的重要性
修复受损骨骼
为受损骨骼提供必要的支撑和结 构，促进骨骼再生和修复，恢复
患者的运动功能。
提高手术成功率
优良的生物支架材料可以提高手术 成功率，减少并发症，提高患者的 生活质量。
促进医学研究
骨科生物支架材料的临床应用前景
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骨质疏松治疗
利用具有良好生物相容性和机械性能的支架材料， 为骨质疏松患者提供有效的治疗手段。
骨缺损修复
针对各种原因导致的骨缺损，研发具有良好骨诱 导性和降解性能的支架材料，促进骨缺损的修复 和重建。
关节软骨修复
探索能够促进关节软骨再生和修复的新型支架材 料，为治疗关节软骨损伤提供新的解决方案。
损伤，缓解疼痛，改善关节功能。
骨肿瘤治疗
总结词
骨科生物支架材料在骨肿瘤治疗中具有 潜在的应用价值，为骨肿瘤的治疗提供 了新的方向。
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详细描述
骨科生物支架材料在骨肿瘤治疗中具有广 泛的应用前景。通过将抗肿瘤药物或基因 药物与支架材料相结合，可以实现药物的 局部控释和靶向传输，提高药物的疗效和 降低毒副作用。同时，生物支架材料还可 以为肿瘤切除后的骨骼缺损提供有效的修 复手段，促进骨骼再生。
骨科生物支架材料(优质档案)
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LOGO 2）天然衍生材料
天然骨:天然骨的来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括胶原、纤维蛋白、 几丁质、藻酸盐、壳聚糖。 天然无机材料：珊瑚材料的优点是具有多孔性和高孔隙率及良好的 生物降解性，另外有一定的机械强度和可塑性，来源丰富。但缺点是降 解速度较慢，限制其在骨组织工程中的应用。珊瑚骨(海珊瑚及珊瑚羟基 磷灰石)的主要成分是碳酸钙，其优点是骨传导作用较好，在高孔隙率时 仍保持机械强度高的特点，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：微波烧结墨鱼骨是通过高温热处理获得的多孔纯 骨矿材料，可突破异种骨移植的限制。
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LOGO 2.2性能要求
4）合适的孔径和孔隙率
理想的支架材料孔径最好与正常骨单位的大小相近(人骨 单位的平均大小约为223 μm)，在维持一定的外形和机械强 度的前提下，通常要求骨组织工程支架材料的孔隙率应尽可 能高，同时孔间具备连通孔隙，这样有利于细胞的黏附和生 长，促进新骨向材料内部的长入，利于营养成分的运输和代 谢产物的排出。
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 基乙酸共聚物的研究最为广泛。
纳米材料：纳米材料是从原子水平制备的支架材料，其最大的特点 是具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 材料仿生化的微环境能影响细胞与细胞、细胞与基质之间的相互作用， 调节细胞的生物学行为。纳米材料安全性能的科学评价将是其应用于临 床所面临的挑战。
功能：溶解、吸 收骨组织，起破骨作 用。
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LOGO 骨组织的作用
支持，保护机体；
组织工程中的种子细胞和支架材料
组织工程中的种子细胞和支架材料组织工程是一种利用生物学、生物化学和工程学知识，在体内或体外制造人工组织或器官，以替代或修复受损组织或器官的方法。
在组织工程中，种子细胞和支架材料是两个关键要素。
种子细胞是构成人体组织的基本细胞，而支架材料则是制造人工组织的载体。
种子细胞是组织工程中最关键的要素。
种子细胞的来源非常广泛，既可以从体内获得，也可以从体外培养。
目前常用的种子细胞有间充质干细胞、胚胎干细胞、成体干细胞和多能干细胞等。
其中，间充质干细胞来源广泛，成本低廉，维持稳定性好，是目前组织工程中最为常用的种子细胞之一。
在组织工程中，种子细胞需要基于自己的特性与生存环境建立自然的联系。
此外，对种子细胞的培养、分化、传代以及植入对象等环节也需要特别注意。
在这些环节中，需要严格控制细胞密度、培养基的成分和种子细胞分化等参数，以避免种子细胞的死亡、分化和瘤形成等问题。
支架材料也是组织工程中不可或缺的重要要素。
支架材料的选择非常关键，它需要具备以下特点：生物相容性良好、可降解性、机械强度适中、支持细胞附着和生长等性能。
目前，支架材料主要有天然材料和人工合成材料两种。
天然材料包括胶原蛋白、凝胶素、海藻酸盐、蛋白多肽等，而人工合成材料包括聚乳酸、聚己内酯、聚乙烯醇等。
除种子细胞和支架材料外，组织工程中还需要考虑多种其他要素。
首先是环境因素，如细胞培养和生长培养基的成分、营养水平、氧气含量等因素都会对种子细胞的生长和分化产生影响。
其次是植入物的体内环境，植入前需要进行充分的生物学和生物工程评估，以为后续治疗提供科学依据。
总之，种子细胞和支架材料是组织工程中最为核心的两个要素。
它们的选择和优化对组织工程的成功与否至关重要。
此外，还需要考虑其他多种因素，将各种要素结合起来，才能够实现组织工程的良好效果，为人类健康事业做出重要贡献。
生物医学领域中增材制造组织工程支架
生物医学领域中增材制造组织工程支架一、生物医学领域中增材制造组织工程支架概述增材制造技术，也被称为3D打印技术，近年来在生物医学领域取得了显著的进展，尤其是在组织工程支架的制造中。
组织工程支架是一种用于引导细胞生长和组织修复的三维结构，它们可以模拟天然细胞外基质的特性，为细胞提供必要的支持和信号。
增材制造技术以其独特的优势，如设计灵活性、复杂结构的制造能力以及对材料的精确控制，为组织工程提供了新的可能性。
1.1 增材制造技术的核心特性增材制造技术的核心特性主要体现在以下几个方面：- 设计灵活性：可以根据需要定制支架的形状和结构，以适应不同的生物医学应用。
- 复杂结构制造：能够制造出具有复杂内部结构的支架，如仿生结构，以促进细胞生长和组织整合。
- 材料多样性：可以使用多种生物相容性材料进行打印，包括聚合物、陶瓷和金属等。
- 精确控制：可以精确控制支架的孔隙率、孔径大小和分布，以满足特定细胞生长的需求。
1.2 增材制造技术在组织工程中的应用场景增材制造技术在组织工程中的应用场景非常广泛，包括但不限于以下几个方面：- 骨组织工程：制造用于骨缺损修复的支架，促进骨细胞的增殖和分化。
- 软骨组织工程：打印具有特定力学性能的支架，以模拟软骨组织的特性。
- 皮肤组织工程：制造用于皮肤缺损修复的支架，提供细胞生长的平台。
- 血管组织工程：打印具有良好血流动力学特性的血管支架，用于血管重建。
二、生物医学领域中增材制造组织工程支架的制造技术增材制造组织工程支架的制造技术是实现其在生物医学领域应用的关键。
这些技术不仅需要满足生物相容性和生物功能性的要求，还需要具备高度的精确性和可重复性。
2.1 常用的增材制造技术在组织工程支架的制造中，常用的增材制造技术包括：- 熔融沉积建模(FDM)：通过逐层沉积熔融材料来构建三维结构。
- 光固化立体打印(SLA)/数字光处理(DLP)：利用光固化技术逐层固化液态树脂，形成所需的三维结构。
骨组织工程多孔支架材料性质及支架制备
骨组织工程多孔支架材料性质及支架制备吴景梅* 吴若峰*上海大学材料科学与工程学院高分子化学与物理系(201800)email:wujingmei@摘要：多孔性生物可降解支架的选择和制备是组织工程技术成功运用的关键，本文从骨架的材料要求、常用的骨架材料、骨架的制备技术等几个方面对组织工程和生物降解支架的工作进行了综述，并对该研究的前景进行了展望关键词：组织工程多孔支架生物降解性制备方法1. 引言组织工程是应用生命科学和工程学的原理和方法，在正确认识哺乳动物的正常和病理两种状态下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科[1—3]。
组织工程学的基本方法是首先分离培养相关的细胞，然后将一定量的细胞种植到具有一定空间结构的三维支架上，再将此细胞支架复合物植入体内或在体外培养，通过细胞之间的粘附、生长繁殖分泌细胞外基质，从而形成具有一定结构和功能的组织或器官[4—6]。
近年来，随着细胞生物学、分子生物学及生物材料学研究的突飞猛进，组织工程作为一门新兴的交叉学科在其研究和应用方面也取得了很大的进展。
目前组织工程研究的领域主要有皮肤组织工程，骨、软骨组织工程，神经、肌腱组织工程等，其中骨组织工程的研究是最活跃的领域之一。
骨组织工程的研究和应用将会克服现有骨缺损修复中自体骨移植来源少、异体骨移植存在排斥反应的问题和不足，预期它将为骨缺损修复带来美好的前景。
但是骨组织工程研究中还存在许多困难，其中理想的细胞外支架材料的选择和制备是骨组织工程研究中急需解决的困难。
2. 组织工程对支架材料的要求理想的骨组织工程支架材料的要求有[7—8]：(1)良好的生物相容性：除满足生物材料的一般要求，如无毒、不致畸之外，还要有利于种子细胞的粘附、增殖，降解产物对细胞无毒害作用，不引起炎症反应，有利于细胞的生长和分化。
（2）良好的生物降解性：支架材料在完成支撑功能后应能降解，降解速率应与骨组织细胞生长速率相适应。
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化学改性：
放射性碘化法/甲基化/接枝/固定酶
5.2 天然多糖类材料
甲壳素及其衍生物
概述
① 源自：虾、蟹、昆虫、真菌和藻类 ② 简史：
1811年被发现 1887年确立了基本结构 1977年召开第一届国际会议
5.2 天然多糖类材料
甲壳素及其衍生物
结构
CH2OH O OH O OH O CH2OH O
支撑学科：生物材料/细胞生物学/分子生物学 /生物力学 其他学科：信息/工程/机械/电子/物理/化学
潜力巨大的高新产业：
1.4 组织工程四要素
种子细胞
胚胎干细胞：最理想 干细胞 成体干细胞：便于将来临床应用 组织细胞：可直接移植
1.4 组织工程四要素
支架材料
概念： 能与组织活体细胞结台并能植入生物体的 材料 功能： 为细胞提供获取营养、气体交换、排泄废 物和生长发育的场所，也是形成新的具有 形态和功能的组织、器官的物质基础
按降解方式和程度分：
天然材料 完全降解材料
合成材料
非完全降解材料
4.3 降解与吸收的研究方法
评价方法
体外评价：外形、外观、力学性能、 失重和失效等物理变化的程度 植入动物体内特定部位评价
降解机制的研究
物理因素的影响 化学因素的影响 生物因素的影响
4.3 降解与吸收的研究方法
NHCOCH 3
n
NH2
n
甲壳素
壳聚糖
5.2 天然多糖类材料
甲壳素及其衍生物
理化性能
① 甲壳素
白色片状或粉状固体，常温时稳定 氢键作用强，结晶度高，高度难溶， 只溶于浓酸和某些溶剂
5.2 天然多糖类材料
甲壳素及其衍生物
理化性能
② 壳聚糖
白色片状或粉状固体，常温时稳定 可溶于稀酸、甲酸、乙酸，但也不溶 于水和绝大多数有机溶剂 性能更活泼，可通过氨基和羟基改性
组织工程支架材料
1 概论 2 组织工程化组织简介 3 组织工程支架材料的基本要求
4 生物降解材料基础
5 天然组织支架材料
6 合成组织支架材料
1 概论
相关背景
基本概念 深远意义 组织工程四要素
1.1相关背景
自体移植：添新伤补旧伤 异体移植：排斥/供给不足 异种移植：排斥 人工器官：排斥/功能不足
材料在体内吸收和排泄研究
组织和细胞生物学方法 直观方法：光镜或电镜观察 动力学方法：同位素标记
4.3 降解与吸收的研究方法
降解速率的调控
亲水性 比表面积和多孔结构 加工过程
4.4 生物降解材料的安全评价
非植入性材料和制品
化学性能/物理性能/生物学性能
植入性材料和制品
组织学观察/致突实验/生物学老化实验
物理交联：高能辐射/紫外辐射/干热处理 化学交联： 胶原复合材料：
5.1 天然蛋白质类材料
明胶： 组成：
一级结构：主链富含甘氨酸、脯氨酸和羟脯 氨酸
制备：
碱法工艺/酶解工艺
5.1 天然蛋白质类材料
纤维蛋白 来源：
纤维蛋白原(一种血浆蛋白)→凝血酶作用凝 固而成 纤维蛋白亲水基团更多，生理条件下溶解性好
3 工程支架材料的基本要求
良好的生物相容性 良好的生物机械性能 合适的生物降解性
良好的可塑性
可行的灭菌、消毒方法
3.1 良好的生物相容性
材料组成无毒，化学结构稳定 降解产物安全 良好的血液相容性
3.2 良好的生物机械性能
为体外接种细胞提供扩增和 增殖场所 阻碍周围组织的生长 机械性能要与周围组织匹配
8.2 组织工程化组织简介
软骨组织工程 骨组织工程 皮肤组织工程 韧带组织工程 肌腱组织工程 神经组织工程 其他组织工程
2.2 骨组织工程
对支架材料的要求：
既要有一定的强度，有要有一定的韧性
支架材料的热点：
陶瓷材料：
成骨细胞与支架材料的三维培养：
材料的理化性能/表面微结构及微环境/ 新技术
3.3 合适的生物降解性
降解产物无毒 降解速率可调 降级过程中，材料与组织有较 好的亲和性
3.4 良好的可塑性
高孔隙率：一般>90% 结构形状复杂
3.5 可行的灭菌、可少 材料的结构和性能能够经受彻 底灭菌过程的考验
8.4 生物降解材料基础
1.2 基本概念
组织工程学：
细胞生物学+工程学→生物活体组织→修复或 重建组织器官的结构与功能
组织工程的基本方法：
体外培养高浓度组织细胞→扩增→人工细胞 基质(三维的支架材料)→生长，分化→生物 活体组织
1.3 深远意义
新兴学科，带来一场医学革命： 多学科交叉，促进众多学科的交叉、渗透 和发展：
胶原： 生理作用：
结构蛋白：在人体，约占蛋白质总量的1/3 主要功能是组织的支持物 其他功能： 生物的生长、发育/细胞的分化和黏附/抗原抗 体结合反应
5.1 天然蛋白质类材料
胶原： 改性：
物理交联：高能辐射/紫外辐射/干热处理 化学交联： 胶原复合材料：
5.1 天然蛋白质类材料
胶原： 组织工程中的应用：
降解的基本概念与类型 降解机制与过程
降解与吸收的研究方法
生物降解材料的安全评价
4.1 降解的基本概念与类型
基本概念： 降解：分子量变小的化学过程 生物降解：
在生物体内的体验、酶和细胞等多种因 素的综合作用下，分子量变小的过程。
4.1 降解的基本概念与类型
按降解机制分：
生物降解/物理降解/化学降解/机械降解
1.4 组织工程四要素
生长因子
概念： 对细胞生长、分化有一定的调节功能，能 在细胞间传递信息的多肽物质。 应用方式： 生长因子+支架材料→复合体 支架材料上培养能分泌生长因子的细胞
1.4 组织工程四要素
组织构建
路线一： 功能细胞+支架材料→体外培养→成熟生 物组织→植入体内 路线二： 功能细胞+支架材料→体外短期培养→植 入体内，逐渐发育成形
血液接触性材料和制品
体内外血液相容性实验
降解和吸收过程
5 天然组织支架材料
天然蛋白质类材料 天然多糖类材料
天然无机物
5.1 天然蛋白质类材料
胶原： 组成：
一级结构：每链1050个氨基酸，富含脯氨酸 和羟脯氨酸 二级结构：α-螺旋结构 高级结构：三条肽链螺旋缠绕成1个胶原分子
5.1 天然蛋白质类材料