第八章第八章 组织工程支架材料组织工程支架材料8.1 概论概论8.2 组织工程化组织简介组织工程化组织简介8.3 组织工程支架材料的基本要求组织工程支架材料的基本要求8.4 生物降解材料基础生物降解材料基础8.5 天然组织支架材料天然组织支架材料8.6 合成组织支架材料合成组织支架材料8.1 概论概论n相关背景n基本概念n深远意义n组织工程四要素相关背景n自体移植：自体移植：添新伤补旧伤添新伤补旧伤n异体移植：异体移植：排斥排斥/ /供给不足供给不足n异种移植：异种移植：排斥排斥n人工器官：人工器官：排斥排斥/ /功能不足功能不足8.1.2 基本概念n组织工程学：组织工程学：细胞生物学细胞生物学+ +工程学工程学生物活体组织生物活体组织修复或修复或重建组织器官的结构与功能重建组织器官的结构与功能n组织工程的基本方法：组织工程的基本方法： 体外培养高浓度组织细胞体外培养高浓度组织细胞扩增扩增人工细胞人工细胞 基质基质( (三维的支架材料三维的支架材料) )生长，分化生长，分化生物生物 活体组织活体组织8.1.3 深远意义n 新兴学科，带来一场医学革命：新兴学科，带来一场医学革命： n 多学科交叉，促进众多学科的交叉、渗透多学科交叉，促进众多学科的交叉、渗透 和发展：和发展：l 支撑学科：生物材料支撑学科：生物材料/ /细胞生物学细胞生物学/ /分子生物学分子生物学 / /生物力学生物力学l 其他学科：信息其他学科：信息/ /工程工程/ /机械机械/ /电子电子/ /物理物理/ /化学化学n 潜力巨大的高新产业：潜力巨大的高新产业：8.1.4 组织工程四要素n种子细胞种子细胞干细胞组织细胞：可直接移植胚胎干细胞：最理想成体干细胞：便于将来临床应用8.1.4 组织工程四要素n支架材料支架材料l概念：概念： 能与组织活体细胞结台并能植入生物体的能与组织活体细胞结台并能植入生物体的材料材料l功能：功能： 为细胞提供获取营养、气体交换、排泄废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、器官的物质基础形态和功能的组织、器官的物质基础 8.1.4 组织工程四要素n生长因子生长因子l概念：概念： 对细胞生长、分化有一定的调节功能，能对细胞生长、分化有一定的调节功能，能在细胞间传递信息的多肽物质。在细胞间传递信息的多肽物质。l应用方式：应用方式： 生长因子生长因子+ +支架材料支架材料复合体复合体 支架材料上培养能分泌生长因子的细胞支架材料上培养能分泌生长因子的细胞8.1.4 组织工程四要素n组织构建组织构建l路线一：路线一： 功能细胞功能细胞+ +支架材料支架材料体外培养体外培养成熟生成熟生物组织物组织植入体内植入体内l路线二：路线二： 功能细胞功能细胞+ +支架材料支架材料体外短期培养体外短期培养植植入体内，逐渐发育成形入体内，逐渐发育成形8.2 组织工程化组织简介组织工程化组织简介n软骨组织工程软骨组织工程n骨组织工程骨组织工程n皮肤组织工程皮肤组织工程n韧带组织工程韧带组织工程n肌腱组织工程肌腱组织工程n神经组织工程神经组织工程n其他组织工程其他组织工程8.2.1 软骨组织工程软骨组织工程n软骨组织的特点软骨组织的特点 基本结构简单，只有软骨细胞，无血管、基本结构简单，只有软骨细胞，无血管、和淋巴组织等和淋巴组织等n软骨组织的现状软骨组织的现状 可用的支架材料多，成果丰富可用的支架材料多，成果丰富8.2.2 骨组织工程n对支架材料的要求：对支架材料的要求： 既要有一定的强度，有要有一定的韧性既要有一定的强度，有要有一定的韧性n支架材料的热点：支架材料的热点： 陶瓷材料：陶瓷材料：n成骨细胞与支架材料的三维培养：成骨细胞与支架材料的三维培养： 材料的理化性能材料的理化性能/ /表面微结构及微环境表面微结构及微环境/ /新技术新技术8.2.3 皮肤组织工程n人工表皮人工表皮: :n人工真皮：人工真皮：n人工复合人工复合8.2.4 韧带组织工程n典型的支架材料体系：典型的支架材料体系：l聚羟基乙酸聚羟基乙酸- -涤纶复合物：涤纶复合物：l碳素纤维碳素纤维- -聚乳酸复合物：聚乳酸复合物：n新型支架材料体系：新型支架材料体系：l蚕丝纤维蚕丝纤维8.2.5 肌腱组织工程n亚硝酸和戊二醛交联异体胶原纤维：亚硝酸和戊二醛交联异体胶原纤维：n胶原和黏多糖的交联：胶原和黏多糖的交联：n难点：手指腱损伤的修补难点：手指腱损伤的修补8.2.6 神经组织工程n神经组织的类型、结构和功能：神经组织的类型、结构和功能：中枢神经系统中枢神经系统/周围神经系统周围神经系统 神经元神经元/神经胶质细胞神经胶质细胞n神经组织工程的关键问题：神经组织工程的关键问题： 雪旺细胞的长期存活雪旺细胞的长期存活8.2.7 其他组织工程n肝组织工程：肝组织工程：n肾组织工程：肾组织工程：n角膜组织工程：角膜组织工程：n胰腺组织工程：胰腺组织工程： 工程支架材料的基本要求工程支架材料的基本要求n良好的生物相容性良好的生物相容性n良好的生物机械性能良好的生物机械性能n合适的生物降解性合适的生物降解性n良好的可塑性良好的可塑性n可行的灭菌、消毒方法可行的灭菌、消毒方法8.3.1 良好的生物相容性n材料组成无毒，化学结构稳定材料组成无毒，化学结构稳定n降解产物安全降解产物安全n良好的血液相容性良好的血液相容性8.3.2 良好的生物机械性能n为体外接种细胞提供扩增和为体外接种细胞提供扩增和增殖场所增殖场所n阻碍周围组织的生长阻碍周围组织的生长n机械性能要与周围组织匹配机械性能要与周围组织匹配8.3.3 合适的生物降解性n降解产物无毒降解产物无毒n降解速率可调降解速率可调n降级过程中，材料与组织有较降级过程中，材料与组织有较好的亲和性好的亲和性8.3.4 良好的可塑性n高孔隙率：高孔隙率：一般一般90%90%n结构形状复杂结构形状复杂8.3.5 可行的灭菌、消毒方法n灭菌、消毒不可少灭菌、消毒不可少n材料的结构和性能能够经受彻材料的结构和性能能够经受彻底灭菌过程的考验底灭菌过程的考验8.4 生物降解材料基础生物降解材料基础n降解的基本概念与类型降解的基本概念与类型n降解机制与过程降解机制与过程n降解与吸收的研究方法降解与吸收的研究方法n生物降解材料的安全评价生物降解材料的安全评价8.4.1 降解的基本概念与类型n基本概念：基本概念：l降解：降解：分子量变小的化学过程分子量变小的化学过程l生物降解：生物降解：在生物体内的体验、酶和细胞等多种因在生物体内的体验、酶和细胞等多种因素的综合作用下，分子量变小的过程。素的综合作用下，分子量变小的过程。8.4.1 降解的基本概念与类型n按降解机制分：按降解机制分：生物降解生物降解/物理降解物理降解/化学降解化学降解/机械降解机械降解n按降解方式和程度分：按降解方式和程度分：完全降解材料非完全降解材料天然材料合成材料8.4.2 降解机制与过程n热降解：热降解：l解聚：链增长的逆反应解聚：链增长的逆反应l无规断链：受热后，分子量迅速下降无规断链：受热后，分子量迅速下降l取代基的脱除：取代基的脱除：n机械降解：机械降解：l外力作用引起的降解外力作用引起的降解 8.4.2 降解机制与过程n氧化降解：氧化降解：n光解和光氧化：光解和光氧化：l前提：光能前提：光能 化学键的离解能化学键的离解能l有氧时，可按氧化机制降解，即光降有氧时，可按氧化机制降解，即光降解解8.4.2 降解机制与过程n化学降解：化学降解：l多指水解反应，即遇水发生水解反应多指水解反应，即遇水发生水解反应n生物降解：生物降解：l酶等作用下，发生的水解酶等作用下，发生的水解8.4.3 降解与吸收的研究方法n评价方法评价方法l体外评价：外形、外观、力学性能、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失重和失效等物理变化的程度l植入动物体内特定部位评价植入动物体内特定部位评价n降解机制的研究降解机制的研究l物理因素的影响物理因素的影响l化学因素的影响化学因素的影响l生物因素的影响生物因素的影响8.4.3 降解与吸收的研究方法n材料在体内吸收和排泄研究材料在体内吸收和排泄研究l组织和细胞生物学方法组织和细胞生物学方法 直观方法：光镜或电镜观察直观方法：光镜或电镜观察 动力学方法：同位素标记动力学方法：同位素标记8.4.3 降解与吸收的研究方法n降解速率的调控降解速率的调控l亲水性亲水性l比表面积和多孔结构比表面积和多孔结构l加工过程加工过程8.4.4 生物降解材料的安全评价n非植入性材料和制品非植入性材料和制品 化学性能化学性能/ /物理性能物理性能/ /生物学性能生物学性能n植入性材料和制品植入性材料和制品 组织学观察组织学观察/ /致突实验致突实验/ /生物学老化实验生物学老化实验n血液接触性材料和制品血液接触性材料和制品 体内外血液相容性实验体内外血液相容性实验n降解和吸收过程降解和吸收过程8.5 天然组织支架材料天然组织支架材料n天然蛋白质类材料天然蛋白质类材料n天然多糖类材料天然多糖类材料n天然无机物天然无机物8.5.1 天然蛋白质类材料n胶原：胶原：l组成：组成：一级结构：每链一级结构：每链10501050个氨基酸，富含脯氨酸个氨基酸，富含脯氨酸和羟脯氨酸和羟脯氨酸二级结构：二级结构：-螺旋结构螺旋结构高级结构：三条肽链螺旋缠绕成高级结构：三条肽链螺旋缠绕成1 1个胶原分子个胶原分子8.5.1 天然蛋白质类材料n胶原：胶原：l生理作用：生理作用：结构蛋白：在人体，约占蛋白质总量的结构蛋白：在人体，约占蛋白质总量的1/31/3主要功能是组织的支持物主要功能是组织的支持物其他功能：其他功能：生物的生长、发育生物的生长、发育/ /细胞的分化和黏附细胞的分化和黏附/ /抗原抗抗原抗体结合反应体结合反应8.5.1 天然蛋白质类材料n胶原：胶原：l改性：改性：物理交联：高能辐射物理交联：高能辐射/ /紫外辐射紫外辐射/ /干热处理干热处理化学交联：化学交联：胶原复合材料：胶原复合材料：8.5.1 天然蛋白质类材料n胶原：胶原：l组织工程中的应用：组织工程中的应用：物理交联：高能辐射物理交联：高能辐射/ /紫外辐射紫外辐射/ /干热处理干热处理化学交联：化学交联：胶原复合材料：胶原复合材料：8.5.1 天然蛋白质类材料n明胶：明胶：l组成：组成：一级结构：主链富含甘氨酸、脯氨酸和羟脯一级结构：主链富含甘氨酸、脯氨酸和羟脯氨酸氨酸l制备：制备： 碱法工艺碱法工艺/ /酶解工艺酶解工艺8.5.1 天然蛋白质类材料n纤维蛋白纤维蛋白l来源：来源：纤维蛋白原纤维蛋白原( (一种血浆蛋白一种血浆蛋白) )凝血酶作用凝凝血酶作用凝固而成固而成纤维蛋白亲水基团更多，生理条件下溶解性好纤维蛋白亲水基团更多，生理条件下溶解性好l化学改性：化学改性：放射性碘化法放射性碘化法/ /甲基化甲基化/ /接枝接枝/ /固定酶固定酶8.5.2 天然多糖类材料n甲壳素及其衍生物甲壳素及其衍生物l概述概述源自：虾、蟹、昆虫、真菌和藻类源自：虾、蟹、昆虫、真菌和藻类简史：简史：n1811年被发现n1887年确立了基本结构n1977年召开第一届国际会议8.5.2 天然多糖类材料n甲壳素及其衍生物甲壳素及其衍生物l结构结构8.5.2 天然多糖类材料n甲壳素及其衍生物甲壳素及其衍生物l理化性能理化性能甲壳素甲壳素n白色片状或粉状固体，常温时稳定n氢键作用强，结晶度高，高度难溶，只溶于浓酸和某些溶剂8.5.2 天然多糖类材料n甲壳素及其衍生物甲壳素及其衍生物l理化性能理化性能壳聚糖壳聚糖n白色片状或粉状固体，常温时稳定n可溶于稀酸、甲酸、乙酸，但也不溶于水和绝大多数有机溶剂n性能更活泼，可通过氨基和羟基改性8.5.2 天然多糖类材料n甲壳素及其衍生物甲壳素及其衍生物l生物活性：生物活性：壳聚糖壳聚糖n一般只有很小的异物排斥反应n不引起慢性反应，无大量纤维组织增生n可加速移植物与正常组织融合8.5.2 天然多糖类材料n甲壳素及其衍生物甲壳素及其衍生物l降解：降解：甲壳素甲壳素n溶菌酶作用下降解/糖蛋白形式吸收壳聚糖壳聚糖n溶菌酶的催化水解速度随脱乙酰化程度增高而降低8.5.2 天然多糖类材料n甲壳素及其衍生物甲壳素及其衍生物l组织工程支架材料中的应用：组织工程支架材料中的应用：临床临床n可吸收缝线/人工皮肤/软骨组织软骨组织神经修复神经修复8.5.2 天然多糖类材料n透明质酸：透明质酸：l概述概述透明质酸：动物、人体组织及细胞外基透明质酸：动物、人体组织及细胞外基质，眼玻璃体、房水、滑液、皮肤和脐质，眼玻璃体、房水、滑液、皮肤和脐带中含量较高带中含量较高透明质酸钠：透明质酸钠： 黏弹性外科/黏弹性物补充疗法/黏弹性 分割/黏弹性保护/黏弹性充填8.5.2 天然多糖类材料n透明质酸透明质酸l结构结构8.5.2 天然多糖类材料n透明质酸透明质酸l理化性能理化性能n白色无定形固体，无臭无味n溶于水，不溶于有机溶剂n有极强的吸湿性，可吸收和保持其自身重量上千倍的8.5.2 天然多糖类材料n透明质酸透明质酸l生物学特性生物学特性n理想的生理填充材料n在组织生成、创伤愈合、肿瘤入侵好调节细胞功能等方面有诸多方面具有重要的生理作用l降解：极易发生降解：极易发生8.5.2 天然多糖类材料n透明质酸透明质酸l改性：制不溶性凝胶和膜材料改性：制不溶性凝胶和膜材料n用二乙烯基砜作交联n用醛作交联n用多官能团的环氧基作交联8.5.2 天然多糖类材料n透明质酸透明质酸l组织工程支架材料中的应用：组织工程支架材料中的应用：n眼科手术n关节病治疗n组织修复8.5.3 天然无机物n天然珊瑚天然珊瑚l概述概述主要成分：碳酸钙主要成分：碳酸钙具有类似骨骼的多孔结构具有类似骨骼的多孔结构种类：种类： 滨珊瑚/角孔珊瑚/角蜂巢珊瑚/叶状珊瑚/石芝珊瑚/鹿角珊瑚8.5.3 天然无机物n天然珊瑚天然珊瑚l组织工程中的应用：骨组织组织工程中的应用：骨组织水热法将珊瑚制成羟基磷灰石水热法将珊瑚制成羟基磷灰石珊瑚复合材料：珊瑚复合材料： 人骨形成蛋白与珊瑚复合8.6 合成组织支架材料合成组织支架材料n聚乳酸、聚羟基乙酸及其共聚物聚乳酸、聚羟基乙酸及其共聚物n聚酸酐聚酸酐n聚羟基丁酸酯聚羟基丁酸酯n聚原酸酯聚原酸酯n聚膦腈聚膦腈n其他合成材料其他合成材料8.6.1 聚乳酸、聚羟基乙酸 及其共聚物n制备、结构与性能制备、结构与性能l制备制备直接缩聚法直接缩聚法开环缩聚法开环缩聚法正离子聚合正离子聚合阴离子聚合阴离子聚合配位聚合配位聚合8.6.1 聚乳酸、聚羟基乙酸 及其共聚物n制备、结构与性能制备、结构与性能l制备制备8.6.1 聚乳酸、聚羟基乙酸 及其共聚物n制备、结构与性能制备、结构与性能l结构与性能结构与性能手性结构手性结构n单体乳酸分子：左旋和右旋n二聚体丙交酯：左旋/右旋/外消旋/内消旋n聚乳酸：左旋/右旋/外消旋/内消旋8.6.1 聚乳酸、聚羟基乙酸 及其共聚物n制备、结构与性能制备、结构与性能l结构与性能结构与性能性能性能nPDLA和PLLA是两种具有光学活性的有规立构聚合物, 熔融或溶液中均可结晶、结晶度可达60 %左右nPDLLA是无定形非晶态材料。8.6.1 聚乳酸、聚羟基乙酸 及其共聚物n制备、结构与性能制备、结构与性能l结构与性能结构与性能性能性能n力学性能：与结晶性有很大关系n降解性能 ：本体降解(酶催化/自催化)n降解速度的影响因素8.6.1 聚乳酸、聚羟基乙酸 及其共聚物n改性研究改性研究l主要问题主要问题亲水性不理想，不利于细胞黏附、生亲水性不理想，不利于细胞黏附、生长和分化长和分化分子链中缺乏活性基团分子链中缺乏活性基团降解产物偏酸性，可导致非特异无菌降解产物偏酸性，可导致非特异无菌性炎症反应性炎症反应机械强度不足机械强度不足8.6.1 聚乳酸、聚羟基乙酸 及其共聚物n改性研究改性研究l提高材料的亲水性和细胞黏附性提高材料的亲水性和细胞黏附性物理方法：提高表面粗糙度物理方法：提高表面粗糙度/ /涂层涂层化学方法：化学方法：nLA与GA、己内酯等共聚n采用亲水性引发剂n与功能单体共聚8.6.1 聚乳酸、聚羟基乙酸 及其共聚物n改性研究改性研究l提高材料的亲水性和细胞黏附性提高材料的亲水性和细胞黏附性物理方法：提高表面粗糙度物理方法：提高表面粗糙度/ /涂层涂层化学方法：化学方法：nLA与GA、己内酯等共聚n采用亲水性引发剂n与功能单体共聚8.6.1 聚乳酸、聚羟基乙酸 及其共聚物n改性研究改性研究l降低无菌性炎症反应降低无菌性炎症反应临床约有临床约有8 %8 %的反应率的反应率原因：引起局部组织原因：引起局部组织pHpH下降下降加入碱性物质：加入碱性物质：n碳酸钙、碳酸钠、碳酸氢钙和羟基磷灰石等8.6.1 聚乳酸、聚羟基乙酸 及其共聚物n改性研究改性研究l提高材料机械强度提高材料机械强度与羟基磷灰石等复合与羟基磷灰石等复合8.6.1 聚乳酸、聚羟基乙酸 及其共聚物n多孔支架的构建多孔支架的构建l纤维网状支架结构纤维网状支架结构聚羟基乙酸纤维是最早采用的支架材料聚羟基乙酸纤维是最早采用的支架材料优点：比表面积大优点：比表面积大细胞黏附，养分扩细胞黏附，养分扩散散缺点：稳定性不够，力学性能差缺点：稳定性不够，力学性能差改进：纤维固定技术改进：纤维固定技术/ /涂层技术涂层技术8.6.1 聚乳酸、聚羟基乙酸 及其共聚物n多孔支架的构建多孔支架的构建l多孔泡沫支架结构多孔泡沫支架结构溶液浇铸溶液浇铸- -粒子沥滤技术粒子沥滤技术气体发泡技术气体发泡技术相分离相分离- -乳化技术：乳化技术：熔融成形技术熔融成形技术高分子微球聚集技术高分子微球聚集技术热致凝胶化热致凝胶化8.6.1 聚乳酸、聚羟基乙酸 及其共聚物n多孔支架的构建多孔支架的构建l特定组织支架结构特定组织支架结构 快速成形技术快速成形技术8.6.1 聚乳酸、聚羟基乙酸 及其共聚物n多孔支架的构建多孔支架的构建l软骨和骨组织软骨和骨组织l肝肝l肌腱肌腱l皮肤皮肤l管状结构管状结构8.6.2 聚酸酐n概述：概述：l单体通过双酐键相连的高分子单体通过双酐键相连的高分子l双酐键不稳定，可水解：双酐键不稳定，可水解：脂肪族类可在几天内水解脂肪族类可在几天内水解芳香族类要几年才能水解芳香族类要几年才能水解l良好的生物相容性和表面溶蚀性良好的生物相容性和表面溶蚀性8.6.2 聚酸酐n制备：制备：直接缩聚法直接缩聚法开环缩聚法开环缩聚法熔融缩聚熔融缩聚溶液缩聚溶液缩聚8.6.3 聚羟基丁酸酯n概述：概述：l于于19641964年从细菌中分离而得，系生物年从细菌中分离而得，系生物合成高分子合成高分子l合成方法：合成方法：细菌合成细菌合成基因合成基因合成l良好的生物相容性和可降解吸收性良好的生物相容性和可降解吸收性8.6.3 聚羟基丁酸酯n改性：改性：l多聚赖氨酸对表面改性：多聚赖氨酸对表面改性：提高亲水性和细胞黏附性提高亲水性和细胞黏附性l与聚羟基戊酸共聚：与聚羟基戊酸共聚：改善易碎、降解时间长、可塑性和机械改善易碎、降解时间长、可塑性和机械性能差等问题性能差等问题8.6.4 聚原酸酯n概述：概述：l通过多元原酸和多元原酸酯与多元醇通过多元原酸和多元原酸酯与多元醇类在无水状态下缩合而成类在无水状态下缩合而成l良好的生物相容性和表面溶蚀性良好的生物相容性和表面溶蚀性8.6.4 聚原酸酯n类型：类型：l二元醇二元醇+ +原酸酯或原碳酸酯经酯交原酸酯或原碳酸酯经酯交换而成换而成l二元醇二元醇+ +与双烯酮经酸催化而成与双烯酮经酸催化而成l烷基原酸酯烷基原酸酯+ +三元醇在环己烷溶剂三元醇在环己烷溶剂中聚合而成中聚合而成8.6.5 聚膦腈n概述：概述：l一组由氮磷原子以交替的单键、一组由氮磷原子以交替的单键、双键构成主链的高分子双键构成主链的高分子n组织工程支架结构组织工程支架结构8.6.6 其他合成材料n聚酯脲烷聚酯脲烷n聚己内酯聚己内酯n聚三次甲基碳酸酯聚三次甲基碳酸酯n聚丙烯聚丙烯-丁烯二酸酯丁烯二酸酯