骨组织工程生物支架材料
1)β-磷酸三钙骨支架
林柳兰等采用冷冻干燥技术制备的β-磷酸三钙骨支架具 有较高的纯度、高孔隙率、孔隙结构均匀、连通性好,但支 架的结构受浆料浓度与预冻温度影响,调整浆料浓度和预冻 温度可以制备多孔结构完整性好和连通性好的β-磷酸三钙骨 支架。
2)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;近年来有学者探讨微波烧结 墨鱼骨作为骨组织工程支架材料的可行性。
[1] 马新芳,张静莹.骨组织工程支架材料的研究现状与应用前景.大连大学医学部,2014. [2] 梁卫东,王宏伟,王志强.不同骨组织工程支架材料的生物安全性及性能.中国组织工程 研究与临床康复,2010. [3] 林柳兰,鞠少华,方明伦.基于快速成形和冷冻干燥技术制备β-磷酸三钙骨组织工程支架.中 国组织工程研究与临床康复,2009. [4] 李亚屏,李星,彭兆祥等.微波烧结墨鱼骨作为骨组织工程支架材料的体外研究.中医正骨 ,2010. [5] 郭羽,董岳峰,陈璋,等.羟基丁酸与羟基辛酸共聚体骨组织工程支架的初步研究.功能材料 ,2009. [6] García-García JM, Garrido L, Quijada-Garrido I, etal. Novel poly(hydroxyalkanoates)-based composites containing Bioglass and calcium sulfate for bone tissue engineering. Biomed Mater.2012. [7] Chen HX, Xie ZG. Demineralized bone matrix as a bone tissue engineering scaffold material. Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu. 2014.
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
作用
工程支架材
料
研究应用
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。
骨组织工程实施过程
Hale Waihona Puke 种子细胞支架材料新骨
支架材料降解
骨缺陷修复完成
2.2性能要求
生物相容性和表面活性 骨传导性和骨诱导性 合适的孔径和孔隙率 机械强度和可塑性
2.2性能要求
1)生物相容性和表面活性 有利于细胞的黏附,无毒,不致畸,不引起炎症反应, 为细胞的生长提供良好的微环境,能安全用于人体。 2)骨传导性和骨诱导性 具有良好骨传导性的材料可以更好地控制材料的降解速 度,具有良好骨诱导性的支架材料植入人体后有诱导骨髓间 充质干细胞向成骨细胞分化并促进其增殖的潜能。 3)可降解性 在组织形成过程中逐渐分解,并且速度与组织细胞的生 长速度相一致,降解时间应能调控。
②微波烧结处理:有效灭活异种骨抗原及可能携带的微生物,是异体 或异种骨成功移植的首要条件;而骨的抗原来自其有机质,微生物的生命本 质也是有机质。常规高温煅烧可完全去除墨鱼骨的有机质,从而达到有效 灭活异种骨抗原及可能携带的微生物的目的。
2)微波烧结墨鱼骨
③烧结墨鱼骨的多孔结构特性:合适的微观孔结构是骨移植替 代物及骨组织工程支架能否发挥最优成骨效能的关键。多孔骨组织 工程支架要求三维互通的微观孔结构以为细胞的转移、黏附和新骨 的内生提供足够的空间。
3)复合支架材料
羟基辛酸共聚体:由微生物合成的天然高分子聚酯材料多聚羟基烷酸能够作 为组织工程支架进行组织修复,多聚羟基烷酸的新产品羟基丁酸与羟基辛酸共聚 体具有良好的细胞相容性和生物可降解性,有望成为一种新型的骨组织工程支架 材料。
纳米羟基磷灰石:与胶原复合的骨组织工程支架材料羟基磷灰石和胶原由于 具有良好的生物相容性和可降解性,成为支架材料研究应用中重要的天然材料, 但各自有缺点而限制临床进一步的应用,若利用特殊的实验方法按照一定比例将 两种材料结合为复合材料,则有可能优化该两种材料的生物性能。
李亚屏等试图用微波烧结的方法去除全部有机质以消除 墨鱼骨抗原及可能携带的微生物,保留其高孔隙率的骨盐支 架作为骨组织工程支架材料及骨移植替代材料。结果表明, 烧结墨鱼骨有良好生物相容性,有利于人骨髓间充质干细胞 的黏附生长,并在一定程度上促进干细胞的成骨分化,具备 作为骨组织工程支架材料及骨移植替代材料的一些重要特性 。
骨基质: 又名骨质。是钙化的 细胞间质,是人体最大的Ca2+库。
有机部分: 由胶原纤维和基质 构成,后者主要包括糖蛋白和蛋白 多糖。有一定的弹性和韧性。
无机部分:富含钙、磷的中性 盐,主要为羟基磷灰石结晶 。很 坚硬。
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。
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。
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。
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。
骨组织工程——三要素
1)种子细胞 2)信号因子 3)支架材料
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,
细胞核椭圆形或扁圆形,胞
骨 祖
质少,弱嗜碱性。
细 胞
功能:分化为成骨细胞。
骨组织中的细胞
成骨细胞: 来源于骨祖细胞
形态:矮柱状或不规则形。核
圆形。胞质嗜碱性。
功能: 分泌未钙化的骨质,称
成 骨
类骨质,将自身包埋,变为骨细胞。
细
分泌多种细胞因子调节骨组织
2)微波烧结墨鱼骨
后续研究中,李亚屏等通过动物实验对墨鱼骨在动物体内的组织相 容性、降解特性和骨生物活性等进行了深入研究,以探讨烧结墨鱼骨作 为骨组织工程支架及骨移植替代材料的可行性。结果发现微波烧结后墨 鱼骨的有机质可被完全碳化,骨盐成分及适合发挥成骨效能的三维微孔 结构得以保存,体外细胞培养无毒性,人骨髓间充质干细胞可在其表面 细胞黏附生长,其浸提液可显著促进干细胞的成骨分化,表明微波烧结 的墨鱼骨具有作为骨组织工程支架的一些重要特性如无细胞毒性、良好 的生物相容性、良好的表面活性及适合发挥成骨效能的多孔骨盐结构等 ;利用微波技术可完全碳化墨鱼骨有机质,灭活抗原性及灭菌可同时进 行,因此,微波烧结的墨鱼骨具有作为骨组织工程支架的潜在可能性。
2)微波烧结墨鱼骨
讨论:
①结构:墨鱼骨大体观察为瓷白色,微波烧结后可见褐黄斑纹,质地、 脆性和硬度无明显变化,肉眼及放大镜下保持粗糙多孔状外观,纹理清晰。 扫描电镜下可见横向的平板结构,即为肉眼及放大镜下的清晰平行纹理。 横向板层结构之间有纵向S板层构成的规则的双向穹顶结构的孔道,双向 穹顶结构间可见小梁构成的桁架结构。
3)羟基丁酸与羟基辛酸共聚体
由微生物合成的天然高分子聚酯材料多聚羟基烷酸能够 作为组织工程支架进行组织修复,多聚羟基烷酸的新产品羟 基丁酸与羟基辛酸共聚体具有良好的细胞相容性和生物可降 解性,有望成为一种新型的骨组织工程支架材料。
3)羟基丁酸与羟基辛酸共聚体
郭羽等采用粒子滤出/冷冻干燥复合法制备了羟基丁酸与 羟基辛酸共聚体多孔支架,结果表明,羟基丁酸与羟基辛酸 共聚体多孔支架孔隙分布均匀,连通性好,孔隙率为50%90%时,抗压强度在1.7-6.2 MPa之间,12周体外降解率约 为20%,与其复合培养的小鼠成骨样细胞黏附率高,生长状 态良好。羟基丁酸与羟基辛酸共聚体支架孔隙分布均匀且相 互连通,无致孔剂残留,孔隙率和孔径大小均可以控制,证 明羟基丁酸与羟基辛酸共聚体具有良好的理化性能和细胞相 容性。
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基本定义 骨组织生物工程支架材料应用介绍
参考文献
1.基本定义
1.1骨(BONE) 由骨组织、骨膜、骨髓等构成的器 官。 可为适应机体受力的需要而进行更 新和改建。
骨组织的结构——四种细胞
骨祖细胞 成骨细胞 骨细胞 破骨细胞
骨组织的结构——一种基质
钙化的细胞间质: 又称骨基质
骨组织的结构
2.4医学应用研究
多聚羟基烷酸结构
2.4医学应用研究
1)蚕丝蛋白做骨钉
2.4医学应用研究
羟基磷灰石涂层骨替代材料与体内成骨实验
2.4医学应用研究
生物医用钛合金
2.4医学应用研究
2)静电纺丝法制备的纳米纤维支架
2.4医学应用研究
3)中科院科学家3D打印生物陶瓷支架可用于骨肿瘤治疗
参考文献
功能:溶解、吸 收骨组织,起破骨作 用。