生物材料組織工程學(xué)概述

生物材料組織工程學(xué)概述第一頁，共六十頁，2022年，8月28日1.組織工程的提出提出RobertLanger教授和麻省理工大學(xué)醫(yī)學(xué)院的臨床醫(yī)生JosephPVcanti正式提出組織工程的概念1987年，美國國家科學(xué)院基金會在加利福尼亞的LakeTahoe舉行的專家討論會上明確了組織工程的定義1984年華人學(xué)者馮元楨首次提出組織工程的概念1.提出第二頁，共六十頁，2022年，8月28日從機(jī)體內(nèi)獲得少量的活體組織將擴(kuò)增的細(xì)胞與具有良好生物相容性、可降解和可吸收的生物材料按一定比例混合，使其粘附在生物材料上形成細(xì)胞-材料復(fù)合物用特殊的酶將細(xì)胞（種子細(xì)胞）從組織中分離出來并在體外進(jìn)行培養(yǎng)擴(kuò)增將該復(fù)合物植入機(jī)體的組織或器官病損部位，隨著生物材料在體內(nèi)逐漸被降解和吸收，植入的細(xì)胞在體內(nèi)不斷增殖并分泌細(xì)胞外基質(zhì)，最終形成相應(yīng)的組織或器官2.定義：

運(yùn)用工程科學(xué)和生命科學(xué)的原理及方法，從根本上認(rèn)識正常和病理的哺乳動物組織和結(jié)構(gòu)功能的關(guān)系，并研究生物學(xué)的替代物，以恢復(fù)、維持和改進(jìn)組織的生物替代物。3.基本原理第三頁，共六十頁，2022年，8月28日組織工程研究的基本原理及方法：(1)、直接移植或體外器官制作的桿細(xì)胞培養(yǎng)(2)、研制生物相容性好，能為細(xì)胞生成、增殖提供三維空間的生物材料支架(3)、種植形成細(xì)胞-生物材料復(fù)合物，植入機(jī)體病損部位(4)、材料降解，細(xì)胞增殖，形成新的組織和器官第四頁，共六十頁，2022年，8月28日種子細(xì)胞＋可降解的生物材料＋細(xì)胞外基質(zhì)有生命的組織或器官修復(fù)缺損組織重建功能體外構(gòu)建植入體內(nèi)第五頁，共六十頁，2022年，8月28日2.組織工程的三要素假體支架種子細(xì)胞生長因子第六頁，共六十頁，2022年，8月28日1.種子細(xì)胞

種子細(xì)胞是組織工程研究的基礎(chǔ)，也是制約組織工程發(fā)展的瓶頸。

主要原因：

許多組織細(xì)胞（如軟骨細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞）的供體來源和擴(kuò)增能力均非常有限，無法通過取少量組織體外擴(kuò)增細(xì)胞來構(gòu)建大塊組織，很難實(shí)現(xiàn)“小損傷修復(fù)大缺損”的組織工程基本設(shè)想。

干細(xì)胞來源廣，增殖力強(qiáng)，又能定向誘導(dǎo)分化為多種目的細(xì)胞并形成相應(yīng)組織，因此，應(yīng)用干細(xì)胞能夠?qū)崿F(xiàn)“小損傷修復(fù)大缺損”的基本設(shè)想，這為解決組織工程種子細(xì)胞問題提供了良好機(jī)遇。第七頁，共六十頁，2022年，8月28日

種子細(xì)胞包括組織細(xì)胞和干細(xì)胞，組織細(xì)胞包括：

種子細(xì)胞來源

（1）病人的自體細(xì)胞；最佳的細(xì)胞來源是病人的自體細(xì)胞，將其進(jìn)行體外一定數(shù)量的擴(kuò)增后用于組織工程研究。由于自體細(xì)胞具有體內(nèi)移植后不引起免疫排斥反應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，因此受到研究人員的廣泛青睞，是目前組織工程研究中應(yīng)用最為廣泛的一種細(xì)胞來源。盡管如此，自體細(xì)胞作為種子細(xì)胞來源也存在明顯局限性，如自體細(xì)胞來源有限，在體外難以大量擴(kuò)增，并且存在去分化現(xiàn)象等。

（2）動物的異種細(xì)胞

第八頁，共六十頁，2022年，8月28日干細(xì)胞人胚胎干細(xì)胞和組織干細(xì)胞的研究進(jìn)展為從根本上解決制約組織工程的細(xì)胞問題提供了可能。到目前為止,將胚胎干細(xì)胞分化而來的定向細(xì)胞用于治療的實(shí)驗(yàn)已有報(bào)道,如將由胚胎干細(xì)胞衍化而來的少突神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞移植到骨髓鞘缺陷型(ｍｙｅｌｉｎ-ｄｅｆｉｃｉｅｎｔＭＤ)大鼠胚胎的大腦腦室中,這些細(xì)胞會廣泛分布,并形成髓鞘環(huán)繞在宿主的神經(jīng)軸突周圍。髓鞘缺陷型大鼠是人類遺傳性髓鞘疾病的模型,進(jìn)一步的工作便將衍化膠質(zhì)細(xì)胞移植至動物模型的骨髓,發(fā)現(xiàn)髓鞘生長良好。這些實(shí)驗(yàn)都為將來人類疾病的攻克奠定基礎(chǔ)。第九頁，共六十頁，2022年，8月28日干細(xì)胞按來源來分：（1）胚胎干細(xì)胞（embryonicstemcells，ES）

胚胎干細(xì)胞的分化和增殖構(gòu)成動物發(fā)育的基礎(chǔ)，即由單個(gè)受精卵發(fā)育成為具有各種組織器官的個(gè)體；

（2）成體干細(xì)胞（Adultstemcells

）成體干細(xì)胞的進(jìn)一步分化是成年動物體內(nèi)組織和器官修復(fù)再生的基礎(chǔ)。

第十頁，共六十頁，2022年，8月28日種子細(xì)胞的分離和培養(yǎng)第十一頁，共六十頁，2022年，8月28日為支架材料提供生命源泉、并能形成組織的功能細(xì)胞稱為種子細(xì)胞。依據(jù)其來源可分為自體、同種異體和異種細(xì)胞。自體細(xì)胞可由活檢或穿刺所得到的組織進(jìn)行分離培養(yǎng),獲得所需要的功能細(xì)胞;同種異體細(xì)胞主要來自胚胎、新生兒和成體組織;異種細(xì)胞主要來自于豬、牛等動物。其中干細(xì)胞研究最為突出。種子細(xì)胞的作用第十二頁，共六十頁，2022年，8月28日2.支架1）定義

能與組織活體細(xì)胞結(jié)合并能植入生物體的三維結(jié)構(gòu)體2）支架材料最基本的特征與活體細(xì)胞直接結(jié)合：羥基磷灰石（HAP）、聚乳酸（PLA）、聚羥基乙酸（PGA）網(wǎng)、尼龍網(wǎng)與生物系統(tǒng)結(jié)合：植入生物體的組織工程化軟骨、骨、肌腱、牙、肺、肝、腎等組織與機(jī)體的結(jié)合具備細(xì)胞相容性和組織相容性（統(tǒng)稱生物相容性）第十三頁，共六十頁，2022年，8月28日3）支架材料材料：鈣磷材料、多聚物（合成的和自然的）要求：微孔結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成、可降解、力學(xué)性能作用：在結(jié)構(gòu)上加強(qiáng)缺損部位的強(qiáng)度；阻礙周圍組織長入；作為體外接種的細(xì)胞在體內(nèi)擴(kuò)增和增殖的支架；利用與細(xì)胞整合素以及受體的相互作用，作為一種可溶的細(xì)胞功能調(diào)節(jié)因子；作為細(xì)胞、生長因子和基因的生物載體。第十四頁，共六十頁，2022年，8月28日細(xì)胞支架材料(多孔磷酸三鈣生物陶瓷材料)第十五頁，共六十頁，2022年，8月28日3.生長因子1）定義

在細(xì)胞間傳遞信息并對細(xì)胞生長具有調(diào)節(jié)功能的一些多肽類物質(zhì)，它可以促進(jìn)或者抑制細(xì)胞的增殖、分化、遷移和基因的表達(dá)。2）分類

按受體的結(jié)構(gòu)分類，成纖細(xì)胞生長因子（FGF）、表皮細(xì)胞生長因子（EGF）和肝細(xì)胞生長因子（HGF）等3）將生長因子用于組織工程技術(shù)中時(shí)，有兩種不同的方式：生長因子直接復(fù)合到支架上或者在支架構(gòu)建之后再與其符合；在支架上同時(shí)移植能分泌生長因子的細(xì)胞。第十六頁，共六十頁，2022年，8月28日3.組織工程研究方法1）研究的核心內(nèi)容：合適的種子細(xì)胞來源、可供細(xì)胞粘附生長的生物支架或細(xì)胞外基質(zhì)、用于促進(jìn)組織再生長因子和組織的相容性等問題。2）利用組織工程方法生成活體替代組織或器官?？墒褂萌N策略，可根據(jù)目標(biāo)組織或器官而定。細(xì)胞分離體外培養(yǎng)擴(kuò)增種植到多孔支架植入缺損部位生物活性肽多孔支架策略2策略1微結(jié)構(gòu)策略3生物過程第十七頁，共六十頁，2022年，8月28日4.組織工程相關(guān)生物材料組織工程相關(guān)的生物生物材料主要有兩種：天然的材料：膠原合成聚合物：開始于20世紀(jì)80年代中期優(yōu)點(diǎn)：1）生物相容性2）可復(fù)制性3）可生物降解4）通過與多聚物結(jié)構(gòu)一體化來連續(xù)地輸送營養(yǎng)和激素第十八頁，共六十頁，2022年，8月28日材料典型應(yīng)用聚二甲基硅氧烷，硅彈性體（PDMS）導(dǎo)尿管心臟瓣膜膜式氧合器、藥物釋放載體腦積水分流管乳房、陰莖和睪丸假體聚氨酯（PEU）導(dǎo)尿管心臟起搏器人工心臟和心室輔助裝置聚四氟乙烯（PTFE）心臟瓣膜人造血管面部植入物膜式氧合器腦積水分流管導(dǎo)尿管和縫合線表可用于組織工程的聚合物材料第十九頁，共六十頁，2022年，8月28日聚乙烯（PU）關(guān)節(jié)置換假體導(dǎo)尿管聚砜（PSu）心臟瓣膜陰莖假體聚甲基丙烯酸甲酯（pMMA）義齒人工晶狀體骨折固定用骨水泥聚甲基丙烯酸羥乙酯（pHEMA）導(dǎo)尿管角膜接觸鏡聚丙烯腈（PAN）透析膜聚酰胺透析膜縫合線聚丙烯（PP）縫合線血漿分離膜聚氯乙烯（PVC）血袋血漿分離膜第二十頁，共六十頁，2022年，8月28日乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）藥物釋放載體聚乳酸、聚羥基乙酸、聚乳酸-羥基乙酸（PLA、PGA、PLGA）縫合線藥物釋放載體縫合線藥物釋放載體聚苯乙烯（PS）組織培養(yǎng)瓶聚乙烯吡咯烷酮（PVP）血液代用品聚對苯二甲酸乙二酯（PET）人工心臟人造血管羥基磷灰石骨修復(fù)膠原人工皮膚第二十一頁，共六十頁，2022年，8月28日各種各樣的可生物降解材料已用作組織支架，包括陶瓷和多聚物。

陶瓷主要用于骨組織工程，再次運(yùn)用了羥基磷灰石多孔配方以承載來源于骨膜或骨髓的骨祖細(xì)胞。

多聚物支架的典型形式：纖維網(wǎng)、多孔海綿或泡沫、或是水合凝膠。在纖維網(wǎng)和泡沫中更常使用的多聚物包括線形聚酯，例如，聚乙酸（PGA）、聚乳酸（PLA）和聚已內(nèi)酯（PCL）；聚乙二醇（PEG）以及天然聚合物如膠原和透明質(zhì)酸（HA）。第二十二頁，共六十頁，2022年，8月28日組織工程的臨床應(yīng)用1、細(xì)胞移植2、損傷修復(fù)：3．成形外科的應(yīng)用：小耳畸形修復(fù)、面部重建、鼻造形、面部整容、氣管缺損修復(fù)。5.組織工程的應(yīng)用及展望第二十三頁，共六十頁，2022年，8月28日損傷修復(fù)第二十四頁，共六十頁，2022年，8月28日

組織工程的提出和建立雖然只有10多年的時(shí)間,但已在國際上得到迅猛發(fā)展。在美國,組織工程研究開展最早,進(jìn)展較快。在80年代,美國首先由國家科學(xué)基金組織資助建立了一系列組織工程實(shí)驗(yàn)室。1995年籌建組織工程學(xué)會,并出版了正式刊物“組織工程學(xué)”。美國集中了相當(dāng)數(shù)量的研究機(jī)構(gòu)(包括ＮＡＳＡ,ＤＯＥ,ＮＩＨ)、大學(xué)(包括ＭＩＴ,ＨＭＳ,ＧＩＴ,ＵＣＳＤ等)、公司(如Ｓａｎｄｏｚ,Ｏｒｇａｎｏｇｅｎｅｓｉｓ,ＡｄｖａｎｃｅｄＴｉｓｓｕｅ等)。發(fā)展---國外第二十五頁，共六十頁，2022年，8月28日在美國,目前已經(jīng)形成價(jià)值60億美元的產(chǎn)業(yè),并以每年25%的速度遞增。培育的骨骼、軟骨、血管、皮膚以及神經(jīng)組織正在進(jìn)行體內(nèi)實(shí)驗(yàn)。再造的肝臟、胰臟、乳房、心臟、手指、角膜等正在實(shí)驗(yàn)室里生長成形。其中一種名為Ａｐｌｉｇｒａｆ的組織工程化皮膚產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商品化,正式進(jìn)入臨床應(yīng)用。軟骨組織工程產(chǎn)品已進(jìn)入臨床實(shí)驗(yàn),在幾年內(nèi)就可應(yīng)用于臨床,臨時(shí)的助肝裝置正在進(jìn)行臨床實(shí)驗(yàn),組織工程化骨產(chǎn)品不久也將面世。德國、日本、加拿大、奧地利、瑞士和英國等也開展了與組織工程相關(guān)的研究工作。發(fā)展---國外第二十六頁，共六十頁，2022年，8月28日在我國,組織工程學(xué)研究雖然起步較晚,但近幾年國家對組織工程研究給予了高度重視,并逐步加大研究經(jīng)費(fèi)的投入,我國青年學(xué)者曹誼林博士在Ｖａｃａｎｔｉ的實(shí)驗(yàn)室中,于1996年在世界上第一個(gè)成功地在裸鼠身上培養(yǎng)制成了人形耳廓軟骨支架。目前,國內(nèi)已見到有關(guān)軟骨、肌腱、血管、皮膚和神經(jīng)等組織以及微囊化胰島細(xì)胞、肝細(xì)胞等研究報(bào)道。這些研究目前均處于實(shí)驗(yàn)研究階段,要形成產(chǎn)品用于臨床尚需時(shí)日。發(fā)展----國內(nèi)第二十七頁，共六十頁，2022年，8月28日5.組織工程的應(yīng)用及展望組織工程存在的問題：目前對組織工程化組織的科學(xué)本質(zhì)還缺乏深刻的認(rèn)識。對影響組織形成主要相關(guān)因素的作用機(jī)制缺乏深入的了解。具有復(fù)雜功能器官的構(gòu)建研究才剛剛起步。第二十八頁，共六十頁，2022年，8月28日組織工程化皮膚皮膚是人體最大的器官，其主要起屏障作用，以隔離外部環(huán)境，其重要功能包括體液平衡、體溫調(diào)節(jié)、免疫監(jiān)視和自我傷口愈合等。皮膚損傷主要是熱損傷，僅在美國每年大約就有250萬人燒傷，其他原因包括慢性潰瘍、創(chuàng)傷、皮膚腫瘤切除或其他皮膚疾病。傳統(tǒng)的修復(fù)方法有：自體植皮、同種異體植皮、異種植皮和人工合成代用品的應(yīng)用。但存在供區(qū)不足、免疫排斥及傳播疾病等缺點(diǎn)。第二十九頁，共六十頁，2022年，8月28日機(jī)能功能單元免疫監(jiān)視郎格罕氏細(xì)胞及其他細(xì)胞防止機(jī)械或電損傷膠原纖維、彈性纖維和角蛋白纖維維持身體各部分形狀膠原纖維調(diào)節(jié)體溫汗腺、血管自我傷口愈合炎癥細(xì)胞及相關(guān)組織細(xì)胞分泌排泄組織巨噬細(xì)胞合成生長因子、維生素等細(xì)胞表10-1皮膚的生理機(jī)能第三十頁，共六十頁，2022年，8月28日傷口修復(fù)是一個(gè)可溶性遞質(zhì)、血管成分形成、細(xì)胞外基質(zhì)和基質(zhì)細(xì)胞互相影響和協(xié)調(diào)的協(xié)同過程。傷口處理主要是盡快封閉傷口，形成功能性和具有一定美觀性的瘢痕。目前，一種生長因子和幾種皮膚替代物已經(jīng)投放市場，作為治療難愈性潰瘍的二線選擇。第三十一頁，共六十頁，2022年，8月28日創(chuàng)傷愈合過程組織對創(chuàng)面的即刻反應(yīng)是形成血凝塊，阻止進(jìn)一步出血；同時(shí)還會釋放一些炎癥細(xì)胞因子，這些細(xì)胞因子可以調(diào)節(jié)該區(qū)域的血流量，并吸引淋巴細(xì)胞和巨噬細(xì)胞來對抗感染；后期刺激血管形成和膠原沉積。創(chuàng)面愈合過程包括了很多組織因子和成分的相互作用。慢性創(chuàng)面愈合能力較差主要是由于因子之間的不平衡造成的，并不是缺乏任何一個(gè)特殊因子所致。表皮和真皮的反應(yīng)由真皮成纖維細(xì)胞和表皮的角質(zhì)形成細(xì)胞通過自分泌和旁分泌以及炎癥細(xì)胞因子來調(diào)控，這些因子調(diào)控著角質(zhì)和形成細(xì)胞的生長和分化、前炎癥反應(yīng)、血管增生和細(xì)胞外基質(zhì)的沉積。第三十二頁，共六十頁，2022年，8月28日組織工程皮膚組織工程皮膚:由活性細(xì)胞接種在支架材料上形成的組織工程化皮膚，有真皮層或同時(shí)具有真皮層和表皮層，因此是一種活性生物敷料。工程化皮膚結(jié)構(gòu)需要復(fù)制的關(guān)鍵特性有：①一種具有恰當(dāng)幫助真皮修復(fù)和支持表皮生長能力的真皮或者間質(zhì)成分；②一層具有容易使創(chuàng)面達(dá)到生物覆蓋能力表皮；③一層可以使屏障特性快速重建的表皮；④一個(gè)準(zhǔn)許免疫系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)和血管系統(tǒng)生長的環(huán)境；⑤一種能在結(jié)構(gòu)和附加功能（例如降低長期瘢痕形成和色素重建）方面正?；慕M織。第三十三頁，共六十頁，2022年，8月28日1.表皮替代物和支持基質(zhì)重建表皮的方法:細(xì)胞懸液→全層皮膚替代物。例如：聚硅氧烷膜、活的表皮角質(zhì)形成細(xì)胞1975年，Rheiwald和Green等以3T3細(xì)胞作為滋養(yǎng)層采用共培養(yǎng)的方法培養(yǎng)出人類表皮角朊細(xì)胞獲得成功。1981年，O’Connor等首次應(yīng)用CEA法在體外培養(yǎng)出適于移植的人自體表皮細(xì)胞膜片，表皮細(xì)胞膜片附著良好。盡管CEA技術(shù)是大面積燒傷治療的一大進(jìn)步，但單純CEA移植技術(shù)存在一些缺點(diǎn)：如耗時(shí)長；細(xì)胞膜片菲薄易碎，難以操作；移植到創(chuàng)面后，接受率低，極易造成移植物脫失；即使在上皮化后，新生表皮不耐摩擦，容易發(fā)生水泡，造成殘余創(chuàng)面。第三十四頁，共六十頁，2022年，8月28日2.真皮替代物和支架材料真皮替代物的研究是隨著CEA的發(fā)展而不斷引起人們的關(guān)注的。研究進(jìn)展：人尸體皮膚（發(fā)生免疫排斥反應(yīng)、引發(fā)潛在感染的可能、移植物的來源以及原料質(zhì)量的差異性）→去細(xì)胞的真皮乳頭層深（部真皮和更表淺得乳頭層真皮在結(jié)構(gòu)上存在不同）→較深層的網(wǎng)狀真皮組織工程已經(jīng)研究了通過使用支架和活細(xì)胞來引起肉芽組織形成的可能性。1980年，Yannas和Burke制成一種人工真皮替代物，網(wǎng)狀皮片的獲得率也提高到85%～95%。IntegraArtificialSkin、Biobrane、Dermagraft、Dermagraft-TC等人工真皮相繼產(chǎn)生。第三十五頁，共六十頁，2022年，8月28日3.復(fù)合人工皮膚

復(fù)合人工皮膚:用組織工程方法對所取小量皮膚組織進(jìn)行消化、分離、表皮細(xì)胞、成纖維細(xì)胞分別培養(yǎng)和擴(kuò)增、達(dá)到一定細(xì)胞數(shù)量后重組成全層皮膚組織（包括表皮層及結(jié)締組織）。組織工程皮膚包括兩種活的細(xì)胞成分：位于表層的表皮細(xì)胞和位于真皮層的成纖維細(xì)胞，不僅具有正常皮膚的部分功能，種植后不易變形，而且具有良好的修復(fù)皮膚創(chuàng)傷的作用。Apligraft(又稱作Graftskin)是第一種商品化的既含有表皮層又含有真皮層的組織工程化皮膚，這種由Organogenesis公司注冊生產(chǎn)的產(chǎn)品已在加拿大和美國獲準(zhǔn)用于臨床治療靜脈性潰瘍。第三十六頁，共六十頁，2022年，8月28日組織工程皮膚的臨床應(yīng)用組織工程皮膚是美國FDA批準(zhǔn)最早用于臨床的產(chǎn)品。第一代產(chǎn)品為單層上皮細(xì)胞移植，雖然愈合較快，但瘢痕較多，且易發(fā)生瘢痕攣縮。第二代產(chǎn)品則研制成功了真皮層，成為具有雙層結(jié)構(gòu)的新一代產(chǎn)品，其臨床效果也得到明顯改善。其代表產(chǎn)品有Dermagraft-TM，Dermagraft-TC和Apligraff（TM）。第三十七頁，共六十頁，2022年，8月28日我國伍津津教授領(lǐng)導(dǎo)的組織工程實(shí)驗(yàn)室于1992年開始人工皮膚研究，建立了毛囊器官型培養(yǎng)模型、活性皮膚替代物的培養(yǎng)模型及動物移植模型，研制出殼多糖的凝膠制備方法。夏照帆教授牽頭進(jìn)行“皮膚替代物的研制及臨床應(yīng)用”課題研究，他們所建立的體外構(gòu)建含表皮細(xì)胞層的活性復(fù)合皮，已經(jīng)通過動物實(shí)驗(yàn)，并成功在臨床上進(jìn)行了試用。臨床觀察結(jié)果顯示，所制備的真皮支架和復(fù)合皮可以促進(jìn)創(chuàng)面愈合，縮短愈合時(shí)間，減輕瘢痕增生，改善創(chuàng)面外觀。第三十八頁，共六十頁，2022年，8月28日展望用組織工程皮膚移植物作為常規(guī)手段治療皮膚創(chuàng)面已經(jīng)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，有著極其巨大的社會和商業(yè)價(jià)值以及廣闊的研究和臨床應(yīng)用前景。現(xiàn)有的幾種組織工程化皮膚雖然在治療燒傷及慢性潰瘍上取得了長足進(jìn)步，但對組織工程皮膚的研究著重于對表皮和真皮的研究，對毛囊和皮脂腺的研究相對較少。第三十九頁，共六十頁，2022年，8月28日骨組織工程在美國每年有100萬人接受相關(guān)治療?，F(xiàn)行的骨修復(fù)技術(shù)包括自體和異體骨移植技術(shù)，但由于數(shù)量和價(jià)格的限制，大多數(shù)人得不到應(yīng)有的治療。右表列出了美國骨移植的狀況。美國年骨折發(fā)生量/人6,200,000美國年骨移植量/人500,000自體移植量/人350,000異體移植量/人150,000平均移植費(fèi)用/$5,000總醫(yī)療費(fèi)用/$2,500,000,000第四十頁，共六十頁，2022年，8月28日骨組織的解剖生理學(xué)骨是一種結(jié)締組織，是由特殊的細(xì)胞和蛋白纖維混合于水，無機(jī)鹽和碳水化合物所形成的膠凍狀的基質(zhì)中而構(gòu)成。骨組織并不是完全僵硬不變的，骨在生長過程中和損傷以后，會不斷地分解和再建，重塑其形狀并使之勻稱。無機(jī)鹽約占骨組織質(zhì)量的65%；有機(jī)物約占35%，主要由骨膠原纖維和粘多糖蛋白組成，它使骨有韌性和一定的彈性；無機(jī)物主要有磷酸鈣和碳酸鈣。第四十一頁，共六十頁，2022年，8月28日骨主要由3部分構(gòu)成：骨膜骨質(zhì)骨髓右圖是長骨的結(jié)構(gòu)示意圖。松質(zhì)骨骨膜骨密質(zhì)骨髓第四十二頁，共六十頁，2022年，8月28日1）骨膜由致密結(jié)締組織構(gòu)成，含有豐富的血管、神經(jīng)、淋巴管和大量的成骨細(xì)胞。對骨有營養(yǎng)和保護(hù)作用，在骨損傷后修復(fù)和骨生長發(fā)育過程中也具有重要作用。2）松質(zhì)骨位于骨的深部，由許多骨小梁構(gòu)成。骨小梁呈針狀或不規(guī)則的細(xì)桿狀，均由若干層骨板平行排列而成。扁骨的板障、長骨骨骺的大部分和骨干內(nèi)表面的一小部分都是由松質(zhì)骨構(gòu)成。3）密質(zhì)骨分布于長骨骨干和骨骺的外側(cè)部分。由規(guī)則排列的骨板及分布于骨板內(nèi)、骨板間的骨細(xì)胞構(gòu)成。有以下4種骨板：①外環(huán)骨板：位于骨干表面；②內(nèi)環(huán)骨板：位于骨髓腔面；③骨單位：又稱哈佛系統(tǒng)，位于內(nèi)、外環(huán)骨板之間；④間骨板：位于骨單位之間。第四十三頁，共六十頁，2022年，8月28日骨細(xì)胞存在于骨板中或骨板間呈橢圓形的骨陷窩中，骨陷窩的結(jié)構(gòu)是扁的并沿著骨板層平行排列。成骨細(xì)胞在骨生長時(shí)蓋在新形成的骨基質(zhì)的表面，起到使骨基質(zhì)沉積的作用，而且可使有機(jī)磷化物分離出的磷酸根離子發(fā)生鈣化。其胞體較大，呈柱狀或橢圓形，分布在骨質(zhì)的表面。破骨細(xì)胞由多核巨細(xì)胞組成，直徑100μm，含有2～50個(gè)核，主要分布在骨質(zhì)表面、骨內(nèi)血管通道周圍。破骨細(xì)胞的數(shù)量較少，胞漿嗜堿性但隨著細(xì)胞的老化，漸變?yōu)槭人嵝?。第四十四頁，共六十頁?022年，8月28日圖為成骨細(xì)胞、骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞結(jié)構(gòu)模式圖第四十五頁，共六十頁，2022年，8月28日骨組織沒有再生能力，它的再生主要依據(jù)骨膜。當(dāng)骨受傷時(shí)，骨膜內(nèi)層細(xì)胞肉芽組織結(jié)締組織纖維軟骨松質(zhì)骨密質(zhì)骨第四十六頁，共六十頁，2022年，8月28日骨組織工程定義：一門應(yīng)用工程學(xué)和生命科學(xué)的原理和方法，以載體結(jié)合被分離細(xì)胞，并能在宿主體內(nèi)降解釋放細(xì)胞,形成新的有功能組織的科學(xué)?；痉椒ǎ喝∩倭孔泽w組織，在體外分離、培養(yǎng)細(xì)胞，將一定量的培養(yǎng)細(xì)胞種植到具有一定空間結(jié)構(gòu)的三維支架上，再將此細(xì)胞-支架復(fù)合物植入體內(nèi)或在體外繼續(xù)培養(yǎng)，通過細(xì)胞的生長繁殖、相互粘附、分泌細(xì)胞外基質(zhì)，形成具有一定結(jié)構(gòu)和功能的組織和器官。目前骨組織工程的研究主要包括：①種子細(xì)胞的體外培養(yǎng)；②細(xì)胞種植基質(zhì)材料的研究開發(fā)；③組織培養(yǎng)中各種因子的調(diào)控作用第四十七頁，共六十頁，2022年，8月28日1）種子細(xì)胞來源：皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、骨膜、骨髓、骨外組織以及胚胎干細(xì)胞。皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、骨膜來源的成骨細(xì)胞能表達(dá)成骨細(xì)胞表型且骨膜中含有較多的骨原細(xì)胞,而骨原細(xì)胞具有分化潛能，可以分化為成骨細(xì)胞。但它們的成骨細(xì)胞存在較多的缺陷,如取材困難、來源有限、擴(kuò)增能力有限及免疫排斥等。胚胎干細(xì)胞具有分化為三個(gè)胚層的能力，體外培養(yǎng)后可分化為腸上皮細(xì)胞(內(nèi)胚層)、軟骨、骨、平滑肌、橫紋肌(中胚層)及神經(jīng)細(xì)胞(外胚層)等,可以大量擴(kuò)增和定向誘導(dǎo)為具體干細(xì)胞，但是存在免疫排斥較強(qiáng)的缺陷。第四十八頁，共六十頁，2022年，8月28日2）細(xì)胞種植基質(zhì)作用：種子細(xì)胞提供了粘附、增殖、分化的空間結(jié)構(gòu)和生長模板引導(dǎo)組織再生,控制組織或器官的性狀。分類方法：以結(jié)構(gòu)分：封閉式和開放式;以形態(tài)分：纖維狀、海綿狀、凝膠狀等；以來源分：天然生物材料和人工合成生物材料。天然生物材料主要有膠原、脫鈣骨基質(zhì)及經(jīng)物理化學(xué)高溫處理的動物骨、纖維蛋白、硫酸軟骨素、殼聚糖、藻酸鹽幾丁質(zhì)等。人工合成生物材料可以分為人工合成無機(jī)材料和人工合成可降解有機(jī)高分子材料。第四十九頁，共六十頁，2022年，8月28日理想的支架材料具有的特征：三維多孔的連接網(wǎng)絡(luò)，有利于細(xì)胞生長、養(yǎng)分傳輸和代謝產(chǎn)物的排放；生物相容性和可降解性好，降解速度和吸收速度可以調(diào)控，以適應(yīng)細(xì)胞或組織在體內(nèi)體外的生長；化學(xué)表面適合細(xì)胞的粘附、增殖和分化；機(jī)械性能與所植入組織的要求相匹配。仿生學(xué)材料就是近年發(fā)展的趨勢，RGD序列或基因與支架整合后可提高細(xì)胞的粘附與增生。第五十頁，共六十頁，2022年，8月28日3）生長因子作用：具有誘導(dǎo)和刺激細(xì)胞增殖，維持細(xì)胞存活等生物效應(yīng)的蛋白類物質(zhì)；促進(jìn)細(xì)胞增殖，組織或血管的修復(fù)和再生。在骨創(chuàng)傷早期，生長因子主要啟動成骨細(xì)胞活性，促進(jìn)成骨，后期作用逐漸減弱，但也參與骨的生長調(diào)節(jié)。髓基質(zhì)中含有多種生長因子：骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)、轉(zhuǎn)化生長因子β、酸性成纖維生長因子、類胰島素生長因子Ⅰ和Ⅱ、血管內(nèi)皮細(xì)胞生長因子、腫瘤壞死因子和白細(xì)胞介素-1等。第五十一頁，共六十頁，2022年，8月28日BMP由Urist于1965年發(fā)現(xiàn)并提出，是目前已知最有效的促骨生長因子.能誘導(dǎo)間充質(zhì)細(xì)胞分化為成骨細(xì)胞和骨細(xì)胞，促進(jìn)鈣化作用，產(chǎn)生鈣化的骨基質(zhì).它有很多種克隆，其中以BMP-2誘導(dǎo)骨化活性最強(qiáng)。許多學(xué)者利用基因工程將生長因子基因轉(zhuǎn)入骨髓基質(zhì)細(xì)胞，使細(xì)胞增殖同時(shí)表達(dá)定向分化所需要生長因子，通過自體分泌的方法來調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖和分化。第五十二頁，共六十頁，2022年，8月28日4）組織工程化骨在早期的骨組織工程研究中，一系列的研究都是圍繞讓細(xì)胞錨著的基本特征。例如：當(dāng)有些細(xì)胞在傳統(tǒng)培養(yǎng)條件下培養(yǎng)時(shí)，比如在塑料或膠原包被的培養(yǎng)皿中，基因轉(zhuǎn)錄被抑制，細(xì)胞特異mRNA減少，而結(jié)構(gòu)相關(guān)基因的mRNA成倍增加。與之對照，當(dāng)在富含黏連蛋白和IV型膠原的細(xì)胞外基質(zhì)上培養(yǎng)時(shí)，有些類型的細(xì)胞表現(xiàn)出更長的壽命并保持?jǐn)?shù)種細(xì)胞的特異功能。第五十三頁，共六十頁，2022年，8月28日目前，用組織工程骨修復(fù)骨缺損的研究，已從取材、體外培養(yǎng)、細(xì)胞到支架材料復(fù)合體形成等都得到了成功。例如：用自體骨髓、珊瑚和rhBMP-2復(fù)合物修復(fù)兔下頜骨缺損，結(jié)果表明：術(shù)后3個(gè)月，單獨(dú)珊瑚組及空白對照組缺損未完全修復(fù)；珊瑚-骨髓組和珊瑚-rhBM