組織工程及其相關(guān)材料

組織工程及其相關(guān)材料第1頁，共51頁，2023年，2月20日，星期二8.1組織工程的基本概念和研究進(jìn)展8．1．1組織工程學(xué)產(chǎn)生的背景（1）隨著人類物質(zhì)、文化生活水平的提高，對損傷、疾病的治療要求越來越高，不儀要求治好傷、病，還要求良好的功能及完美的外形，應(yīng)用傳統(tǒng)的治療方法難以達(dá)到如此完善的地步，需要尋找新的治療途徑。。當(dāng)前修復(fù)缺損器官的主要方法：自體移植、異體移植、組織代用品（如假肢等。）問題點(diǎn)很多？？第2頁，共51頁，2023年，2月20日，星期二（2）細(xì)胞生物學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展自從20世紀(jì)50年代以來：利用養(yǎng)分和酶已經(jīng)將組織離解為有功能的細(xì)胞成分，體外細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)的研究也得到了長足的進(jìn)步；使大規(guī)模細(xì)胞的培養(yǎng)成為可能；細(xì)胞組織類型培養(yǎng)技術(shù)的普及，以及對體外細(xì)胞作用的認(rèn)識和理解，為重建有功能的組織成為可能；細(xì)胞生物學(xué)、生物分子、材料科學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)及其生物工程等多學(xué)科的發(fā)展也為組織工程的建立奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。第3頁，共51頁，2023年，2月20日，星期二（3）巨大的市場需求為組織工程學(xué)發(fā)展注入了動(dòng)力。眾多的投資公司注入大量資本進(jìn)行組織工程學(xué)研究。這些是組織工程學(xué)研究發(fā)展的基礎(chǔ)與動(dòng)力。第4頁，共51頁，2023年，2月20日，星期二8．1．2組織工程學(xué)原理組織工程的概念最早是由美國的RobertLanger和J.Vacanti在20世紀(jì)80年代中期提出的一個(gè)新的研究思路，即希望能夠在一種可生物降解的支架材料上種植人體活細(xì)胞，使之在生長因子的作用下，再生成為組織。第5頁，共51頁，2023年，2月20日，星期二MaPeter，MaterialsToday.2004,7(5):30-40第6頁，共51頁，2023年，2月20日，星期二1987年，在美國國家科學(xué)基金會(huì)（NSF）的生物工程會(huì)議上提出了“組織工程（TissueEngineering)”一詞。1988年NSF的一個(gè)專門工作小組對組織工程的內(nèi)涵作了這樣的定義：應(yīng)用工程科學(xué)和生命科學(xué)的原理和方法，認(rèn)識哺乳動(dòng)物正常和病理組織與器官的結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系，并開發(fā)具有生物活性的人工替代物，以恢復(fù)、維持或改善組織、器官的功能。第7頁，共51頁，2023年，2月20日，星期二由此可見：組織工程是一個(gè)嶄新的概念，它融合了工程學(xué)和生命科學(xué)的基本概念、基本理論、基本技術(shù)和基本方法,在體外將人體某部分的組織細(xì)胞種植和吸附在一種生物材料的支架上進(jìn)行人工培養(yǎng)繁殖,擴(kuò)增,然后移植到人體內(nèi)所需要的部位,從而達(dá)到器官修復(fù)或再造的治療目的的一種技術(shù)。組織工程是一門多學(xué)科交叉的邊緣學(xué)科，雖很年輕，但是它將是21世紀(jì)最具有潛力的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一，具有重要的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)效益。第8頁，共51頁，2023年，2月20日，星期二8．1．3組織工程的關(guān)鍵技術(shù)組織工程這一概念的核心內(nèi)容是：活的細(xì)胞；可以供細(xì)胞進(jìn)行生命活動(dòng)的支架材料；組織細(xì)胞與支架材料的相互作用（生長因子和生物細(xì)胞培養(yǎng)工程）。第9頁，共51頁，2023年，2月20日，星期二8．1．3組織工程的關(guān)鍵技術(shù)第10頁，共51頁，2023年，2月20日，星期二歸納：組織工程的內(nèi)涵：組織工程學(xué)是綜合應(yīng)用工程學(xué)和生命科學(xué)的基本原理、基本理論、基本技術(shù)和基本方法，在體外預(yù)先構(gòu)建一個(gè)有生物活性的種植體，然后植入體內(nèi)，修復(fù)組織缺損，替代組織、器官的一部分或全部功能，或作為一種體外裝置，暫時(shí)替代器官部分功能，達(dá)到提高生活、生存質(zhì)量，延長生命活動(dòng)的目的。這一內(nèi)涵的核心是活的細(xì)胞、可供細(xì)胞進(jìn)行生命活動(dòng)的支架材料以及細(xì)胞與支架材料的相互作用，這是組織工程學(xué)研究的主要科學(xué)問題。一旦在體外能成功地制造出“組織”或“器官”，則通過醫(yī)生的創(chuàng)造性勞動(dòng)，將“組織”、“器官”植入人體，完成復(fù)制或修補(bǔ)人體組織、器官的藝術(shù)創(chuàng)作。第11頁，共51頁，2023年，2月20日，星期二應(yīng)用于體外構(gòu)建工程的組織、器官的細(xì)胞主要可以是自體細(xì)胞、同種異體細(xì)胞和異種細(xì)胞。其中自體細(xì)胞存在來源嚴(yán)重短缺的限制；異種細(xì)胞存在著移植排斥反應(yīng)、傳染動(dòng)物源性病毒和倫理的制約；同種異體細(xì)胞同時(shí)也存在著來源有限和移植排斥反應(yīng)等的問題。干細(xì)胞的研究為解決制約組織工程的細(xì)胞問題提供了一定的可能。（1）種植細(xì)胞的研究第12頁，共51頁，2023年，2月20日，星期二干細(xì)胞（StemCell）：是一類具有自我復(fù)制能力的多潛能細(xì)胞，在一定條件下可以分化成多種功能細(xì)胞。分為：高度的增殖潛能（自我更新能力或自我維持能力）高度的分化潛能（可分化為多種組織）第13頁，共51頁，2023年，2月20日，星期二根據(jù)這一定義，在個(gè)體發(fā)育的不同階段以及成體的不同組織中均存在著干細(xì)胞，只是隨著年齡的增長，干細(xì)胞的數(shù)量逐漸減少，其分化潛能也逐漸變窄。在干細(xì)胞的發(fā)育過程中，還有一種中間類型的細(xì)胞稱為祖細(xì)胞(progenitorcells)，祖細(xì)胞也具有有限的增殖和分化能力，與干細(xì)胞不同的是，祖細(xì)胞沒有自我更新能力，它在經(jīng)過幾輪細(xì)胞分裂周期后產(chǎn)生的兩個(gè)子代細(xì)胞均為終末分化細(xì)胞(terminaldifferentiatedcells)第14頁，共51頁，2023年，2月20日，星期二干細(xì)胞的分類按照發(fā)生學(xué)來源，干細(xì)胞可以分為胚胎干細(xì)胞(embryonicstemcell，ESC)和成體干細(xì)胞(somaticstemcell)。根據(jù)不同的分化潛能，干細(xì)胞可以被分為全能干細(xì)胞(totipotentstemcell)、多能干細(xì)胞(pluripotentstemcell)、單能干細(xì)胞(unipotentstemcell)。第15頁，共51頁，2023年，2月20日，星期二干細(xì)胞的分類根據(jù)干細(xì)胞組織發(fā)生的部位進(jìn)行分類。目前，已經(jīng)從許多組織或器官中成功地分離出干細(xì)胞，其中包括：胚胎干細(xì)胞、造血干細(xì)胞、骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞、神經(jīng)干細(xì)胞、肌肉干細(xì)胞、成骨于細(xì)、內(nèi)胚層干細(xì)胞、視網(wǎng)膜干細(xì)胞及胰腺干細(xì)胞等。第16頁，共51頁，2023年，2月20日，星期二根據(jù)個(gè)體發(fā)育過程中出現(xiàn)的先后次序不同，分為：全能干細(xì)胞，包括：胚胎干細(xì)胞（embryonicstemcells,ES細(xì)胞）生殖干細(xì)胞（embryonicgermcells,EG細(xì)胞）:具有全能性，能夠分化成全身200多種細(xì)胞類型，進(jìn)一步形成機(jī)體的任何組織和器官。

多能干細(xì)胞：具有分化成多種細(xì)胞和組織的潛能，但卻失去了發(fā)育成完整個(gè)體的能力。（在胎兒、兒童和成人組織中存在的多能干細(xì)胞統(tǒng)稱“成體干細(xì)胞（Adultstemcell）”。第17頁，共51頁，2023年，2月20日，星期二胚胎干細(xì)胞

（Embryonicstemcell，ESC）從早期胚胎的內(nèi)細(xì)胞群（Innercellmass，ICM）或原始生殖細(xì)胞（primordialgermcellsPGCS）分離出來的多潛能細(xì)胞系。它具有與早期囊胚ICM或PGCS相似的生物學(xué)特性，在體外能夠保持正常二倍體核型和未分化狀態(tài)，并且有多方向分化潛能，在適當(dāng)條件下，ES細(xì)胞可被誘導(dǎo)分化為多種細(xì)胞、組織，也可以與受體胚胎嵌合，形成嵌合體。第18頁，共51頁，2023年，2月20日，星期二胚胎干細(xì)胞的優(yōu)點(diǎn)

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全能性內(nèi)細(xì)胞群的細(xì)胞可以發(fā)育成除了胎盤以外的完整個(gè)體，因而這些細(xì)胞被認(rèn)為具有全能性。第19頁，共51頁，2023年，2月20日，星期二成體干細(xì)胞

（adultstemcell，ASC）成體干細(xì)胞是存在于成體動(dòng)物的許多組織和器官，具有修復(fù)和再生能力的細(xì)胞。成體干細(xì)胞大多數(shù)時(shí)候處于靜息狀態(tài)。在正常生理?xiàng)l件下，它傾向于更新、并分化為所在特定組織的若干種細(xì)胞，保持生長和衰退的動(dòng)態(tài)平衡。而在特殊條件誘導(dǎo)下，它能超越特定組織，或者按照一定的程序分化形成新的其他組織的功能性細(xì)胞，參與損傷組織的修復(fù)。第20頁，共51頁，2023年，2月20日，星期二成體干細(xì)胞的優(yōu)點(diǎn)成體干細(xì)胞則可從患者自身獲得，不存在組織相容性的問題。成體干細(xì)胞不會(huì)誘發(fā)畸胎瘤的發(fā)生。成體干細(xì)胞也不存在倫理學(xué)爭執(zhí)。第21頁，共51頁，2023年，2月20日，星期二成體干細(xì)胞的不足尚未從人體的全部組織中分離出成體干細(xì)胞.成體干細(xì)胞含量極微，很難分離和純化，且數(shù)量隨年齡增長而降低在一些遺傳缺陷疾病中，遺傳錯(cuò)誤很可能也會(huì)出現(xiàn)于病人的干細(xì)胞中，這樣的干細(xì)胞不適于移植成人身上獲得的干細(xì)胞可能沒有年輕人的干細(xì)胞那樣的增殖能力由于日常生活中人是暴露在各種環(huán)境之下的，日光和毒素等都有可能造成基因突變，成體干細(xì)胞可能包含更多的DNA異常等等。第22頁，共51頁，2023年，2月20日，星期二現(xiàn)在研究比較集中的一些成體干細(xì)胞神經(jīng)干細(xì)胞造血干細(xì)胞間充質(zhì)干細(xì)胞骨及軟骨干細(xì)胞心臟干細(xì)胞皮膚干細(xì)胞脂肪干細(xì)胞腸胃干細(xì)胞胰腺干細(xì)胞肝臟干細(xì)胞前列腺干細(xì)胞角膜干細(xì)胞氣管干細(xì)胞血管內(nèi)皮干細(xì)胞生殖干細(xì)胞腫瘤干細(xì)胞第23頁，共51頁，2023年，2月20日，星期二造血干細(xì)胞造血干細(xì)胞是體內(nèi)各種血細(xì)胞的唯一來源，它主要存在于骨髓、外周血、臍帶血中。造血干細(xì)胞易于分離純化，其體外擴(kuò)增和誘導(dǎo)分化技術(shù)已較成熟；體外在多種細(xì)胞因子聯(lián)合作用下，能夠大量擴(kuò)增并可以向紅系、粒系、巨核系等各類細(xì)胞定向分化。第24頁，共51頁，2023年，2月20日，星期二造血干細(xì)胞的臨床應(yīng)用急性白血病、慢性白血病、重型再生障礙性貧血、地中海貧血、惡性淋巴瘤、多發(fā)性骨髓瘤等血液系統(tǒng)疾病還可用于治療小細(xì)胞肺癌、乳腺癌、睪丸癌、卵巢癌、神經(jīng)母細(xì)胞瘤等多種實(shí)體腫瘤。中華骨髓庫中國干細(xì)胞網(wǎng)第25頁，共51頁，2023年，2月20日，星期二神經(jīng)干細(xì)胞神經(jīng)干細(xì)胞是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中保持分裂和分化潛能的細(xì)胞。神經(jīng)干細(xì)胞可以進(jìn)一步增殖、分化成中樞神經(jīng)系統(tǒng)某些細(xì)胞類型。當(dāng)移植入中樞神經(jīng)系統(tǒng)后不具有免疫排斥反應(yīng)第26頁，共51頁，2023年，2月20日，星期二干細(xì)胞技術(shù)應(yīng)用1.疾病治療研究干細(xì)胞增殖和分化機(jī)制的最終目的是應(yīng)用干細(xì)胞治療疾病。理論上講，干細(xì)胞可以用于各種疾病的治療，但其最適合的疾病主要是組織壞死性疾病如缺血引起的心肌壞死，退行性病變?nèi)缗两鹕C合癥，自體免疫性疾病如胰島素依賴型糖尿病等。第27頁，共51頁，2023年，2月20日，星期二干細(xì)胞的應(yīng)用涉及到醫(yī)學(xué)的多個(gè)領(lǐng)域。目前，在干細(xì)胞生物學(xué)上已能在體外鑒別、分離純化、擴(kuò)增和培養(yǎng)人體胚胎干細(xì)胞、原始生殖干細(xì)胞以及多種組織干細(xì)胞。用干細(xì)胞治療疾病的設(shè)想已進(jìn)入實(shí)踐檢驗(yàn)。造血干細(xì)胞工程產(chǎn)品如骨髓、擴(kuò)增及定向誘導(dǎo)分化的造血細(xì)胞和免疫細(xì)胞、轉(zhuǎn)基因的基質(zhì)細(xì)胞等，已經(jīng)進(jìn)入臨床應(yīng)用。造血干細(xì)胞移植已成為治療白血病、各種惡性腫瘤放、化療后引起的造血和免疫系統(tǒng)功能障礙等疾病的重要手段。第28頁，共51頁，2023年，2月20日，星期二2.體外制造人體器官干細(xì)胞和動(dòng)物工程、生物載體材料等的結(jié)合將有可能解決這一問題。比如通過形成嵌合體，在嚴(yán)格的控制下，使動(dòng)物的某些器官來源于人體干細(xì)胞。這些來自人體干細(xì)胞的器官可應(yīng)用于臨床移植治療。第29頁，共51頁，2023年，2月20日，星期二又如，利用細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)和生物可降解載體材料的結(jié)合在體外人工控制細(xì)胞分化、增殖并生長成需要的組織，使之批量產(chǎn)出，用來修補(bǔ)由于意外損傷等引起功能喪失的體內(nèi)組織，滿足臨床康復(fù)的需要，并有可能對一些目前尚無根治辦法的疾病，如惡性腫瘤、帕金森病、中風(fēng)等提供解決方案。以干細(xì)胞工程為代表的現(xiàn)代組織工程是一個(gè)迅速發(fā)展的新領(lǐng)域。第30頁，共51頁，2023年，2月20日，星期二體外克隆人體器官應(yīng)用于臨床移植治療是干細(xì)胞研究的又一個(gè)重要方向。其目標(biāo)是用病人的體細(xì)胞移植到去核的卵母細(xì)胞內(nèi)，經(jīng)過一定的處理使其發(fā)育成囊胚，再利用囊胚建立胚胎干細(xì)胞，在體外進(jìn)行誘導(dǎo)分化成特定的組織或器官，再將這些組織或器官移植到病人身上。從理論上講，利用干細(xì)胞技術(shù)，將從根本上解決同種異體器官移植過程中最難的免疫排斥反應(yīng)問題，同時(shí)還較好地解決了組織器官的來源問題。第31頁，共51頁，2023年，2月20日，星期二（２）支架材料制備技術(shù)的研究支架在組織工程中的作用：為吸附在支架材料表面的細(xì)胞提供一個(gè)便于生存的三維空間，以利于細(xì)胞獲得足夠的營養(yǎng)物質(zhì)和進(jìn)行營養(yǎng)物資的交換，并能夠排斥廢物;（關(guān)鍵詞：吸附、三維連通孔隙）為細(xì)胞的遷移、鋪展、生長、分化和最終發(fā)育形成具有特定形態(tài)功能的器官或組織奠基。（關(guān)鍵字：材料的表面特性、降解性）第32頁，共51頁，2023年，2月20日，星期二組織工程支架材料的要求符合生物安全性要求合適的可生物降解吸收性合適的孔尺寸、高孔隙率和相連的孔形態(tài)特定的三維外形高表面積和合適的表面理化性質(zhì)與植入部位組織力學(xué)性能相匹配的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度（關(guān)鍵技術(shù)：材料的設(shè)計(jì)、制備）第33頁，共51頁，2023年，2月20日，星期二支架設(shè)計(jì)及制備技術(shù)支架材料天然高分子材料合成降解聚合物生物陶瓷生物復(fù)合材料第34頁，共51頁，2023年，2月20日，星期二合成聚合物材料聚丙烯酸及其衍生物聚乙二醇及其共聚物聚乙烯醇聚交酯聚乳酸（PLA）聚（D,L-乳酸-co-乙醇酸）（PLGA）聚乙交酯（PGA）等第35頁，共51頁，2023年，2月20日，星期二其它形態(tài)支架的制備技術(shù)微球基質(zhì)

靜電液滴、乳化纖維支架

靜電紡絲管狀支架

無紡網(wǎng)粘合

溶劑流涎和擠塑第36頁，共51頁，2023年，2月20日，星期二在上述的各種制備技術(shù)中急需解決的是支架強(qiáng)度問題此外，對于一些合成的聚合物因其生物活性的其缺乏尚還需要進(jìn)行必要的表面處理，而無機(jī)材料則沒有此必要。第37頁，共51頁，2023年，2月20日，星期二生物材料的表面工程仿生表面工程（工程化生物材料表面引發(fā)特定的細(xì)胞生理響應(yīng)，給細(xì)胞創(chuàng)造一個(gè)良好的人工ECM環(huán)境） 要求：良好的生物相容性；適宜的表面親水－疏水平衡；具有較強(qiáng)的細(xì)胞識別功能；適宜的表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；可消除非特異性識別；易于加工和成型。第38頁，共51頁，2023年，2月20日，星期二第39頁，共51頁，2023年，2月20日，星期二第40頁，共51頁，2023年，2月20日，星期二一、培養(yǎng)細(xì)胞的生存條件（1）無污染的環(huán)境由于體內(nèi)存在著強(qiáng)大的免疫系統(tǒng)和解毒器官（如肝等），對于入侵的有害物質(zhì)可以進(jìn)行防御和清除，使細(xì)胞免受危害。如果在體外細(xì)胞受到污染，則細(xì)胞就將凋亡。所以無污染的環(huán)境是細(xì)胞生存的首要條件。第41頁，共51頁，2023年，2月20日，星期二（2）基本的營養(yǎng)物質(zhì)的保證培養(yǎng)細(xì)胞所需要的營養(yǎng)物質(zhì)與體內(nèi)的基本相同。體外培養(yǎng)細(xì)胞的營養(yǎng)是由細(xì)胞培養(yǎng)基提供的。培養(yǎng)液已經(jīng)商品化，為培養(yǎng)細(xì)胞提供了極大的方便。（商品號如：RPMI1640、TC199、MEM等。由于各種細(xì)胞的培養(yǎng)條件的不同，在大多數(shù)的培養(yǎng)液中還需要添加血清（如小牛血清等），以提供包括生長因子在內(nèi)的多種微量蛋白質(zhì)成份等?；蛘咭灿兄苯犹砑由L因子或細(xì)胞因子的情況。第42頁，共51頁，2023年，2月20日，星期二（3）溫度人和哺乳動(dòng)物培養(yǎng)的細(xì)胞最適宜的溫度是35～37℃，偏離此范圍，細(xì)胞的正常代謝和生長就要受到到影響。細(xì)胞對低溫的耐受力較高溫強(qiáng)，溫度上升不超過39℃時(shí)，細(xì)胞代謝強(qiáng)度與溫度成正比，溫度低于0℃時(shí)，細(xì)胞代謝隨溫度降低而減慢，但是對細(xì)胞無傷害作用，一旦再放置于37℃培養(yǎng)，細(xì)胞還能夠生長。若置于冰點(diǎn)以下，細(xì)胞將死亡，但是，若在培養(yǎng)液中添加保護(hù)劑（如甘油），封入安瓶中，即可在液氮中冷凍保存，復(fù)蘇后還可以繼續(xù)生長。第43頁，共51頁，2023年，2月20日，星期二（4）氣體環(huán)境和氫離子濃度氣體也是細(xì)胞生存的必要條件之一。所需的氣體為氧氣和二氧化碳。氧氣參入三羧酸循環(huán)，產(chǎn)生能量供細(xì)胞的生長、增殖和合成各種物質(zhì)。二氧化碳既是細(xì)胞代謝產(chǎn)物也是細(xì)胞所需要的成份，主要是與維持培養(yǎng)基的PH值有關(guān)。大多數(shù)細(xì)胞耐酸性強(qiáng)于耐堿性，在偏酸環(huán)境中更利于細(xì)胞生長。為維持培養(yǎng)基的PH值，常用CO2/HCO3-和磷酸緩沖溶液體系來完成。通常的培養(yǎng)基的PH值在6.8-7.2之間。第44頁，共51頁，2023年，2月20日，星期二（5）滲透壓大多數(shù)細(xì)胞對滲透壓有一定的耐受性。人血漿的滲透壓為290mOsm/kg，可以視為培養(yǎng)基的理想滲透壓。實(shí)驗(yàn)控制值的范圍為：230－320mOsm/kg。第45頁，共51頁，2023年，2月20日，星期二二、培養(yǎng)細(xì)胞的類型與生命期（1）體外培養(yǎng)細(xì)胞的類型體外培養(yǎng)的細(xì)胞種類很多，主要的分類方法是根據(jù)細(xì)胞在培養(yǎng)皿中是否貼附支持物上生長性質(zhì)分成兩大類：貼附細(xì)胞：如成纖維細(xì)胞