生物材料学-组织工程支架材料.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,123,第三级,第四级,第五级,*,*,第八章 组织工程支架材料,8.1,概论,8.2,组织工程化组织简介,8.3,组织工程支架材料的基本要求,8.4,生物降解材料基础,8.5,天然组织支架材料,8.6,合成组织支架材料,8.1,概论,相关背景,基本概念,深远意义,组织工程四要素,8.1.1,相关背景,自体移植：,添新伤补旧伤,异体移植：,排斥,/,供给不足,异种移植：,排斥,人工器官：,排斥,/,功能不足,8.1.2,基本概念,组织工程学：,细胞生物学,+,工程学生物活体组织修复或,重建组织器官的结构与功能,组织工程的基本方法：,体外培养高浓度组织细胞,扩增人工细胞,基质,(,三维的支架材料,),生长，分化生物,活体组织,8.1.3,深远意义,新兴学科，带来一场医学革命：,多学科交叉，促进众多学科的交叉、渗透,和发展：,支撑学科：生物材料,/,细胞生物学,/,分子生物学,/,生物力学,其他学科：信息,/,工程,/,机械,/,电子,/,物理,/,化学,潜力巨大的高新产业：,8.1.4,组织工程四要素,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,支架材料,概念：,能与组织活体细胞结台并能植入生物体的材料,功能：,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,生长因子,概念：,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。,应用方式：,生长因子,+,支架材料复合体,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,组织构建,路线一：,功能细胞,+,支架材料体外培养成熟生物组织植入体内,路线二：,功能细胞,+,支架材料体外短期培养植入体内，逐渐发育成形,8.2,组织工程化组织简介,软骨组织工程,骨组织工程,皮肤组织工程,韧带组织工程,肌腱组织工程,神经组织工程,其他组织工程,8.2.1,软骨组织工程,软骨组织的特点,基本结构简单，只有软骨细胞，无血管、,和淋巴组织等,软骨组织的现状,可用的支架材料多，成果丰富,8.2.2,骨组织工程,对支架材料的要求：,既要有一定的强度，有要有一定的韧性,支架材料的热点：,陶瓷材料：,成骨细胞与支架材料的三维培养：,材料的理化性能,/,表面微结构及微环境,/,新技术,8.2.3,皮肤组织工程,人工表皮,:,人工真皮：,人工复合,8.2.4,韧带组织工程,典型的支架材料体系：,聚羟基乙酸,-,涤纶复合物：,碳素纤维,-,聚乳酸复合物：,新型支架材料体系：,蚕丝纤维,8.2.5,肌腱组织工程,亚硝酸和戊二醛交联异体胶原纤维：,胶原和黏多糖的交联：,难点：手指腱损伤的修补,8.2.6,神经组织工程,神经组织的类型、结构和功能：,中枢神经系统,/,周围神经系统,神经元,/,神经胶质细胞,神经组织工程的关键问题：,雪旺细胞的长期存活,8.2.7,其他组织工程,肝组织工程：,肾组织工程：,角膜组织工程：,胰腺组织工程：,8.3,工程支架材料的基本要求,良好的生物相容性,良好的生物机械性能,合适的生物降解性,良好的可塑性,可行的灭菌、消毒方法,8.3.1,良好的生物相容性,材料组成无毒，化学结构稳定,降解产物安全,良好的血液相容性,8.3.2,良好的生物机械性能,为体外接种细胞提供扩增和增殖场所,阻碍周围组织的生长,机械性能要与周围组织匹配,8.3.3,合适的生物降解性,降解产物无毒,降解速率可调,降级过程中，材料与组织有较好的亲和性,8.3.4,良好的可塑性,高孔隙率：,一般,90%,结构形状复杂,8.3.5,可行的灭菌、消毒方法,灭菌、消毒不可少,材料的结构和性能能够经受彻底灭菌过程的考验,8.4,生物降解材料基础,降解的基本概念与类型,降解机制与过程,降解与吸收的研究方法,生物降解材料的安全评价,8.4.1,降解的基本概念与类型,基本概念：,降解：,分子量变小的化学过程,生物降解：,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。,8.4.1,降解的基本概念与类型,按降解机制分：,生物降解,/,物理降解,/,化学降解,/,机械降解,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,降解机制与过程,热降解：,解聚：链增长的逆反应,无规断链：受热后，分子量迅速下降,取代基的脱除：,机械降解：,外力作用引起的降解,8.4.2,降解机制与过程,氧化降解：,光解和光氧化：,前提：光能,化学键的离解能,有氧时，可按氧化机制降解，即光降解,8.4.2,降解机制与过程,化学降解：,多指水解反应，即遇水发生水解反应,生物降解：,酶等作用下，发生的水解,8.4.3,降解与吸收的研究方法,评价方法,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,植入动物体内特定部位评价,降解机制的研究,物理因素的影响,化学因素的影响,生物因素的影响,8.4.3,降解与吸收的研究方法,材料在体内吸收和排泄研究,组织和细胞生物学方法,直观方法：光镜或电镜观察,动力学方法：同位素标记,8.4.3,降解与吸收的研究方法,降解速率的调控,亲水性,比表面积和多孔结构,加工过程,8.4.4,生物降解材料的安全评价,非植入性材料和制品,化学性能,/,物理性能,/,生物学性能,植入性材料和制品,组织学观察,/,致突实验,/,生物学老化实验,血液接触性材料和制品,体内外血液相容性实验,降解和吸收过程,8.5,天然组织支架材料,天然蛋白质类材料,天然多糖类材料,天然无机物,8.5.1,天然蛋白质类材料,胶原：,组成：,一级结构：每链,1050,个氨基酸，富含脯氨酸,和羟脯氨酸,二级结构：,-,螺旋结构,高级结构：三条肽链螺旋缠绕成,1,个胶原分子,8.5.1,天然蛋白质类材料,胶原：,生理作用：,结构蛋白：在人体，约占蛋白质总量的,1/3,主要功能是组织的支持物,其他功能：,生物的生长、发育,/,细胞的分化和黏附,/,抗原抗,体结合反应,8.5.1,天然蛋白质类材料,胶原：,改性：,物理交联：高能辐射,/,紫外辐射,/,干热处理,化学交联：,胶原复合材料：,8.5.1,天然蛋白质类材料,胶原：,组织工程中的应用：,物理交联：高能辐射,/,紫外辐射,/,干热处理,化学交联：,胶原复合材料：,8.5.1,天然蛋白质类材料,明胶：,组成：,一级结构：主链富含甘氨酸、脯氨酸和羟脯,氨酸,制备：,碱法工艺,/,酶解工艺,8.5.1,天然蛋白质类材料,纤维蛋白,来源：,纤维蛋白原,(,一种血浆蛋白,),凝血酶作用凝,固而成,纤维蛋白亲水基团更多，生理条件下溶解性好,化学改性：,放射性碘化法,/,甲基化,/,接枝,/,固定酶,8.5.2,天然多糖类材料,甲壳素及其衍生物,概述,源自：虾、蟹、昆虫、真菌和藻类,简史：,1811,年被发现,1887,年确立了基本结构,1977,年召开第一届国际会议,8.5.2,天然多糖类材料,甲壳素及其衍生物,结构,8.5.2,天然多糖类材料,甲壳素及其衍生物,理化性能,甲壳素,白色片状或粉状固体，常温时稳定,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,甲壳素及其衍生物,理化性能,壳聚糖,白色片状或粉状固体，常温时稳定,可溶于稀酸、甲酸、乙酸，但也不溶于水和绝大多数有机溶剂,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,甲壳素及其衍生物,生物活性：,壳聚糖,一般只有很小的异物排斥反应,不引起慢性反应，无大量纤维组织增生,可加速移植物与正常组织融合,8.5.2,天然多糖类材料,甲壳素及其衍生物,降解：,甲壳素,溶菌酶作用下降解,/,糖蛋白形式吸收,壳聚糖,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,甲壳素及其衍生物,组织工程支架材料中的应用：,临床,可吸收缝线,/,人工皮肤,/,软骨组织,神经修复,8.5.2,天然多糖类材料,透明质酸：,概述,透明质酸：动物、人体组织及细胞外基质，眼玻璃体、房水、滑液、皮肤和脐带中含量较高,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,透明质酸,结构,8.5.2,天然多糖类材料,透明质酸,理化性能,白色无定形固体，无臭无味,溶于水，不溶于有机溶剂,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,透明质酸,生物学特性,理想的生理填充材料,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,降解：极易发生,8.5.2,天然多糖类材料,透明质酸,改性：制不溶性凝胶和膜材料,用二乙烯基砜作交联,用醛作交联,用多官能团的环氧基作交联,8.5.2,天然多糖类材料,透明质酸,组织工程支架材料中的应用：,眼科手术,关节病治疗,组织修复,8.5.3,天然无机物,天然珊瑚,概述,主要成分：碳酸钙,具有类似骨骼的多孔结构,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,天然珊瑚,组织工程中的应用：骨组织,水热法将珊瑚制成羟基磷灰石,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,聚乳酸、聚羟基乙酸及其共聚物,聚酸酐,聚羟基丁酸酯,聚原酸酯,聚膦腈,其他合成材料,8.6.1,聚乳酸、聚羟基乙酸,及其共聚物,制备、结构与性能,制备,直接缩聚法,开环缩聚法,正离子聚合,阴离子聚合,配位聚合,8.6.1,聚乳酸、聚羟基乙酸,及其共聚物,制备、结构与性能,制备,8.6.1,聚乳酸、聚羟基乙酸,及其共聚物,制备、结构与性能,结构与性能,手性结构,单体乳酸分子：左旋和右旋,二聚体丙交酯：左旋,/,右旋,/,外消旋,/,内消旋,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,制备、结构与性能,结构与性能,性能,PDLA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,PDLLA,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,制备、结构与性能,结构与性能,性能,力学性能：与结晶性有很大关系,降解性能：本体降解,(,酶催化,/,自催化,),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,改性研究,主要问题,亲水性不理想，不利于细胞黏附、生长和分化,分子链中缺乏活性基团,降解产物偏酸性，可导致非特异无菌性炎症反应,机械强度不足,8.6.1,聚乳酸、聚羟基乙酸,及其共聚物,改性研究,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,/,涂层,化学方法：,LA,与,GA,、己内酯等共聚,采用亲水性引发剂,与功能单体共聚,8.6.1,聚乳酸、聚羟基乙酸,及其共聚物,改性研究,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,/,涂层,化学方法：,LA,与,GA,、己内酯等共聚,采用亲水性引发剂,与功能单体共聚,8.6.1,聚乳酸、聚羟基乙酸,及其共聚物,改性研究,降低无菌性炎症反应,临床约有,8%,的反应率,原因：引起局部组织,pH,下降,加入碱性物质：,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,改性研究,提高材料机械强度,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,多孔支架的构建,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,优点：比表面积大细胞黏附，养分扩散,缺点：稳定性不够，力学性能差,改进：纤维固定技术,/,涂层技术,8.6.1,聚乳酸、聚羟基乙酸,及其共聚物,多孔支架的构建,多孔泡沫支架结构,溶液浇铸,-,粒子沥滤技术,气体发泡技术,相分离,-,乳化技术：,熔融成形技术,高分子微球聚集技术,热致凝胶化,8.6.1,聚乳酸、聚羟基乙酸,及其共聚物,多孔支架的构建,特定组织支架结构,快速成形技术,8.6.1,聚乳酸、聚羟基乙酸,及其共聚物,多孔支架的构建,软骨和骨组织,肝,肌腱,皮肤,管状结构,8.6.2,聚酸酐,概述：,单体通过双酐键相连的高分子,双酐键不稳定，可水解：,脂肪族类可在几天内水解,芳香族类要几年才能水解,良好的生物相容性和表面溶蚀性,8.6.2,聚酸酐,制备：,直接缩聚法,开环缩聚法,熔融缩聚,溶液缩聚,8.6.3,聚羟基丁酸酯,概述：,于,1964,年从细菌中分离而得，系生物合成高分子,合成方法：,细菌合成,基因合成,良好的生物相容性和可降解吸收性,8.6.3,聚羟基丁酸酯,改性：,多聚赖氨酸对表面改性：,提高亲水性和细胞黏附性,与聚羟基戊酸共聚：,改善易碎、降解时间长、可塑性和机械,性能差等问题,8.6.4,聚原酸酯,概述：,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,良好的生物相容性和表面溶蚀性,8.6.4,聚原酸酯,类型：,二元醇,+,原酸酯或原碳酸酯经酯交换而成,二元醇,+,与双烯酮经酸催化而成,烷基原酸酯,+,三元醇在环己烷溶剂中聚合而成,8.6.5,聚膦腈,概述：,一组由氮磷原子以交替的单键、双键构成主链的高分子,组织工程支架结构,8.6.6,其他合成材料,聚酯脲烷,聚己内酯,聚三次甲基碳酸酯,聚丙烯,-,丁烯二酸酯,