骨组织工程研究中的二维黑磷材料

背景:黑磷与人体骨有高度的同源性,近年来在骨组织工程领域被广泛研究。自2014年以来,二维黑磷材料因具有优异的理化性能和生物性能备受生物医学领域广泛关注。目的:综述黑磷基纳米材料在骨组织工程中的研究进展,着重介绍了二维黑磷纳米材料的合成方法、成骨特性和在生物材料中的应用。方法:以“黑磷,骨组织工程,骨缺损,骨再生,成骨性;black phosphorus,Bone tissue engineering,Bone defect,Bone Regeneration,Osteogenesis”为关键词,检索2014年1月至2023年12月期间Pub Med、中国知网数据库中的相关文献。经过排除和筛选后对96篇文章进行分析。结果与结论:黑磷纳米材料因良好的生物相容性、生物降解性、光热作用、抗菌能力、载药性能和特殊成骨效应在骨组织工程中发挥着重要作用,是促进骨再生的理想候选材料。黑磷纳米材料的制备主要为自上而下的顶层剥离方法,主要原理是通过物理或者化学手段削弱黑磷层间的范德华力,得到单层或者少层的磷烯,即黑磷纳米片或量子点。黑磷基纳米复合材料主要分为水凝胶、3D打印支架、复合材料支架、静电纺丝、仿生骨膜、微球和仿生涂层。纳米黑磷研究在骨组织工程中处于起步阶段,仍面临多个挑战:黑磷在体内的行为以及与各种生物分子的相互作用机制有待进一步研究;黑磷的长期潜在毒性尚不清楚;黑磷的制造过程难以控制。因此,如何开发尺寸均一、安全、可靠、高效的纳米黑磷并转化为临床应用,需要对现代生物医学技术、物理化学技术和精密制造技术进行跨学科研究。

生物矿物用于制备骨组织工程支架的工艺及性能

背景:近年来,生物矿物用于骨组织工程支架制备的方法得到了广泛研究,包括溶剂铸造法、冷冻干燥法、3D打印等,然而,生物矿物种类多样、成分复杂,对支架性能的影响和制备工艺的要求各不相同,尚需对其适用性进行系统研究。目的:探索生物矿物的研磨及筛选工艺,评价生物矿物与高分子基体复合材料的溶液流变特性、亲水性、力学性能和生物相容性。方法:选取5种具有代表性的生物矿物,分别为鳖甲、蛋壳、海螵蛸、鹿角霜和珍珠,将5种生物矿物研磨成粉并筛选,按照特定比例分别与聚己内酯混合制备成复合材料。通过对粉末的元素成分、粒径分布以及复合材料的溶液流变特性、亲水性、力学性能和生物相容性进行测试,探究生物矿物在骨组织工程中应用的可行性。结果与结论:①大多数生物矿物粉末遵循研磨时间越长粒径越小的规律,通过过筛等方法可以分离获取所需粒度范围内的生物矿物颗粒。元素面扫和傅里叶红外光谱分析表明,这5种生物矿物的主要无机矿物成分为碳酸钙和磷酸钙,都含有C、O、P、Ca 4种元素。②使用1,4-二氧六环溶解聚己内酯并添加生物矿物粉末制备支架的方法,不会导致复合材料成分上发生显著变化,并且不会降低复合材料的生物相容性。生物矿物粉末的加入能够改善聚己内酯材料的亲水性和可3D打印性,但会导致复合材料力学性能的下降。③结果表明,将生物矿物粉末应用于骨组织工程支架时应注意粉末添加比例的选择,以平衡复合材料的亲水性、可打印性和力学性能。

肌腱组织工程支架生物材料与孔隙特征

背景:随着肌腱损伤肌腱移植手术的增多,对肌腱组织工程支架的需求日益增加,研究发现植入物良好的孔隙大小及孔隙率有助于组织愈合。目的:总结肌腱组织工程支架的材料种类,调查各类肌腱组织工程支架材料与孔隙的相关情况。方法:应用计算机检索PubMed、Embase、Web of Science数据库中发表的相关文献,检索关键词为“tendon”或“ligament”和“tissue scaffold”以及“porosity”或“permeability”,共纳入84篇符合标准的文献进行归纳总结,讨论并展望未来的发展方向。结果与结论:肌腱组织工程研究所涉及的支架材料主要分为天然肌腱支架材料和人工合成腱性支架材料两大类,其中天然支架材料包含自体肌腱、同种异体肌腱和异种肌腱,自体肌腱、同种异体肌腱在临床上已应用多年,在制备异体肌腱以及动物实验过程中发现脱细胞消毒过程中会导致两种肌腱孔隙大小及孔隙率增加的现象,但是具体原因及机制并未进一步研究。人工合成腱性支架材料目前研究的种类有很多,其中以Leeds Keio、LARS为代表的人工韧带产品目前还在部分国家使用,其他材料目前因技术不成熟等问题未能在临床推广,人工合成腱性支架材料的孔隙及孔隙率因其材料与制备技术的不同也呈现不同的趋势。

组织工程研究中的快速进展的热点生物材料(1)

1生物材料研究的定义及与时俱进从现代意义上讲,生物材料起源于20世纪40年代,学科形成于20世纪80年代。生物材料学已成为一门新兴的交叉学科。从生物材料的发展历史及其特点来看,生物材料的发展基本上可分为3个阶段,即惰性生物材料及其生物化、生物可降解材料和组织工程支架材料。它们分别代表了生物材料发展的不同阶段和各自生物材料的特点和性能。

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。

生物衍生材料构建组织工程肌腱体内植入的实验研究

目的 探讨用同种异体肌腱细胞与生物衍生肌腱材料体外联合培养后植入体内 ,构建组织工程肌腱的可行性。 方法 选用四川猕猴 15只 ,手术造成纤维鞘管内屈指深肌腱 2 .5 cm缺损后 ,分三组。A组 :生物衍生肌腱材料构建的组织工程肌腱移植组 ;B组 :单纯生物衍生肌腱材料移植组 ;C组 :自体肌腱移植组。术后 1、2、3、6和 12周分期观察植入物的大体形态、组织学和超微结构 ,Brd U标记表达。 结果 A组植入体内后肌腱细胞能继续增殖 ,细胞形态随着时间增加而逐渐趋于正常 ,形成的肌腱呈白色且有光泽、致密 ,组织学可见胶原纤维排列较为规则 ,12周肌腱细胞仍成活并分泌胶原 ,Brd U表达为阳性 ;B组植入体内 3周后材料逐渐变细 ,12周后材料被逐渐降解吸收出现中断 ;C组植入体内 2周后桥接部有纤维连接 ,排列较为规则 ,肌腱愈合。A组分别于 3、6、12周进行扫描电镜观察可见肌腱细胞排列均匀 ,胶原纤维相互连接形成网状 ,主体趋势与肌腱走行方向一致 ;透射电镜下可见细胞核仁清晰 ,细胞器丰富。随时间的增加 A、C组与 B组的差异明显增大。 结论 同种异体肌腱细胞与生物衍生肌腱材料复合构建的组织工程肌腱 ,植入免疫功能正常的动物体内能够再生出肌腱样组织 ,植入的肌腱细胞具有生命力 。

组织工程相关壳聚糖-明胶基生物材料

壳聚糖的N 乙酰基葡萄糖胺组成成分为糖胺聚的结构特征 ,而明胶则为胶原的部分变性衍生物 ,由其开发的生物材料呈现和前体相当的生物活性。本文综述了壳聚糖 明胶基生物材料的最近进展 ,包括用壳聚糖 明胶网络基生物材料制备膜材料、支架 ,且作为表面修饰剂用于组织工程。N 烷基化壳聚糖用作DNA释放的非病毒载体。这些生物材料在皮肤、软骨、骨组织工程和基因治疗方面呈现良好的应用前景。

骨组织工程支架及生物材料研究

组织工程的出现为人类治疗骨缺损提供了一种新的选择。在骨组织工程中 ,支架扮演着十分重要的角色。本文就骨组织工程用支架材料的性能要求。

组织工程用生物材料与系统

当今以工程科学、生命科学原理开发修复、维持或改善组织功能的生物取代物为目标的组织工程正引起先进国家官、产、学各方面的关注，此高新技术不仅能显著提高对疾患的诊治水平，更能形成组织工程产品市场。本文结合1996年在加拿大多伦多举行的第5届世界生物材料大会期间举办的组织工程科学展示会为经纬，介绍相关的研究与开发进展。

用于骨组织工程的羟基丁酸-戊酸共聚物/生物活性玻璃复合多孔支架材料

研究了用于骨组织工程的复合型羟基丁酸 -戊酸共聚物 /溶胶 -凝胶生物活性玻璃多孔支架材料 ,采用溶液浇注沥滤法制备了任意形状的三维连通多孔结构支架 ,并进行三维结构表征和显微形貌观察 ;通过对成型条件的调节 ,可控制支架的孔径和孔隙率 ;在模拟生理体液中进行复合支架材料的生物活性测试。研究表明 ,通过控制致孔剂用量、尺寸大小和分散 ,得到的支架材料呈三维连通开孔结构 ,且孔隙分布均匀、孔隙率达 90 %以上 ;扫描电镜观察结果显示 ,羟基丁酸 -戊酸共聚物与生物活性玻璃良好相容 ,后者粘附在支架孔壁上 ;支架在模拟生理体液中浸泡后发现生物活性玻璃表面有羟基碳酸磷灰石多晶体生成 ,表明复合支架仍保持了

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。

新型骨组织工程支架材料β-磷酸三钙/聚磷酸钙纤维/聚左旋乳酸的细胞生物相容性

目的:在体外细胞培养条件下,从细胞形态和细胞增殖方面观察新型骨组织工程支架材料β-磷酸三钙/聚磷酸钙纤维/聚左旋乳酸的细胞生物相容性。方法:实验于2002-01/2004-01在西安交通大学医学院实验中心及西安交通大学地方病研究所实验室进行。①材料:β-磷酸三钙为兰州交通大学复合材料研究室制备;磷酸纤维平均直径(15.0±1.2)μm,平均体外生物降解率(3.0±0.46)%,拉伸强度(1.0±0.2)GPa,弹性模量(48.0±7.6)GPa;聚左旋乳酸平均分子质量为27.6×104。支架复合物质量比为β-磷酸三钙∶聚磷酸钙纤维∶聚左旋乳酸=2∶3∶5。②实验方法:按复合材料1g∶浸提介质10mL的比例,用含体积分数为0.1的胎牛血清的DMEM37℃条件下浸提24～72h,制备复合支架材料的浸提液,过滤24h内进行试验。将骨髓基质细胞分为3组,分别用支架材料浸提液(实验组)、DMEM培养液(阴性对照组)和6.4g/L苯酚溶液(阳性对照组)培养,同时实验组将浸提液按100%,75%,50%,25%的浓度稀释分别培养。③观察指标:每日使用倒置相差显微镜观察骨髓基质细胞形态变化;用MTT法检测细胞生长及增殖情况,测定A值,计算细胞增殖率。结果:①细胞形态变化:在细胞培养1,2,3d,阳性对照组细胞数量明显减少,细胞固缩甚至崩解,实验组与阴性对照组细胞数量明显增加,细胞形态正常。②细胞生长及增殖情况:在培养各时间点除阳性对照组毒性为4级(细胞增殖率为0～20%)外,其余均为0级(细胞增殖率>80%);除阳性对照组外,各实验组及阴性对照组A值均随培养天数的增加而升高,培养1,2,3天时阳性对照组的A值明显低于其他组(P<0.01),阴性对照组与实验组间无显著差异(P>0.05)。结论:β-磷酸三钙/聚磷酸钙纤维/聚左旋乳酸复合材料对骨髓基质细胞的增殖分化无明显影响,无细胞毒性,有良好细胞生物相容性。

高分子生物材料快速成形构建组织工程支架的研究

学术背景:组织工程支架为细胞的生长和组织的再生提供了一个临时平台,在整形外科中有很好的应用前景。很多学者对用于制备支架的可降解生物材料作了研究,传统的材料成形方法因其局限性,逐渐被近年发展起来的快速成形技术所取代。目的:研究高分子生物材料的成形性以及用于制备支架的快速成形技术,为每种技术(三维印刷、熔融堆积成形、选择性激光烧结)选择合适的材料提供参考。检索策略:应用计算机检索CNKI数据库和Elsevier全文电子刊1995-01/2007-12的有关文献,检索词为"生物材料,快速成形,tissue engineering;scaffold;biomaterial;collagen;chitosan;fibrin;PLA;PLGA;PGA;PCL;PEG; rapid prototyping; 3D printing; fused deposition modeling; selective laser sintering"。对文献进行筛选,纳入标准:①选取针对性强,相关度高的文献。②对同一领域的文献选择近期发表或权威杂志的文献。③排除重复研究的文献。最后31篇被选用。文献评价:选用31篇文献,其中5篇为综述、其余均为实验研究。资料综合:具有良好的生物相容性和机械性能的聚乳酸、聚乳酸-乙二醇酸、聚己内酯等高分子聚合物,是组织工程支架快速成形技术的首选材料。天然高分子材料如胶原、壳聚糖等的机械性能较差,但生物相容性好,可作为辅料用于支架的快速成形。三维印刷、熔融堆积成形、选择性激光烧结快速成形技术制备出的支架均具有高的孔隙率,高的表面积体积比,孔与孔之间完全通透,宏观形状可控,孔隙率和孔径独立控制等优点。结论:快速成形技术以其快速、经济的工艺流程,为组织工程支架的制备和实验研究提供了一个新途径。

喷墨打印技术同步打印细胞和生物支架材料及在组织工程中的应用

背景:喷墨打印技术是将墨滴喷射到接受体形成图像或文字的非接触性打印技术。目的:总结并讨论喷墨打印技术的研究进展及其在组织工程中的运用。方法:由第一作者用计算机检索中国期刊全文数据库(CNKI:1995/2010)和PubMed数据库(1995/2010),检索词分别为"喷墨打印技术,细胞打印,生物材料,细胞因子"和"inkjetprinting,cellprinting,biomaterial,cytokine,organprinting"。共检索到352篇文章,按纳入和排除标准对文献进行筛选,共纳入35篇文章。从喷墨打印技术研究进展及其在组织工程中的运用2个方面进行总结,对喷墨打印技术在细胞打印、生物支架材料打印、细胞活性因子打印及细胞-生物支架材料同步打印的应用等方面进行介绍。结果和结论:喷墨打印技术作为一种新型组织工程技术,在组织与器官打印研究中有广泛的运用前景。该技术可以打印多种细胞,打印后的细胞能够存活和保持原有生物学活性,而且喷墨打印技术通过打印水凝胶支架材料,构建具有良好的三维结构的3D水凝胶支架。此外,运用喷墨打印技术可以打印细胞活性因子,并保持其生物学活性。通过同步打印细胞和生物支架材料,喷墨打印技术有望构建3D细胞-生物支架材料复合的仿生组织和器官。

组织工程用生物降解材料特性

组织工程的发展,希望生物医用材料能提供仿生微环境,且其生物降解速率和新组织形成速率相适应。本文侧重这些重要问题进行概述。

脂肪干细胞复合生物可降解材料体外构建组织工程尿道支架

背景:研究表明脂肪干细胞具有向尿路上皮细胞分化的能力,可作为尿道组织工程重建的种子细胞。为此,作者进行研究制作一种携带脂肪干细胞的新型尿道组织工程支架。目的:探讨利用人脂肪干细胞及聚乳酸/胶原材料构建新型组织工程尿道支架的可行性。方法:采用吸脂术中废弃的脂肪组织,进行脂肪干细胞的分离、培养并扩增;以胶原及聚乳酸为原料,采用溶剂挥发法及电纺丝法制备新型尿道支架,根据是否加入胶原,将支架分为含胶原组和无胶原组,将脂肪干细胞种植于上述两种尿道支架上复合培养7 d后,行MTT、活死染色、苏木精-伊红染色,评估人脂肪干细胞在尿道组织工程支架上的生长情况。结果与结论:①脂肪干细胞种植于支架7 d后,含胶原组细胞生长状态良好,表面形成两三层细胞,部分细胞浸润生长进入支架内部;无胶原组细胞分布密度低,仅形成一两层细胞,主要存在于支架的表面;②含胶原组支架上有90%以上的种植细胞为活细胞,提示细胞在支架表面存活状态良好,无胶原组支架上的细胞状态较差,仅有50%左右的活细胞;③含胶原组细胞呈持续增殖的趋势,更加适合细胞的生长与增殖;④结果表明,人脂肪干细胞及生物可降解材料聚乳酸/胶原可以用于构建组织工程尿道支架,为尿道损伤修复重建提供了新方法。

丝素蛋白作为组织工程生物材料的研究进展

目的介绍丝素蛋白作为生物材料在组织工程应用中的研究进展及前景。方法广泛查阅国内外关于丝素蛋白生物材料的研究文献,对丝素蛋白生物材料的性能及其在组织工程中的应用进行分析总结。结果丝素蛋白具有生物降解性和生物相容性等特点,支持多种细胞的黏附、分化和生长,可应用于人工韧带、血管、骨、神经组织等方面。修饰改性后的丝素蛋白可更好地应用于组织工程。结论丝素蛋白是一种良好的生物材料,在组织工程中有广泛的应用前景。

组织工程生物支架材料

组织工程支架材料表面的微观和亚微观结构对细胞的黏附与生长有很重要的影响 ,纳米结构材料的应用为该结构展现了较广阔的前景。另外 ,组织工程支架材料的表面修饰及孔径调控对生物材料的改进有很重要的作用。介绍了生物材料的基本要求和分类 ,纳米结构材料在组织工程中的应用及生物材料表面修饰 ,以及以泡沫支架为例介绍材料孔径调控。

无纺网与多孔海绵状材料作为软骨组织工程支架的适用性及体内降解性

背景:聚羟基乙酸无纺网与聚羟基丁酸酯-聚羟基己酸酯共聚物多孔海绵具有良好的塑形适应性、生物降解性与生物相容性。目的:观察聚羟基乙酸无纺网与聚羟基丁酸酯-聚羟基己酸酯共聚物多孔海绵作为软骨组织工程支架的适用性及体内降解性。方法:分别制备乳兔软骨细胞-聚羟基乙酸无纺网复合物、乳兔软骨细胞-聚羟基丁酸酯-聚羟基己酸酯共聚物多孔海绵复合物。在实验组成年兔两侧背部皮下分别植入制备的两种复合物,在对照组成年兔两侧背部皮下分别植入聚羟基乙酸无纺网与聚羟基丁酸酯-聚羟基己酸酯共聚物。结果与结论:组织学观察显示,以聚羟基乙酸无纺网获取的组织工程软骨,植入4周时软骨细胞较小,软骨内有较多聚羟基乙酸纤维残留,8周时软骨细胞较成熟,包埋在陷窝内,聚羟基乙酸纤维消失,12周时软骨细胞成熟,基质分泌丰富,无聚羟基乙酸存留;以聚羟基丁酸酯-聚羟基己酸酯共聚物多孔海绵获取的组织工程软骨,植入4周时软骨细胞不成熟,软骨基质内似"杂质"样材料残留物较多,8周时软骨细胞较成熟,软骨基质内仍可见材料残留,12周时软骨基质材料残留基本消失。两组组织工程软骨特殊染色与免疫组织化学检测均显示再生软骨胶原与基质黏多糖生成良好,软骨中均检测出Ⅱ型胶原。表明两种材料作为软骨组织工程支架具有良好的适用性,其降解时间均达到组织工程软骨构建的要求。

骨组织工程用细胞支架生物材料的研究进展

概述了作为骨组织工程细胞支架修复和替换用的高分子生物材料、生物陶瓷材料、陶瓷/聚合物基复合材料和第三代生物活性复合材料的研究进展。指出模拟天然骨形成机制,可以制备出仿生径向梯度分布、生物活性、无机物增强相与可降解材料复合且多孔的细胞支架材料,将是未来骨组织工程用支架材料的发展趋势。