海藻酸盐复合凝胶在骨组织工程中的研究进展

骨组织工程支架是以修复缺损的骨并恢复其功能为目的而开发出的人工支架。海藻酸盐是世界上含量最丰富的海洋生物高分子聚合物,其在骨组织工程材料中的应用已被大量研究报道。虽然海藻酸盐作为骨组织支架材料具有优异的生物相容性、良好的生物可降解性和无免疫原性等优点,但是仍存在机械强度较弱、缺乏细胞特异性结合位点、支架结构在生理环境中易被破坏等缺点,严重限制其在骨组织工程中的应用。目前,研究者已经研究出几大类海藻酸盐复合支架材料,这些材料均表现出优异的力学性能和生化性能,因此,海藻酸盐复合支架材料可能在骨组织修复和再生方面具有较高的应用价值。本文主要针对海藻酸盐复合支架材料在骨组织工程中的应用作简要概述。

生物衍生组织工程骨支架材料的制备及理化特性

我们用物理化学方法处理自制的天然生物衍生骨支架材料 ,测试其理化性质及力学强度 ,为骨组织工程研究提供可供选择的支架材料。将猪肋骨进行一系列理化处理 ,制成完全脱蛋白骨 (FDB)、部分脱蛋白骨(PDPB)、部分脱钙骨 (PDCB)三种材料 ,用扫描电镜观察其形貌特征 ,用 X射线衍射分析、X射线能量散射分析材料成份 ,用微量凯氏定氮法测定蛋白质含量 ,并对材料的力学性能进行分析测定。结果发现 ,FDB、PDPB、PDCB三种材料皆保持原骨组织的天然网状孔隙系统。其钙 /磷比值依次为 1.81、1.74和 1.5 0。三种材料的蛋白质含量为0 .0 1%± 0 .0 2 % ,2 2 .41%± 0 .83%和 35 .75 %± 2 .2 1% ,力学强度大小为 :PDCB>PDPB>FDB。可见 ,用不同理化方法处理制得的三种生物衍生骨材料皆保存原骨组织的天然网状孔隙系统 ,所含有机及无机成分含量不同 ,力学性能亦有差异 ,尚需要进一步验证其细胞相容性和组织相容性。

组织工程化骨修复猕猴长段骨缺损的实验研究

目的 探讨用生物衍生骨材料和骨髓基质干细胞 (MSCs)复合后构成的组织工程化骨对异体猕猴长段骨缺损的修复作用。 方法 于猕猴胫骨结节抽取 MSCs并使诱导分化为成骨样细胞 ,用 5 -溴脱氧尿嘧啶核苷(Brd U )标记 ,培养后与人源生物衍生骨材料体外复合构成组织工程化骨 ,植入 15只异体猕猴修复桡骨 2 .5 cm长段骨缺损作为实验组 ;用单纯生物衍生骨材料修复对侧同样骨缺损作为对照组 ;另取 2只猕猴双侧桡骨同样部位和大小骨缺损旷置作为空白组。术后 1、2、3、6和 12周时各处死 3只动物取材 ,空白组 12周取材 ,行大体观察、组织学和免疫组织化学检测。 结果 实验组和对照组术后 1、2和 3周移植物周围组织反应较明显 ,6周后明显减轻 ,12周时基本消失。实验组标记成骨样细胞于术后 6周仍存在 ,术后 12周基本消失 ;骨缺损部位骨样组织、软骨、编织骨和板层骨出现时间均较对照组早 ,且骨愈合时间提前 3～ 6周。实验组骨缺损以多点方式直接成骨 ,对照组则从两端以“爬行替代”方式成骨。空白组术后 12周骨缺损均无愈合。 结论 生物衍生骨材料和 MSCs复合构建的组织工程化骨异体植入修复猕猴长段骨缺损可超越骨段移植的“爬行替代”过程 ,使骨缺损能较快愈合。生物衍生骨材料和同种异体 MSCs复合组织工程?

生物衍生组织工程骨植骨的初步临床应用

目的 总结生物衍生组织工程骨用于骨科临床的初步结果。方法 2 0 0 0年 1月～ 2 0 0 2年 1月 ,用同种异体骨膜来源的成骨细胞 1× 10 6 / ml与生物衍生骨支架材料构建的组织工程骨 ,经体外培养 3～ 7天后 ,植入修复 5 2例各种类型的骨缺损 ,其中骨囊性病变 7例 ,陈旧性骨折不愈合或畸形愈合 2 2例 ,新鲜粉碎性骨折伴骨缺损 15例 ,脊柱骨折后路植骨融合术 4例 ,牙槽骨植骨 3例 ,足跗中关节植骨融合 1例。植入组织工程骨总量为 349g,平均每例植入6 .7g。结果 术后全部病例获得随访 ,随访时间 10～ 2 8个月 ,平均随访 18.5个月。除 1例术后伤口乙级愈合外 ,5 1例均为甲级愈合。除 2例植骨延迟愈合外 ,其余 5 0例均在 3.0～ 4 .5个月内愈合。有 6例进行了 CD3、CD4、CD8及 ICAM- 1和 VCAM- 1检测 ,均未发现明显异常。结论 生物衍生组织工程骨具有良好的成骨能力 。

骨组织工程天然衍生细胞外基质材料

细胞外基质材料的开发是骨组织工程的重要组成部分 ,目前 ,在骨组织工程中应用较多的基质材料可分为天然衍生材料、人工合成材料以及这两种材料的复合材料。介绍了各种天然衍生骨材料如煅烧骨、脱钙骨基质、脱蛋白骨基质、重组合异种骨基质和天然高分子材料如胶原、纤维蛋白、几丁质、藻酸盐及其衍生物以及珊瑚衍生骨在骨组织工程中的应用 ,展望了骨组织工程细胞外基质材料的未来发展方向 ,认为未来的理想基质材料应该是集各种材料的优点于一身 ,能够充分适应体内各种生理环境并能采用智能化的加工方式进行大批量生产的生物仿生材料。

骨生物衍生材料复合人骨髓间充质干细胞异位成骨的实验研究

目的探讨骨髓间充质干细胞(MSCs)复合骨生物衍生材料异位成骨的可行性和成骨能力。方法将人骨生物衍生材料脱蛋白骨和脱钙骨在体外与人骨髓MSCs复合培养后,植入裸鼠背部左侧皮下。右侧皮下植入单纯生物衍生材料作为对照。于术后2,4,10周各时间点处死动物行大体标本、组织学观察,碱性磷酸酶(ALP)活性检测,比较其成骨能力。结果两种材料脱蛋白骨和脱钙骨均有异位成骨能力,随着植入时间的延长,新骨形成量逐渐增多,表现为软骨化成骨;对照组无成骨现象。ALP活性检测结果显示实验组随着时间的延长,ALP活性显著升高(P<0.05),而在相同各时间点比较,脱蛋白骨的ALP活性明显高于脱钙骨(P<0.05)。结论人骨生物衍生材料脱蛋白骨及脱钙骨和人骨髓MSCs可作为理想的支架材料和种子细胞应用于骨组织工程;且作为支架材料脱蛋白骨优于脱钙骨。

组织工程骨植骨临床应用七年随访结果

目的总结生物衍生组织工程骨植骨临床应用的中期效果。方法2000年12月-2001年6月,采用同种异体骨膜来源的成骨细胞1×106/mL与生物衍生骨支架材料构建组织工程骨,经体外培养3～7d后,植入修复10例骨缺损。男6例,女4例;年龄14～70岁,中位年龄42。其中骨囊性病变2例,陈旧性骨折不愈合1例,新鲜粉碎性骨折伴骨缺损6例,慢性化脓性骨髓炎1例。每例患者植入生物衍生组织工程骨量3～15g,平均7.3g。结果10例患者术后伤口均Ⅰ期愈合。术后获随访7年,除1例于术后1年发生植骨松动外露取出,以及1例并发创伤后肱骨头坏死取出外,其余植骨均在术后3.0～4.5个月达骨性愈合。X线片检查:除1例患者已行肱骨头切除术外,其余均达到骨愈合,骨皮质连续,重塑良好。患肢功能能满足日常生活及工作需要。结论生物衍生组织工程骨具有良好的成骨能力,临床应用中期效果良好,未见明显排斥反应及并发症。

WO-1生物衍生组织工程骨支架材料的制备及性能研究

目的制备WO-1胶原生物衍生骨复合支架材料,检测其理化性质及力学强度,为骨组织工程研究和应用提供可选择的支架材料。方法将同种异体骨、I型胶原、WO-1进行系列理化处理,制成单纯生物衍生骨材料、胶原生物衍生骨复合材料及WO-1胶原生物衍生骨复合材料。制备后的材料行大体及扫描电镜观察其形貌特征,X线衍射分析材料成分,并对材料的力学性能进行分析测定。结果单纯生物衍生骨材料具有天然骨的网状孔隙系统;胶原生物衍生骨复合材料具有天然骨的网状孔隙系统,微孔表面覆盖胶原膜;WO-1胶原生物衍生组织工程骨复合支架材料具有骨组织的天然网状孔隙系统,微孔表面可见胶原膜覆盖。3种材料的孔径依次为90～700μm、75～600μm、80～600μm;孔隙率依次为87.96%、80.47%、84.29%,差异无统计学意义(P>0.05);其主要成分为羟基磷灰石,弯曲强度和压缩强度无统计学意义(P>0.05)。结论WO-1胶原生物衍生骨复合材料与其它两种材料相同,可作为一种有效的天然组织工程骨支架材料。

复合骨髓间充质干细胞同种异体支架骨修复羊髂骨极限缺损

背景:目前国内外有关组织工程骨材料及构建方法的研究持续升温,而临床上如何修复大面积骨缺损仍然是研究的难点和重点。目的:对比观察同种异体骨支架材料、β-磷酸三钙材料以及碱性成纤维细胞生长因子慢病毒载体转染羊骨髓间充质干细胞的组织工程骨对羊髂骨极限骨缺损的修复效果。方法:体外诱导培养羊骨髓间充质干细胞至第3代时,构建碱性成纤维细胞生长因子慢病毒载体。将转染及未转染的骨髓间充质干细胞同种异体支架骨材料、单纯同种异体骨支架材料、β-磷酸三钙材料回植入羊髂骨极限缺损模型(15mm×10mm×10mm),修复后4,8,12周末进行影像学、组织学及扫描电镜观察。结果与结论:碱性成纤维细胞生长因子慢病毒转染羊骨髓间充质干细胞后的组织工程骨材料修复极限骨缺损优于未转染的细胞骨支架材料、单纯同种异体骨支架材料及β-磷酸三钙材料;未转染的细胞骨支架材料优于单纯同种异体骨支架材料与β-磷酸三钙材料组;单纯同种异体骨支架材料降解速率大于β-磷酸三钙材料。结果提示,以碱性成纤维细胞生长因子慢病毒载体转染羊骨髓间充质干细胞加载同种异体骨支架材料构建的组织工程骨符合骨修复的需求,既可以引导新骨形成,又不会妨碍骨组织的重建和塑型,具有良好的生物相容性。

人骨生物衍生材料细胞相容性的实验研究

目的:研究人骨生物衍生材料脱蛋白骨及脱钙骨的细胞相容性。方法:通过将人骨髓间充质干细胞(MSCs)与自行制备的骨生物衍生材料脱钙骨和脱蛋白骨在体外联合培养,了解骨生物衍生材料的细胞相容性。结果:骨髓MSCs可以在骨生物衍生材料表面黏附、增殖,材料对MSCs形态、增殖能力、ALP活性、细胞周期及倍体水平等均无明显不良影响。结论:骨生物衍生材料具有良好的细胞相容性,且脱蛋白骨优于脱钙骨。

成骨细胞与生物衍生支架材料相互作用的基因表达研究

目的研究组织工程骨体外构建过程中,成骨细胞与生物衍生骨相互作用的基因表达。方法用人胚骨膜来源的成骨细胞与生物衍生骨体外复合培养构建组织工程骨。培养2、4、6、8和10d,分别提取总RNA,经逆转录成cDNA。用荧光及TaqMan探针行实时定量PCR,分别扩增成骨细胞特异转录因子(Cbfa1)、成骨细胞特异基因(Osterix)、型胶原、骨钙素(osteocalcin,OC)和整合素α5和β1(Integrinα5andβ1),读取扩增循环数(Ct值),进行统计学分析。以单纯培养的成骨细胞作为对照组。结果Cbfa1与Osterix变化一致,其中实验组Osterix在2d和8d的表达均明显高于对照组(P<0.05)。型胶原与OC的表达变化一致,实验组除10d时,其余各时间段型胶原表达均明显低于对照组(P<0.01)。Intgerin的表达始终处于较高水平,在培养最初的2d,实验组Integrinβ1表达明显高于对照组(P<0.01)。结论成骨细胞与生物衍生材料复合后,重要基因可持续正常表达。作为支架材料,生物衍生骨在保持成骨细胞性状、诱导及促进成骨细胞分化方面有明显优越性;它不仅对细胞顺利进入增殖状态无影响,而且为细胞增殖提供广阔而有效的空间。成骨细胞最终可良好分化,充分发挥成骨功能,并有利于成骨细胞黏附,黏附行为贯穿细胞与材料相互作用的整个过程,而并非局限于开始阶段。

β-磷酸三钙/聚乳酸-聚羟基乙酸/异烟肼/左氧氟沙星缓释材料的成骨检测

背景:在聚乳酸-聚羟基乙酸中加入β-磷酸三钙可调控其降解速率和强度。目的:观察β-磷酸三钙/聚乳酸-聚羟基乙酸/异烟肼/左氧氟沙星缓释材料修复兔股骨髁骨缺损的效果。方法:制作兔右股骨髁直径5mm、长10mm的圆柱形骨缺损模型,随机分3组,其中两组分别于骨缺损处植入β-磷酸三钙/聚乳酸-聚羟基乙酸材料和β-磷酸三钙/聚乳酸-聚羟基乙酸/异烟肼/左氧氟沙星缓释材料,空白对照组不植入任何材料。通过影像学、大体标本、组织学检查评价骨缺损修复效果。结果与结论:术后12周时,β-磷酸三钙/聚乳酸-聚羟基乙酸材料组和β-磷酸三钙/聚乳酸-聚羟基乙酸/异烟肼/左氧氟沙星缓释材料组骨缺损都得到修复,两组新骨占缺损区面积差异无显著性意义(P>0.05),空白对照组骨缺损未修复。表明β-磷酸三钙/聚乳酸-聚羟基乙酸/异烟肼/左氧氟沙星缓释材料可以很好修复兔股骨髁缺损。

重组人骨形态发生蛋白2诱导骨修复的应用及前景

背景:重组人骨形态发生蛋白2具备诱导成骨时间更早、成骨量较天然骨形态发生蛋白2多、生物学活性好、生物相容性好、成本低等特点,已成为近年来临床骨科创伤疾病防治研究的热点。目的:总结重组人骨形态发生蛋白2在骨组织工程及骨修复领域应用中的优势、不足及目前国内外的研究进展。方法:经第一作者检索CNKI数据库及SPRINGERLINK数据库2005至2011年与重组人骨形态发生蛋白2在诱导骨再生、骨组织修复有关研究进展方面的文献,英文检索词为"rhBMP-2,bone tissue engineering,bone repair materials",中文检索词为"重组人骨形态发生蛋白2,骨组织工程,骨修复"。共检索出98篇,最终保留30篇进行归纳总结。结果与结论:骨骼内天然骨形态发生蛋白2含量稀少、提取成本高昂,临床应用严重受限。重组人骨形态发生蛋白2有显著的成骨诱导能力,在骨组织工程及骨修复领域展现了巨大的潜在应用价值。体外试验无细胞毒性具有良好的生物相容性可供临床应用,其中重组人骨形态发生蛋白2和重组人骨形态发生蛋白7现已被应用于外科整形手术诱导骨再生,但由于重组人骨形态发生蛋白2是外源性细胞生长因子,临床应用多为超生理剂量,故潜在有软组织水肿,皮肤红疹、局部炎症反应、异位骨化和免疫反应等不良后果的危险,所以重组人骨形态发生蛋白2用于人体后的安全性研究还须长期密切关注。找到理想的载体,有效控制其在体内缓释是重组人骨形态发生蛋白2应用研究的关键问题。

兔骨髓间充质干细胞的分离培养及成骨诱导

背景:骨髓间充质干细胞具有多向分化潜能,且可大量体外扩增培养,是重要的组织工程种子细胞。但尚无统一的体外培养及定向诱导方法。目的:探讨体外定向诱导兔骨髓间充质干细胞分化为成骨细胞的可行性。方法:应用密度梯度离心法从兔四肢骨中分离纯化间充质干细胞,应用密度为1.073g/mL的Percoll分离液,3000r/min×30min离心,区别于相关报道的Ficoll分离液,2000-2500r/min×(20-30)min离心以及全骨髓培养法体外扩增至第3代,分别在普通培养基(对照组)和成骨诱导培养基(实验组)中培养。结果与结论:成功获得大量高纯度骨髓间充质干细胞。经成骨诱导后,实验组骨钙素含量明显高于对照组(P<0.05)。实验组碱性磷酸酶和钙结节染色阳性,对照组均阴性。结果表明使用密度梯度离心法可成功建立兔骨髓间充质干细胞的分离培养体系,骨髓间充质干细胞可定向诱导为成骨细胞。

镁合金AZ31B材料表性与成骨细胞的黏附

背景:镁合金对成骨细胞的生物学行为及早期黏附是否有影响尚不明确。目的:分析镁合金AZ31B的表性,并评价其对成骨细胞黏附的影响。方法:采用扫描电镜及能谱分析明确镁合金AZ31B的表面形态及元素组成。以蛋白吸附实验检测镁合金AZ31B与钛合金对蛋白的吸附能力。将镁合金AZ31B与钛合金分别与小鼠前成骨细胞MC3T3-El共培养于24孔板内,观察培养2,6,24h的细胞黏附情况。结果与结论:扫描电镜可见镁合金AZ31B表面较为粗糙,有利于细胞在其表面的黏附.能谱分析结果表明镁合金AZ31B的主要元素有镁、铝、锌,其中镁约占96%,铝约占3%,锌约占1%,另有一些其他元素,含量较少。镁合金AZ31B与钛合金的蛋白吸附率差异无显著性意义。培养2h时,镁合金AZ31B与钛合金上的细胞黏附率差异无显著性意义;培养6,24h,镁合金AZ31B上的细胞黏附率显著低于钛合金上的细胞黏附率(P<0.01)。培养于镁合金表面的成骨细胞贴壁展开,形态不规则,大多呈梭形,有较多突起,部分细胞间突起相互连接。表明镁合金AZ31B具有良好的细胞黏附性,适合于成骨细胞的早期黏附。

骨生物衍生支架材料组织相容性实验研究

目的:研究骨生物衍生材料脱蛋白骨及脱钙骨的组织相容性,为进一步研究作为骨组织工程支架材料的可行性打下基础。方法:本实验应用急性毒性试验、亚急性毒性试验、血液相容性试验、肌肉刺激试验等,对骨生物衍生材料的组织相容性进行评价。结果:骨生物衍生材料(脱蛋白骨、脱钙骨)无急性亚急性毒性作用,具有良好的血液相容性,材料经肌肉埋植4周后,两种材料周围未见明显的炎症反应。结论:骨生物衍生材料(脱蛋白骨、脱钙骨)具有良好的生物相容性。

磁性复合骨水泥的体外细胞毒性

背景:磁性复合骨水泥作为一种新型骨转移治疗材料,不仅能对骨缺损进行修复,还能在交变磁场下升温杀死骨肿瘤。目的:检测磁性复合骨水泥对小鼠L929成纤维细胞增殖活性的影响及细胞毒性反应。方法:采用CCK-8法检测含0%(即磷酸钙骨水泥组),10%,20%Fe3O4的磁性磷酸钙骨水泥浸提液及含0%(即聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥组),10%,20%Fe3O4的聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥浸提液对对数生长期小鼠L929成纤维细胞的毒性作用,每种浸提液又分为50%与100%两个浓度梯度;以正常培养基培养的小鼠L929成纤维细胞作为阴性对照组。结果与结论:①在100%浓度梯度下:除含20%Fe3O4的磁性聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥组细胞数量较少、细胞形态异常外,其余磁性聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥组细胞生长状态良好;含10%Fe3O4的磁性磷酸钙骨水泥组培养24h时表现出轻度细胞毒性,毒性2级;含20%Fe3O4的聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥在24-72h为表现出轻、中度细胞毒性,毒性为2,3级。各磁性磷酸钙骨水泥组细胞数量及形态正常。②在50%浓度梯度下:各组细胞形态均正常,细胞毒性为0级或1级。表明磁性聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥具有轻、中度细胞毒性,磁性磷酸钙骨水泥细胞相容性良好,基本无细胞毒性。

骨组织工程中的支架材料

支架材料是骨组织工程中的关键环节,支架材料与许多可降解材料一起也在进行研究和探讨。该文对用于骨组织工程支架材料的高分子材料、天然材料和人工合成材料的研究状况进行了综述,并对其优缺点和其发展趋势进行了分析。

组织工程化骨修复羊牙槽骨缺损

背景:异种生物骨经适当理化方法处理及高温锻烧后能够形成具有与人骨结构相近的天然网状孔隙结构的陶瓷样异种骨,具有三维立体孔隙-网架结构,有利于种子细胞的黏附、增殖。目的:观察以高温煅烧骨及骨髓间充质干细胞复合构建形成的组织工程化骨修复牙槽骨缺损的可行性。方法:以羊骨髓间充质干细胞为种子细胞,高温煅烧骨为支架材料,复合构建形成组织工程化骨。全麻下分批次拔除羊双侧下颌第一前磨牙,去除远中根与第二前磨牙近中根间牙槽嵴间隔,形成5mm×5mm×5mm骨缺损区域。将12只实验羊随机等分为组织工程化骨组和单纯煅烧骨组,分别在左侧下颌术区放组织工程化骨和单纯煅烧骨,所有动物右侧均作为空白对照组。结果与结论:高温煅烧骨呈白垩色,保留了天然松质骨的多孔状空间。孔隙率(66.10±1.32)%,孔径范围137.44-538.72μm。干细胞接种到煅烧骨24h后可见细胞黏附支架上,7d后分泌胞外基质,细胞与基质分界不清。X射线可见组织工程化骨组和单纯煅烧骨组植入材料包埋在术区,煅烧骨边缘有一圈低密度阴影。苏木精-伊红染色实验侧骨小梁形成,对照侧无明显骨生成。提示应用骨髓间充质干细胞复合煅烧骨构建的组织工程化骨可较好的修复牙槽骨缺损,是修复小范围骨缺损理想的种子细胞和支架材料。

骨髓基质干细胞复合煅烧骨的皮下成骨

背景:研究证明骨髓基质干细胞与煅烧骨支架材料结合后可形成组织工程化骨,但在动物体内的生物相容性及皮下诱导成骨的能力国内报道较少。目的:观察骨髓基质细胞复合异种煅烧骨植入BALB/c裸鼠背部皮下的成骨性能及煅烧骨材料作为组织工程骨支架材料的可行性。方法:选用经脱脂及脱蛋白处理后高温煅烧形成的骨支架材料与梯度密度离心法分离培养至第3代的羊骨髓基质干细胞构建细胞-煅烧骨复合物植入BALB/c裸鼠背部皮下,选同期对侧背部皮下植入单纯煅烧骨为对照组。结果与结论:煅烧后的松质骨块为白垩色,表面呈蜂窝状多孔结构,保留了天然松质骨的多孔状空间结构。骨小梁结构完整,孔隙相互连通。骨髓基质干细胞接种到煅烧骨后24h可见大量细胞黏附于支架上,7d后细胞分泌大量细胞外基质,细胞与基质分界不清,细胞能在材料上良好地黏附、增殖与生长,细胞活性未受到支架材料的影响。植入4周后,两组均可见煅烧骨边缘出现少量残片,细胞-煅烧骨复合物组煅烧骨孔隙周边可发现骨细胞,对照组煅烧骨表面可见纤维结缔组织包绕。植入后8周,两组均可见到煅烧骨部分降解为片状类骨质,周围有成纤维细胞包绕,排列紧密,形态多样,细胞-煅烧骨复合物组煅烧骨孔隙内可见煅烧骨表面有排列成行的成骨细胞,孔隙间有散在淋巴细胞浸润。对照组标本可见孔隙内有大量结缔组织长入,未见明显成骨迹象。结果说明,经高温煅烧后的松质骨材料,具有良好的生物相容性和生物安全性,可作为骨髓基质干细胞的良好载体,复合后植入体内能够诱导新生骨组织形成,可作为骨缺损组织工程修复的支架材料。