生物医用材料专题2组织工程材料与人工器官 - - 软组织修复与重(3)

2019-04-16 16:00

物体内,成功地使血糖恢复到正常,从而为治疗糖尿病开辟了一个新途径,目前已进入临床前的研究。

根据上述同一原理,可利用中空纤维作为隔离膜包埋肝细胞,挽救肝衰病人的生命。同样用牛嗜铬细胞可以抑制晚期癌症难以控制的疼痛。

隔离膜对解决免疫排斥反应是非常有效的,但存在一些不足。如膜强度需进一步提高、对截留物质选择性不够强,目前只能通过控制膜上孔径大小来隔离不同分子量的物质。

三、组织工程支架的研究与制备方法

组织工程制成的器官常常需要制备一个临时的多孔支架。支架的功能是指导种植的细胞或者迁移到支架周围的细胞生长或增殖。因此支架应该首先是能够使细胞粘附、分化、增殖、迁移的底物。通常选择生物降解材料。天然的胶原或合成的聚α-羟基酸或酸酐都是很好的降解材料。聚α羟基酸如丙交酯-乙交酯共聚体(PLGA)、聚乙交酯(PGA)均为线形非交联聚合物,它们是生物相容性的,这些材料可使某些细胞粘附、增殖、保留分化功能。支架的多孔性是非常重要的,因为它能使细胞迁移或增殖。孔径大小影响细胞的长入和支架的内表而积。较大内表面积的支架可培养更多细胞,为再生器官提供足够的细胞。支架的强度对修复硬组织(如软骨或骨)尤为重要。支架的拉伸强度、不规则的三维几何形状及支架对生物活性物质的释放,都是设计研究中应考虑的重要因素。

聚合物支架的制备和加工质量直接关系到器官功能的优劣。近年来发展了很多制备和加工方法。每一方法均有其特点和优势,但没有一个是通用的,还需研究新的方法以满足不同器官的特殊需要。 以下介绍组织工程支架的几种制备方法:

1)纤维连结法

利用聚合物的溶解或熔融,将聚乳酸/二氯甲烷溶液灌注到聚乙交酯网状纤维上,经热处理后,制成聚乙交酯增强的网状支架。这个方法制成的支架有较好的强度和高比表面积,但无法调节和控制孔隙率。 2)溶剂浇铸和孔隙制取法

将细粉状氯化钠分散到聚乳酸氯仿溶液中,然后在玻璃板上浇铸,溶剂挥发后成膜,用水将氯化钠溶解提取出来,留下孔隙,得到多孔膜。膜的结晶度通过热处理调控。用此法制备膜时可以控制孔隙率(一般大于90%)和孔径,这对制备支架是非常重要的。本法的缺点是只能制作膜材,无法获得三维空间支架(但可以层叠,见下法)。 3)层压膜法

软骨或骨的修复需要三维空间支架。用溶剂浇铸法制成多孔膜后,再将其层压成具有三绝空间的支架,然后按设计的几何形状切割,即按解剖学要求制成可降解的聚乳酸或其共聚物支架。 4)熔融膜压法

熔融膜压法是将聚合物加热熔融后加压制成膜材。

聚乙丙交酯共聚物用熔融膜压法制三维多孔性支架时所用的致孔剂为明胶微球或其他水溶性物质,用水提取致孔剂后可得到多孔性支架。此法可用于聚乙交酯或聚乳酸为原料的支架制备。 5)纤维增强法

设计骨再生支架,首先要设计三维多孔性、形状不规则的聚合物支架;其次要求其具有高强度,能承受受损骨应力,直到长出新骨。聚α羟基酸酯用于骨的矫形,但制成的多孔性材料强度不够好。将羟基磷灰石的短纤维均匀混入聚

合物中可提高强度。但是把无机纤维与有机聚合物混合均匀是非常困难的。可用溶剂浇铸法将羟基磷灰石与致孔剂和聚合物溶液混合均匀。然后将溶剂挥发,制成增强的多孔膜,再经层压形成三维多孔结构。用羟基磷灰石纤维增强的聚合物多孔支架与末增强的材料相比,其抗压强度显著增加。 6)相分离法

支架中引入的活性物质植入人体后进行释放,对组织的生长和细胞的功能都有巨大作用。制造多孔聚乳酸支架时为了使活性物质避免化学、高温的恶劣环境,可采用相分离法。将聚合物溶于溶剂,加入活性分子,冷却后形成液—液相,急冷,固化,再升华除去溶剂,得到含有活性因子的多孔支架。这种方法对小分于药物释放是有效的,但对大分子蛋白还需研究解决通透问题。 7)原位聚合法

上述方法都是在体外预先制成支架,然后植入人体内。有些情况下(如手术进行中)需要修补损伤部位,这时可用原位聚合的方法实现,将单体置于损伤处进行聚合。例如,聚富马酸丙烯酯的线形粘稠液体经与N-乙烯毗咯烷酮交联,可直接固定在骨损伤部位。为了制成多孔固化材料,可以在聚合交联时加入氯化钠,形成的孔道能使组织长入。为了促进骨的生长,可加入β-三磷酸钙或其他骨诱导剂。聚富马酸丙烯酯是生物降解材料,新骨生长后材料逐渐降解,并从体内排出。

组织工程支架的制备工艺是多种多样的。有的支架材料具有多孔性、高强度,有些材料可释放生物活性因子,但目前尚无理想的通用支架。

如何制备高强度聚合物支架,以解决硬组织所承受的应力,同时能释放出蛋白和生长因子,促进细胞生长,是今后研究的课题。发现新型支架材料,发展制备方法,将是开发新一代人工器官的基础。

四、细胞与材料的界面反应 1、细胞与材料界面反应的评价方法

通常是在体外用细胞培养的方法来评价细胞与聚合物界面的反应状况。将细胞置于聚合物表面,在细胞培养条件下测定细胞粘附、扩散、生存、功能、死亡等参数。

1)细胞的粘附和扩散

人体多数细胞是贴壁细胞,生长过程中需贴附于固体表面。在组织工程中细胞的贴壁非常重要,因为贴壁后细胞才能扩散、迁移或分化。很多因素影响细胞贴壁。

最简单的测定方法分三步: ①将细胞分散到聚合物表面; ②进行细胞培养;

③在一定作用力下脱附那些贴附较弱的细胞,最后统计贴壁的细胞数。 2)细胞的迁移

细胞迁移在组织工程中同样是重要的,因为关系到新组织的形成和修复。细胞迁移不易测定,尤其在复杂环境中。在某些特殊条件下,可用种群技术测定细胞的迁移。 3)细胞的聚集

细胞聚集是研究组织形成的重要途径,它可以提高杂化人工器官的功能及植入组织的重建。某些特定技术可以制取细胞聚集体。最近报道,将细胞结合肽接到聚乙二醇上能促进细胞的聚集。用聚集体的形成和动力学来评价细胞与材料界面反应是一个重要的方法。

4)细胞的功能

在组织工程研究中往往希望提高某种细胞的特殊功能,如提高肝细胞的蛋白分泌和解毒功能。在软骨细胞、成骨细胞和成纤维细胞中,生成细胞外间质蛋白是重要的生理现象。提高细胞功能是组织工程非常关注的问题,由于细胞功能与材料有着密切关系,所以用细胞功能优劣可评价细胞与材料的界面反应。

2、材料化学表面对细胞的影响

聚合物表面的化学组成对细胞的贴附和扩散有重要影响。例如,将不同浓度的聚甲基丙烯酸羟乙酯沉积到聚苯乙烯表面,随着沉积量的增多,细胞的贴附能力提高,细胞的扩散也加快,直接影响了细胞的生长和增殖。研究表明,聚合物表面化学组成由苯乙烯变成甲基丙烯酸羟乙酯,由亲油性变为亲水性时,贴附的细胞功能改变了。这一点对组织工程是非常重要的。聚合物表面有亲水基团有利于细胞的贴附和生长。

聚苯乙烯表面常用硫酸或等离子体处理,以增加表面带电基团,从而改善细胞的附着。成纤维细胞、内皮细胞和角膜内皮细胞与聚合物表面的作用都说明了上述规律。有人指出,羟基、羰基等都对细胞的贴附和生长有影响。 目前尚无完整理论来指导或预见聚合物表面性质对不同种类细胞贴附、扩散和生长的影响。聚合物表面性质(如羟基的密度、表面能、成纤维蛋白的吸附量及含水量等)对某些个别细胞的影响已有报道。只有对聚合物表面和本体全面深入了解,才能揭示细胞与材料界面反应的本质。虽然很难观察到界面反应对植入体的影响,但聚合物表面不同官能团对细胞确实存在重要作用。例如巨噬细胞在水凝胶表面形成多核巨大细胞时,巨噬细胞的融合作用随着下面官能团的顺序而下降:


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