醫(yī)學(xué)課件生物材料學(xué)-組織工程支架材料

1、第八章 組織工程支架材料8.1 概論8.2 組織工程化組織簡(jiǎn)介8.3 組織工程支架材料的基本要求8.4 生物降解材料基礎(chǔ)8.5 天然組織支架材料8.6 合成組織支架材料8.1 概論相關(guān)背景基本概念深遠(yuǎn)意義組織工程四要素8.1.1相關(guān)背景自體移植：添新傷補(bǔ)舊傷異體移植：排斥/供給不足異種移植：排斥人工器官：排斥/功能不足8.1.2 基本概念組織工程學(xué)：細(xì)胞生物學(xué)+工程學(xué)生物活體組織修復(fù)或重建組織器官的結(jié)構(gòu)與功能組織工程的基本方法： 體外培養(yǎng)高濃度組織細(xì)胞擴(kuò)增人工細(xì)胞 基質(zhì)(三維的支架材料)生長(zhǎng)，分化生物 活體組織8.1.3 深遠(yuǎn)意義 新興學(xué)科，帶來(lái)一場(chǎng)醫(yī)學(xué)革命： 多學(xué)科交叉，促進(jìn)眾多學(xué)科的交叉、

2、滲透 和發(fā)展： 支撐學(xué)科：生物材料/細(xì)胞生物學(xué)/分子生物學(xué) /生物力學(xué) 其他學(xué)科：信息/工程/機(jī)械/電子/物理/化學(xué) 潛力巨大的高新產(chǎn)業(yè)：8.1.4 組織工程四要素種子細(xì)胞干細(xì)胞組織細(xì)胞：可直接移植胚胎干細(xì)胞：最理想成體干細(xì)胞：便于將來(lái)臨床應(yīng)用8.1.4 組織工程四要素支架材料概念： 能與組織活體細(xì)胞結(jié)臺(tái)并能植入生物體的材料功能： 為細(xì)胞提供獲取營(yíng)養(yǎng)、氣體交換、排泄廢物和生長(zhǎng)發(fā)育的場(chǎng)所，也是形成新的具有形態(tài)和功能的組織、器官的物質(zhì)基礎(chǔ) 8.1.4 組織工程四要素生長(zhǎng)因子概念： 對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)、分化有一定的調(diào)節(jié)功能，能在細(xì)胞間傳遞信息的多肽物質(zhì)。應(yīng)用方式： 生長(zhǎng)因子+支架材料復(fù)合體 支架材料上培養(yǎng)能

3、分泌生長(zhǎng)因子的細(xì)胞8.1.4 組織工程四要素組織構(gòu)建路線一： 功能細(xì)胞+支架材料體外培養(yǎng)成熟生物組織植入體內(nèi)路線二： 功能細(xì)胞+支架材料體外短期培養(yǎng)植入體內(nèi)，逐漸發(fā)育成形8.2 組織工程化組織簡(jiǎn)介軟骨組織工程骨組織工程皮膚組織工程韌帶組織工程肌腱組織工程神經(jīng)組織工程其他組織工程8.2.1 軟骨組織工程軟骨組織的特點(diǎn) 基本結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只有軟骨細(xì)胞，無(wú)血管、和淋巴組織等軟骨組織的現(xiàn)狀 可用的支架材料多，成果豐富8.2.2 骨組織工程對(duì)支架材料的要求： 既要有一定的強(qiáng)度，有要有一定的韌性支架材料的熱點(diǎn)： 陶瓷材料：成骨細(xì)胞與支架材料的三維培養(yǎng)： 材料的理化性能/表面微結(jié)構(gòu)及微環(huán)境/新技術(shù)8.2.3 皮

4、膚組織工程人工表皮:人工真皮：人工復(fù)合8.2.4 韌帶組織工程典型的支架材料體系：聚羥基乙酸-滌綸復(fù)合物：碳素纖維-聚乳酸復(fù)合物：新型支架材料體系：蠶絲纖維8.2.5 肌腱組織工程亞硝酸和戊二醛交聯(lián)異體膠原纖維：膠原和黏多糖的交聯(lián)：難點(diǎn)：手指腱損傷的修補(bǔ)8.2.6 神經(jīng)組織工程神經(jīng)組織的類(lèi)型、結(jié)構(gòu)和功能：中樞神經(jīng)系統(tǒng)/周?chē)窠?jīng)系統(tǒng) 神經(jīng)元/神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞神經(jīng)組織工程的關(guān)鍵問(wèn)題： 雪旺細(xì)胞的長(zhǎng)期存活8.2.7 其他組織工程肝組織工程：腎組織工程：角膜組織工程：胰腺組織工程：8.3 工程支架材料的基本要求良好的生物相容性良好的生物機(jī)械性能合適的生物降解性良好的可塑性可行的滅菌、消毒方法8.3.1 良

5、好的生物相容性材料組成無(wú)毒，化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定降解產(chǎn)物安全良好的血液相容性8.3.2 良好的生物機(jī)械性能為體外接種細(xì)胞提供擴(kuò)增和增殖場(chǎng)所阻礙周?chē)M織的生長(zhǎng)機(jī)械性能要與周?chē)M織匹配8.3.3 合適的生物降解性降解產(chǎn)物無(wú)毒降解速率可調(diào)降級(jí)過(guò)程中，材料與組織有較好的親和性8.3.4 良好的可塑性高孔隙率：一般90%結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜8.3.5 可行的滅菌、消毒方法滅菌、消毒不可少材料的結(jié)構(gòu)和性能能夠經(jīng)受徹底滅菌過(guò)程的考驗(yàn)8.4 生物降解材料基礎(chǔ)降解的基本概念與類(lèi)型降解機(jī)制與過(guò)程降解與吸收的研究方法生物降解材料的安全評(píng)價(jià)8.4.1 降解的基本概念與類(lèi)型基本概念：降解：分子量變小的化學(xué)過(guò)程生物降解：在生物體內(nèi)的體驗(yàn)

6、、酶和細(xì)胞等多種因素的綜合作用下，分子量變小的過(guò)程。8.4.1 降解的基本概念與類(lèi)型按降解機(jī)制分：生物降解/物理降解/化學(xué)降解/機(jī)械降解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 降解機(jī)制與過(guò)程熱降解：解聚：鏈增長(zhǎng)的逆反應(yīng)無(wú)規(guī)斷鏈：受熱后，分子量迅速下降取代基的脫除：機(jī)械降解：外力作用引起的降解 8.4.2 降解機(jī)制與過(guò)程氧化降解：光解和光氧化：前提：光能化學(xué)鍵的離解能有氧時(shí)，可按氧化機(jī)制降解，即光降解8.4.2 降解機(jī)制與過(guò)程化學(xué)降解：多指水解反應(yīng)，即遇水發(fā)生水解反應(yīng)生物降解：酶等作用下，發(fā)生的水解8.4.3 降解與吸收的研究方法評(píng)價(jià)方法體外評(píng)價(jià)：外形、外觀、力

7、學(xué)性能、失重和失效等物理變化的程度植入動(dòng)物體內(nèi)特定部位評(píng)價(jià)降解機(jī)制的研究物理因素的影響化學(xué)因素的影響生物因素的影響8.4.3 降解與吸收的研究方法材料在體內(nèi)吸收和排泄研究組織和細(xì)胞生物學(xué)方法 直觀方法：光鏡或電鏡觀察 動(dòng)力學(xué)方法：同位素標(biāo)記8.4.3 降解與吸收的研究方法降解速率的調(diào)控親水性比表面積和多孔結(jié)構(gòu)加工過(guò)程8.4.4 生物降解材料的安全評(píng)價(jià)非植入性材料和制品 化學(xué)性能/物理性能/生物學(xué)性能植入性材料和制品 組織學(xué)觀察/致突實(shí)驗(yàn)/生物學(xué)老化實(shí)驗(yàn)血液接觸性材料和制品 體內(nèi)外血液相容性實(shí)驗(yàn)降解和吸收過(guò)程8.5 天然組織支架材料天然蛋白質(zhì)類(lèi)材料天然多糖類(lèi)材料天然無(wú)機(jī)物8.5.1 天然蛋白質(zhì)類(lèi)

8、材料膠原：組成：一級(jí)結(jié)構(gòu)：每鏈1050個(gè)氨基酸，富含脯氨酸和羥脯氨酸二級(jí)結(jié)構(gòu)：-螺旋結(jié)構(gòu)高級(jí)結(jié)構(gòu)：三條肽鏈螺旋纏繞成1個(gè)膠原分子8.5.1 天然蛋白質(zhì)類(lèi)材料膠原：生理作用：結(jié)構(gòu)蛋白：在人體，約占蛋白質(zhì)總量的1/3主要功能是組織的支持物其他功能：生物的生長(zhǎng)、發(fā)育/細(xì)胞的分化和黏附/抗原抗體結(jié)合反應(yīng)8.5.1 天然蛋白質(zhì)類(lèi)材料膠原：改性：物理交聯(lián)：高能輻射/紫外輻射/干熱處理化學(xué)交聯(lián)：膠原復(fù)合材料：8.5.1 天然蛋白質(zhì)類(lèi)材料膠原：組織工程中的應(yīng)用：物理交聯(lián)：高能輻射/紫外輻射/干熱處理化學(xué)交聯(lián)：膠原復(fù)合材料：8.5.1 天然蛋白質(zhì)類(lèi)材料明膠：組成：一級(jí)結(jié)構(gòu)：主鏈富含甘氨酸、脯氨酸和羥脯氨酸制備：

9、 堿法工藝/酶解工藝8.5.1 天然蛋白質(zhì)類(lèi)材料纖維蛋白來(lái)源：纖維蛋白原(一種血漿蛋白)凝血酶作用凝固而成纖維蛋白親水基團(tuán)更多，生理?xiàng)l件下溶解性好化學(xué)改性：放射性碘化法/甲基化/接枝/固定酶8.5.2 天然多糖類(lèi)材料甲殼素及其衍生物概述源自：蝦、蟹、昆蟲(chóng)、真菌和藻類(lèi)簡(jiǎn)史：1811年被發(fā)現(xiàn)1887年確立了基本結(jié)構(gòu)1977年召開(kāi)第一屆國(guó)際會(huì)議8.5.2 天然多糖類(lèi)材料甲殼素及其衍生物結(jié)構(gòu)8.5.2 天然多糖類(lèi)材料甲殼素及其衍生物理化性能甲殼素白色片狀或粉狀固體，常溫時(shí)穩(wěn)定氫鍵作用強(qiáng)，結(jié)晶度高，高度難溶，只溶于濃酸和某些溶劑8.5.2 天然多糖類(lèi)材料甲殼素及其衍生物理化性能殼聚糖白色片狀或粉狀固體，

10、常溫時(shí)穩(wěn)定可溶于稀酸、甲酸、乙酸，但也不溶于水和絕大多數(shù)有機(jī)溶劑性能更活潑，可通過(guò)氨基和羥基改性8.5.2 天然多糖類(lèi)材料甲殼素及其衍生物生物活性：殼聚糖一般只有很小的異物排斥反應(yīng)不引起慢性反應(yīng)，無(wú)大量纖維組織增生可加速移植物與正常組織融合8.5.2 天然多糖類(lèi)材料甲殼素及其衍生物降解：甲殼素溶菌酶作用下降解/糖蛋白形式吸收殼聚糖溶菌酶的催化水解速度隨脫乙?；潭仍龈叨档?.5.2 天然多糖類(lèi)材料甲殼素及其衍生物組織工程支架材料中的應(yīng)用：臨床可吸收縫線/人工皮膚/軟骨組織神經(jīng)修復(fù)8.5.2 天然多糖類(lèi)材料透明質(zhì)酸：概述透明質(zhì)酸：動(dòng)物、人體組織及細(xì)胞外基質(zhì)，眼玻璃體、房水、滑液、皮膚和臍帶中含

11、量較高透明質(zhì)酸鈉： 黏彈性外科/黏彈性物補(bǔ)充療法/黏彈性 分割/黏彈性保護(hù)/黏彈性充填8.5.2 天然多糖類(lèi)材料透明質(zhì)酸結(jié)構(gòu)8.5.2 天然多糖類(lèi)材料透明質(zhì)酸理化性能白色無(wú)定形固體，無(wú)臭無(wú)味溶于水，不溶于有機(jī)溶劑有極強(qiáng)的吸濕性，可吸收和保持其自身重量上千倍的8.5.2 天然多糖類(lèi)材料透明質(zhì)酸生物學(xué)特性理想的生理填充材料在組織生成、創(chuàng)傷愈合、腫瘤入侵好調(diào)節(jié)細(xì)胞功能等方面有諸多方面具有重要的生理作用降解：極易發(fā)生8.5.2 天然多糖類(lèi)材料透明質(zhì)酸改性：制不溶性凝膠和膜材料用二乙烯基砜作交聯(lián)用醛作交聯(lián)用多官能團(tuán)的環(huán)氧基作交聯(lián)8.5.2 天然多糖類(lèi)材料透明質(zhì)酸組織工程支架材料中的應(yīng)用：眼科手術(shù)關(guān)節(jié)病治

12、療組織修復(fù)8.5.3 天然無(wú)機(jī)物天然珊瑚概述主要成分：碳酸鈣具有類(lèi)似骨骼的多孔結(jié)構(gòu)種類(lèi)： 濱珊瑚/角孔珊瑚/角蜂巢珊瑚/葉狀珊瑚/石芝珊瑚/鹿角珊瑚8.5.3 天然無(wú)機(jī)物天然珊瑚組織工程中的應(yīng)用：骨組織水熱法將珊瑚制成羥基磷灰石珊瑚復(fù)合材料： 人骨形成蛋白與珊瑚復(fù)合8.6 合成組織支架材料聚乳酸、聚羥基乙酸及其共聚物聚酸酐聚羥基丁酸酯聚原酸酯聚膦腈其他合成材料8.6.1 聚乳酸、聚羥基乙酸 及其共聚物制備、結(jié)構(gòu)與性能制備直接縮聚法開(kāi)環(huán)縮聚法正離子聚合陰離子聚合配位聚合8.6.1 聚乳酸、聚羥基乙酸 及其共聚物制備、結(jié)構(gòu)與性能制備8.6.1 聚乳酸、聚羥基乙酸 及其共聚物制備、結(jié)構(gòu)與性能結(jié)構(gòu)與性

13、能手性結(jié)構(gòu)單體乳酸分子：左旋和右旋二聚體丙交酯：左旋/右旋/外消旋/內(nèi)消旋聚乳酸：左旋/右旋/外消旋/內(nèi)消旋8.6.1 聚乳酸、聚羥基乙酸 及其共聚物制備、結(jié)構(gòu)與性能結(jié)構(gòu)與性能性能PDLA和PLLA是兩種具有光學(xué)活性的有規(guī)立構(gòu)聚合物, 熔融或溶液中均可結(jié)晶、結(jié)晶度可達(dá)60 %左右PDLLA是無(wú)定形非晶態(tài)材料。8.6.1 聚乳酸、聚羥基乙酸 及其共聚物制備、結(jié)構(gòu)與性能結(jié)構(gòu)與性能性能力學(xué)性能：與結(jié)晶性有很大關(guān)系降解性能 ：本體降解(酶催化/自催化)降解速度的影響因素8.6.1 聚乳酸、聚羥基乙酸 及其共聚物改性研究主要問(wèn)題親水性不理想，不利于細(xì)胞黏附、生長(zhǎng)和分化分子鏈中缺乏活性基團(tuán)降解產(chǎn)物偏酸性，

14、可導(dǎo)致非特異無(wú)菌性炎癥反應(yīng)機(jī)械強(qiáng)度不足8.6.1 聚乳酸、聚羥基乙酸 及其共聚物改性研究提高材料的親水性和細(xì)胞黏附性物理方法：提高表面粗糙度/涂層化學(xué)方法：LA與GA、己內(nèi)酯等共聚采用親水性引發(fā)劑與功能單體共聚8.6.1 聚乳酸、聚羥基乙酸 及其共聚物改性研究提高材料的親水性和細(xì)胞黏附性物理方法：提高表面粗糙度/涂層化學(xué)方法：LA與GA、己內(nèi)酯等共聚采用親水性引發(fā)劑與功能單體共聚8.6.1 聚乳酸、聚羥基乙酸 及其共聚物改性研究降低無(wú)菌性炎癥反應(yīng)臨床約有8 %的反應(yīng)率原因：引起局部組織pH下降加入堿性物質(zhì)：碳酸鈣、碳酸鈉、碳酸氫鈣和羥基磷灰石等8.6.1 聚乳酸、聚羥基乙酸 及其共聚物改性研究

15、提高材料機(jī)械強(qiáng)度與羥基磷灰石等復(fù)合8.6.1 聚乳酸、聚羥基乙酸 及其共聚物多孔支架的構(gòu)建纖維網(wǎng)狀支架結(jié)構(gòu)聚羥基乙酸纖維是最早采用的支架材料優(yōu)點(diǎn)：比表面積大細(xì)胞黏附，養(yǎng)分?jǐn)U散缺點(diǎn)：穩(wěn)定性不夠，力學(xué)性能差改進(jìn)：纖維固定技術(shù)/涂層技術(shù)8.6.1 聚乳酸、聚羥基乙酸 及其共聚物多孔支架的構(gòu)建多孔泡沫支架結(jié)構(gòu)溶液澆鑄-粒子瀝濾技術(shù)氣體發(fā)泡技術(shù)相分離-乳化技術(shù)：熔融成形技術(shù)高分子微球聚集技術(shù)熱致凝膠化8.6.1 聚乳酸、聚羥基乙酸 及其共聚物多孔支架的構(gòu)建特定組織支架結(jié)構(gòu) 快速成形技術(shù)8.6.1 聚乳酸、聚羥基乙酸 及其共聚物多孔支架的構(gòu)建軟骨和骨組織肝肌腱皮膚管狀結(jié)構(gòu)8.6.2 聚酸酐概述：?jiǎn)误w通過(guò)雙酐鍵相連的高分子雙酐鍵不穩(wěn)定，可水解：脂肪族類(lèi)可在幾天內(nèi)水解芳香族類(lèi)要幾年才能水解良好的生物相容性和表面溶蝕性8.6.2 聚酸酐制備：直接縮聚法開(kāi)環(huán)縮聚法熔融縮聚溶液縮聚8.6.3 聚羥基丁酸酯概述：于1964年從細(xì)菌中分離而得，系生物合成高分子合成方法：細(xì)菌合成基因合成良好的生物相容性和可降解吸收性8.6.3 聚羥基丁酸酯改性：多聚賴(lài)氨酸對(duì)表面