骨組織工程多孔支

1、骨組織工程多孔支架材料性質(zhì)及制備 班級 ：生物醫(yī)學(xué)工程 姓名 ：徐正江n組織工程支架材料組織工程支架材料n列舉一種骨支架設(shè)計與制備技術(shù)列舉一種骨支架設(shè)計與制備技術(shù)n結(jié)論結(jié)論主要內(nèi)容scaffold 種子細胞、可降解的支架材料以及細胞生長調(diào)節(jié)因種子細胞、可降解的支架材料以及細胞生長調(diào)節(jié)因子子并稱為組織工程的三大基本要素。并稱為組織工程的三大基本要素。組織工程學(xué)的核心是組織工程學(xué)的核心是構(gòu)建細胞與生物材料的三維空間復(fù)合體構(gòu)建細胞與生物材料的三維空間復(fù)合體。為了使細胞增殖和分化，需要提供一個由生為了使細胞增殖和分化，需要提供一個由生物材料所構(gòu)成的細胞支架，支架材料相當(dāng)于物材料所構(gòu)成的細胞支架，支架材

2、料相當(dāng)于人工細胞外基質(zhì)。人工細胞外基質(zhì)。細胞支架應(yīng)具有良好的生細胞支架應(yīng)具有良好的生物相容性和細胞親和性，具有一定的機械強物相容性和細胞親和性，具有一定的機械強度和生物降解吸收速度及特定的三維多孔結(jié)度和生物降解吸收速度及特定的三維多孔結(jié)構(gòu)和可塑性構(gòu)和可塑性，只有這樣才能使細胞在支架中，只有這樣才能使細胞在支架中獲取營養(yǎng)、進行氣體交換和排出代謝廢物，獲取營養(yǎng)、進行氣體交換和排出代謝廢物，滿足細胞正常的新陳代謝，構(gòu)建出新的組織滿足細胞正常的新陳代謝，構(gòu)建出新的組織器官。器官。組織工程學(xué)所需的理想支架材料需組織工程學(xué)所需的理想支架材料需要要滿足以下要求滿足以下要求:1）良好的生物相容性良好的生物相容

3、性使細胞可黏附和增殖，無明顯的細胞毒性、使細胞可黏附和增殖，無明顯的細胞毒性、炎癥反應(yīng)和免疫排斥，不會因鄰近組織的排異反應(yīng)而影響新組織炎癥反應(yīng)和免疫排斥，不會因鄰近組織的排異反應(yīng)而影響新組織的功能；的功能；2）可降解性及合適的降解速率可降解性及合適的降解速率，當(dāng)移植的細胞或組織在受體內(nèi)，當(dāng)移植的細胞或組織在受體內(nèi)存活時，支架材料可自行降解，降解吸收速率能與細胞、組織存活時，支架材料可自行降解，降解吸收速率能與細胞、組織生長速率相匹配；生長速率相匹配；3）合適的孔尺寸、高的孔隙率合適的孔尺寸、高的孔隙率和相連通的孔形態(tài)，以利于大量細和相連通的孔形態(tài)，以利于大量細胞的種植、細胞和組織的生長、細胞外

4、基質(zhì)的形成、氧氣和營養(yǎng)胞的種植、細胞和組織的生長、細胞外基質(zhì)的形成、氧氣和營養(yǎng)的傳輸、代謝物的排泄以及血管和神經(jīng)的內(nèi)長入；的傳輸、代謝物的排泄以及血管和神經(jīng)的內(nèi)長入；4）高的表面積、合適的表面理化性質(zhì)高的表面積、合適的表面理化性質(zhì)和良好的細胞界面和良好的細胞界面關(guān)系，以利于細胞黏附、增殖、分化以及負載生長因子等關(guān)系，以利于細胞黏附、增殖、分化以及負載生長因子等生物信號分子；生物信號分子；5）與植入部位組織的力學(xué)性能相匹配的結(jié)構(gòu)強度與植入部位組織的力學(xué)性能相匹配的結(jié)構(gòu)強度，以，以在體內(nèi)生物力學(xué)微環(huán)境中保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和完整性，并在體內(nèi)生物力學(xué)微環(huán)境中保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和完整性，并為植入細胞提高合適的微

5、應(yīng)力環(huán)境為植入細胞提高合適的微應(yīng)力環(huán)境6）便于加工便于加工成理想的二維或三維結(jié)構(gòu)，可以獲得所需成理想的二維或三維結(jié)構(gòu)，可以獲得所需的組織或器官形狀，易于重復(fù)制作，而且移植到體內(nèi)后的組織或器官形狀，易于重復(fù)制作，而且移植到體內(nèi)后能保持原有形狀。能保持原有形狀。 組織工程支架材料主要包括：組織工程支架材料主要包括：n（1）天然可降解高分子材料天然可降解高分子材料。如膠原（。如膠原（collagen），），其本身就是天然骨的組織成分。殼聚糖（其本身就是天然骨的組織成分。殼聚糖（chitosan），），是甲殼素的衍生物。還有明膠、瓊脂、葡聚糖、透明質(zhì)是甲殼素的衍生物。還有明膠、瓊脂、葡聚糖、透明質(zhì)酸。

6、降解產(chǎn)物易被機體吸收，但強度和加工性能較差，酸。降解產(chǎn)物易被機體吸收，但強度和加工性能較差，降解速度無法調(diào)節(jié)。降解速度無法調(diào)節(jié)。n（2）天然可降解無機材料天然可降解無機材料。例如珊瑚是天然動物的骨。例如珊瑚是天然動物的骨骼，其中骼，其中99是磷酸鈣。再如，珊瑚羥基磷灰石是磷酸鈣。再如，珊瑚羥基磷灰石（CHA）。它們都具有天然珊瑚的多孔結(jié)構(gòu)，有較好）。它們都具有天然珊瑚的多孔結(jié)構(gòu)，有較好的孔隙率。能和靶細胞很好的黏附，而不影響增殖、分的孔隙率。能和靶細胞很好的黏附，而不影響增殖、分化、成骨。但加工困難?；⒊晒?。但加工困難。（3）合成可降解高分子材料合成可降解高分子材料。常用的可降解合成高分子材

7、。常用的可降解合成高分子材料有聚乳酸料有聚乳酸poly（lactic acid）,PLA,聚乙醇酸聚乙醇酸poly(glycolic acid),PGA,聚己內(nèi)酯聚己內(nèi)酯(polycaprolactam, PCL)等。這類材料的降解產(chǎn)物可在體內(nèi)代謝排除，對機體等。這類材料的降解產(chǎn)物可在體內(nèi)代謝排除，對機體無害，可塑性較好。無害，可塑性較好。（4）合成可降解無機材料合成可降解無機材料。常用的主要有磷酸鈣水泥。常用的主要有磷酸鈣水泥(calcium phosphate cement,CPC)，羥基磷灰石，羥基磷灰石(hydroxyapatite,HA),磷酸三鈣磷酸三鈣( tricalcium p

8、hosphate, TCP),生物活性陶瓷如生物活性玻璃陶瓷生物活性陶瓷如生物活性玻璃陶瓷( biological activity ceramic glass,BCG),細胞外基質(zhì)陶瓷類材料等。細胞外基質(zhì)陶瓷類材料等。（5）復(fù)合材料復(fù)合材料。如。如:聚乳酸羥基磷灰聚乳酸羥基磷灰淫羊藿淫羊藿/PHBV/PHBV復(fù)合支架（復(fù)合支架（ IDPPSs ）的）的制備制備PHBV即新型生物高分子即新型生物高分子3-羥基丁酸羥基丁酸-co-3-羥基戊酸共聚物，分羥基戊酸共聚物，分子式如下：子式如下：以以PHBV為基體，以淀粉等各類無機物纖維素纖維為增強為基體，以淀粉等各類無機物纖維素纖維為增強體體或填充物

9、，或填充物，可以制得性能各異的生物可降解的復(fù)合材料可以制得性能各異的生物可降解的復(fù)合材料，以，以滿足不同場合的使用要求。在骨折手術(shù)中，滿足不同場合的使用要求。在骨折手術(shù)中，它可以充當(dāng)骨骼它可以充當(dāng)骨骼間的承托物。隨著骨骼的愈合，它也會逐漸自行分解間的承托物。隨著骨骼的愈合，它也會逐漸自行分解。 淫羊藿草淫羊藿草（淫羊藿）是常用于治療骨質(zhì)疏松癥的中國傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)（中醫(yī)）物，（淫羊藿）是常用于治療骨質(zhì)疏松癥的中國傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)（中醫(yī)）物，長期以來淫羊藿就是臨床重要的長期以來淫羊藿就是臨床重要的強腎壯骨強腎壯骨中藥之一，現(xiàn)代研究已證實淫羊藿中藥之一，現(xiàn)代研究已證實淫羊藿生物活性物質(zhì)具有促進成骨細胞增殖分化生物

10、活性物質(zhì)具有促進成骨細胞增殖分化的作用的作用 制備淫羊藿制備淫羊藿/PHBV/PHBV復(fù)合支架復(fù)合支架 實驗材料實驗材料：聚（聚（ 3 - 羥基丁酸酯羥基丁酸酯 - 共共-3 - 羥基戊酸酯羥基戊酸酯） （ PHBV ）從天安生物材料有限公司購買；）從天安生物材料有限公司購買；淫羊藿苷淫羊藿苷（純度（純度 98 ） ，分離出中藥，分離出中藥淫羊藿藥材，南京澤朗醫(yī)藥公司購買。淫羊藿藥材，南京澤朗醫(yī)藥公司購買。實驗步驟實驗步驟本實驗采用溶劑澆鑄和鹽浸技術(shù)相結(jié)合制備淫羊藿本實驗采用溶劑澆鑄和鹽浸技術(shù)相結(jié)合制備淫羊藿/PHBV 多孔支架多孔支架n1. 將淫羊藿溶解于將淫羊藿溶解于DMSP(二甲基亞砜二

11、甲基亞砜)中分別制中分別制0 mg/ml, 12.5 mg/ml, 17.5 mg/ml, 25 mg/ml and 50 mg/ml淫羊藿溶液淫羊藿溶液 2.將將 2.5g篩分的氯化鈉（篩分的氯化鈉（NaCl，200-300微米，達茂旗化學(xué)試劑，微米，達茂旗化學(xué)試劑，中國）與中國）與0.25gPHBV混合均勻混合均勻 3.分別將分別將10ul淫羊藿溶液（淫羊藿溶液（ 0 mg/ml, 12.5 mg/ml, 17.5 mg/ml, 25 mg/ml and 50 mg/ml）和）和PHBV/NaCl混合置于混合置于65C 1ml 氯仿溶氯仿溶液中制得含有淫羊藿質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為液中制得含有淫羊藿質(zhì)

12、量百分?jǐn)?shù)為0%, 0.05%, 0.07%, 0.1% and 0.2%的溶液的溶液,然后將溶劑在室溫下逐漸蒸發(fā)超過然后將溶劑在室溫下逐漸蒸發(fā)超過24小時小時 . 5. 將固體標(biāo)本在置于雙蒸水燒杯中沉浸三天，并輕輕攪拌將固體標(biāo)本在置于雙蒸水燒杯中沉浸三天，并輕輕攪拌。在此期間，每。在此期間，每6小時換一次雙蒸水，直到無氯離子。將制備的支架干小時換一次雙蒸水，直到無氯離子。將制備的支架干燥燥24小時，然后將其存儲以供進一步使用。小時，然后將其存儲以供進一步使用。 6. MG-63和和MC3T3-E1細胞株均購自上海科學(xué)研究所，中國科學(xué)院細胞細胞株均購自上?？茖W(xué)研究所，中國科學(xué)院細胞資源中心生物科

13、學(xué)資源中心生物科學(xué),將其先進行原代培養(yǎng)，然后將其傳代培養(yǎng)接種到不同將其先進行原代培養(yǎng)，然后將其傳代培養(yǎng)接種到不同的支架材料上（如下圖）的支架材料上（如下圖）Cell proliferation rates as measured by Alamar blue assay on porous PHBV scaffolds containing different concentrations of icariin (wt/wt): 0% and 0.1% respectively. NC represents the cells did not contact with scaffolds, a

14、nd C represents the cells did contact with scaffolds. (Error bars represent mean SD, n = 6. Students t-test was used to compare the data from the experimental and control group. : p b 0.05, : p b 0.01, : p b 0.001).實驗結(jié)果表明：細胞在含有實驗結(jié)果表明：細胞在含有0.1%淫羊藿淫羊藿/PHBV復(fù)合支架復(fù)合支架上增值分化速率最快上增值分化速率最快檢測與表征檢測與表征為了研究是否為了研究

15、是否MG-63細胞增殖是由淫羊藿苷誘導(dǎo)生長因子的轉(zhuǎn)錄改變細胞增殖是由淫羊藿苷誘導(dǎo)生長因子的轉(zhuǎn)錄改變基因或基因編碼細胞外基質(zhì)蛋白引起的，所以對基因或基因編碼細胞外基質(zhì)蛋白引起的，所以對mRNA水平的一系列水平的一系列基因進行基因進行RT-PCR分析分析 n研究結(jié)果表明研究結(jié)果表明: 在在IDPPS培養(yǎng)的培養(yǎng)的MG-63細胞，與細胞，與PHBV膜和多孔膜和多孔PHBV支架培養(yǎng)的支架培養(yǎng)的MG-63細胞相比細胞相比BMP2，BMP6和和BMP7 mRNA三三個個骨生長因子基因表達水平升高骨生長因子基因表達水平升高的。雖然的。雖然TGF-1對骨形成的作用仍對骨形成的作用仍然是難以捉摸的，據(jù)報道說，由于然是難以捉摸的，據(jù)報道說，由于IDPPS引起的低水平的引起的低水平的TGF-1是是有利于成骨細胞的增殖。綜上所述，有利于成骨細胞的增殖。綜上所述，IDPPS 通過刺激關(guān)鍵通過刺激關(guān)鍵BMP基因基因和和ECM基因，如基因，如BMP2，BMP6，BMP7 ，BGN，促進細胞增殖。，促進細胞增殖。此外，此外，3-D結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的IDPPSs抑制抑制TGF-1和和Col-I，這可以確保成骨細胞，這可以確保成骨細胞維持快速增長。維持快速增長。 結(jié)論結(jié)論n mg63細胞和細胞和MC3T3-E1細胞在細胞在IDPPS