制备软骨组织工程支架的材料和方法

背景：软骨组织工程的研究为修复软骨缺损提供了新的思路和方法,其中如何获得理想的组织工程支架是这一研究的核心和难点。目的：回顾性分析软骨组织工程支架的材料选择和制备方法。方法：由第一作者检索2000至2012年PubMed数据库、ELSEVIER SCIENCEDIRECT、万方数据库、中国知网库有关制备软骨组织工程支架的材料选择和方法等方面的文献。结果与结论：软骨支架材料分为天然生物材料、人工合成高分子材料和复合材料。可采用相分离法、溶剂浇铸/粒子沥滤技术、气体发泡技术、快速成型技术及静电纺丝法制备支架材料。由于胶原、琼脂糖和藻酸盐等水凝胶类天然材料可提供足够的生物相容性、增殖和黏附能力及亲水性,电纺的人工合成高分子材料复合支架又可以保证支架的力学强度、塑形要求、孔隙率、可降解性等,将天然材料利用包埋技术和表面修饰技术复合于电纺的高分子复合材料支架上将更有利于支架性能的发挥。     

制备软骨组织工程支架的材料和方法

背景:软骨组织工程的研究为修复软骨缺损提供了新的思路和方法,其中如何获得理想的组织工程支架是这一研究的核心和难点。目的:回顾性分析软骨组织工程支架的材料选择和制备方法。方法:由第一作者检索2000至2012年PubMed数据库、ELSEVIER SCIENCEDIRECT、万方数据库、中国知网库有关制备软骨组织工程支架的材料选择和方法等方面的文献。结果与结论:软骨支架材料分为天然生物材料、人工合成高分子材料和复合材料。可采用相分离法、溶剂浇铸/粒子沥滤技术、气体发泡技术、快速成型技术及静电纺丝法制备支架材料。由于胶原、琼脂糖和藻酸盐等水凝胶类天然材料可提供足够的生物相容性、增殖和黏附能力及亲水性,电纺的人工合成高分子材料复合支架又可以保证支架的力学强度、塑形要求、孔隙率、可降解性等,将天然材料利用包埋技术和表面修饰技术复合于电纺的高分子复合材料支架上将更有利于支架性能的发挥。     

聚碳酸亚丙酯/壳聚糖纳米纤维复合三维多孔支架的构建与性能

背景:聚碳酸亚丙酯(PPC)具有良好的力学性能和生物相容性,但是也存在合成高分子的共性不足即缺乏生物活性.壳聚糖纳米纤维具有优异的生物活性,但力学性能较差,很难保持稳定的高强度三维结构.目的:将壳聚糖纳米纤维与聚碳酸亚丙酯复合,制备具有优异生物活性和良好力学性能的三维多孔组织工程支架.方法:用溶液浇铸/粒子沥滤法制备PPC多孔支架,再用相分离法原位复合三维壳聚糖纳米纤维制备聚碳酸亚丙酯,壳聚糖纳米纤维复合三维多孔支架(PPC/CSNF).用扫描电子显微镜观察PPC及PPC,CSNF多孔支架微观形态,并测定其压缩模量、孔隙率.用扫描电子显微镜观察PPC/CSNF多孔支架在新西兰大白兔大腿皮下埋植1,2个月后的细胞生长情况.结果:PPC多孔支架孔径分布为200-500 μm且孔连通性好,PPC/CSNF多孔支架中的壳聚糖纳米纤维分布均匀其直径在50～500 nm之间;各种质量浓度的支架孔隙率均为90%以上;各种支架的压缩模量随着PPC浓度的增加而增加,最高可达约15 MPa;体内埋植的实验结果表明PPC/CSNF多孔支架具有良好的生物活性,可促进骨髓基质干细胞向软骨细胞分化.结果提示溶液浇铸/粒子沥滤法与低温相分离法相结合成功制备了力学性能与生物活性优异的PPC/CSNF多孔支架.该支架可促进新西兰大白兔的骨髓基质干细胞向软骨细胞分化.     

软骨组织工程常用支架制备技术

随着软骨组织工程的发展,如何获得理想的支架已成为这一课题的核心热点和难点.软骨组织工程式支架要求具有特定的物理、生化特性,例如极强的生物相容性、合适的生物降解性、可控的孔径大小、足够的孔隙率队等.而这些性能的获得主要与两方面的因素有关,一是支架材料本身的影响,二是支架制备技术的选择.本综述对三维多孔支架的制备技术进行了较为全在的回顾.主要介绍了溶剂浇铸/粒子沥滤技术、相分离/冻干技术、水凝胶技术、气体发泡技术、静电纺丝技术、快速成型法.通过比较不同支架制备技术对支架结构和性质的影响,总结分析了各种技术的优缺点,同时对软骨组织工程中支架制备技术的发展趋势进行了展望.     

软骨修复材料种类的比较

背景：软骨修复材料要求具有特定的生化、物理性质,如极强的生物相容性、合适的生物降解性、可控的孔径大小、足够的孔隙率等。目的：对比分析各种软骨修复材料的特点。方法：应用计算机检索万方数据库、CNKI数据库2001/2010与软骨修复材料相关的文章,检索关键词为＂软骨,修复,支架材料,组织工程,生物材料＂。结果与结论：软骨组织工程支架材料分为天然支架材料、复合支架材料、可注射支架材料、仿生支架材料等。但是各种材料具有各自的优势与不足,目前多采用复合支架材料或利用仿生原理制备仿生支架材料或是可注射型支架材料,以充分发挥材料的优势,克服不足,使其生物力学特性更加接近天然骨组织。尽管骨组织工程研究已经取得了相当快速的进展和成果,但仍有许多问题需要解决：支架的免疫原性即降解转归及对机体的影响;支架是否可与软骨下骨有效结合;支架材料的降解速度是否可与组织形成相匹配;支架的生物力学性能是否与软骨组织相同或接近等。     

β-磷酸三钙复合有机高分子聚合物骨支架材料：制备及应用中的问题

背景：通过研究发现,将β-磷酸三钙与其他高分子化合物复合,可以提高其力学强度和组织相容性,符合临床应用的要求。
　　目的：评价骨组织工程复合支架的选择和制备方法,并叙述面临的问题。
　　方法：由第一作者应用计算机检索2002至2014年PubMed数据库、GOOGLE学术数据库、CNKI数据库、万方数据库、维普数据库,中文检索词为“β-磷酸三钙或β-TCP,聚乳酸-羟基乙酸共聚物,聚乳酸,制备,骨组织工程支架”,英文检索词为“β-tricalcium phosphate,PLGA,PLA,scaffold,prepare”。
　　结果与结论：为了解决骨移植中骨量不足的问题,聚乳酸-羟基乙酸共聚物/聚乳酸复合β-磷酸三钙材料作为骨组织工程支架材料已取得较大的进展,目前可采用微球烧结、纤维黏结、溶剂浇铸/粒子沥滤、乳化/冷冻干燥技术、气体发泡法、相分离技术、快速成型技术和静电纺丝等方法制备复合有机高分子聚合物的支架。聚乳酸-羟基乙酸共聚物/聚乳酸与β-磷酸三钙复合支架可定制,可以通过改进制造技术、工艺等问题,以满足不同的骨组织工程应用需求。     

羟基丁酸-羟基辛酸聚合物-胶原骨软骨支架的制备及应用

背景：关节软骨修复的关键是软骨和软骨下骨的整体修复,然而目前尚缺乏理想的一体化支架。目的：制备聚羟基丁酸-羟基辛酸-胶原一体化支架,并分析其基本生物学特性。方法：以聚羟基丁酸-羟基辛酸、Ⅰ型胶原为材料,通过溶剂浇铸-颗粒沥滤法制备聚羟基丁酸-羟基辛酸-胶原一体化支架,观察支架超微结构,支架孔径及孔与孔的连通情况;液体置换法测定支架孔隙率。将乳兔骨髓间充质干细胞接种于聚羟基丁酸-羟基辛酸-胶原一体化支架上,扫描电镜观察细胞在支架上的黏附状态,MTT法测定细胞在支架上的生长曲线。结果与结论：一体化支架呈疏松多孔结构,软骨层孔径80-100μm,骨层孔径200-220μm,孔隙率（80.0±2.3）%。骨髓间充质干细胞在支架上黏附状态良好,增殖迅速。说明聚羟基丁酸-羟基辛酸-胶原骨软骨一体化支架具备适宜的孔隙结构和良好的生物亲和性。     

羟基丁酸与羟基辛酸共聚物一体化骨软骨组织工程支架的制备及性能

背景:单层支架难以满足关节软骨损伤修复的要求,现提出骨软骨共同修复的一体化支架,以弥补了单一支架的部分缺陷。目的:以羟基丁酸与羟基辛酸共聚物为基础材料,羟基磷灰石等为复合材料研制一体化骨软骨组织工程支架,测试该支架的物理特性和细胞黏附性。方法:采用溶剂浇铸/颗粒沥滤法,以支架孔径、孔隙率、力学强度和细胞黏附生长率为检测指标,以羟基丁酸与羟基辛酸共聚物为连续相,通过改变致孔剂NaCl粒径和羟基磷灰石材料配比制备不同形态结构、力学强度和生物学功能的三层一体化骨软骨组织工程支架。结果与结论:致孔剂与支架材料的最佳质量配比分别为软骨层4.5/1,过渡层2.5/1,硬骨层3.5/1。扫描电镜观察显示支架的三层结构明显不同且紧密结合,其软骨层、过渡层、硬骨层的孔径分别为150~250μm,≤60μm,150~450μm;孔隙率检测结果依次为84%,60%,75%;力学强度测定依次为2.93,6.43,4.30MPa;支架对骨髓间充质干细胞无毒性,细胞黏附与生长状态良好。结果表明该一体化骨软骨组织工程支架具有仿生学特性,符合骨软骨组织工程支架的基本条件。     

羟基丁酸-羟基辛酸一体化骨软骨支架的体外血管化

背景：前期实验构建的羟基丁酸-羟基辛酸共聚体一体化骨软骨支架具备良好的生物相容性、生物可降解性，并且降解产物无毒性。 目的：将兔肾微血管内皮细胞与羟基丁酸-羟基辛酸一体化骨软骨支架复合培养，观察支架骨层血管化效果。方法：运用溶剂浇铸-颗粒沥滤法，制备具有骨层/骨与软骨界面层/软骨层3层结构的羟基丁酸-羟基辛酸一体化骨软骨支架。将传代培养至第3代的兔肾微血管内皮细胞，接种到一体化骨软骨支架骨层支架上，MTT法检测细胞在支架上的增殖活性，10 d后苏木精-伊红染色及电镜观察细胞在支架内的生长状况。 结果与结论：一体化骨软骨支架外观具备明显的3层结构，各层之间连接紧密，骨层疏松多孔，各层支架孔隙均匀且相通，一体化支架孔隙率为78%。兔肾微血管内皮细胞在支架上分裂增殖良好，复合培养10 d后，细胞在骨层支架内呈立体生长，中间界面层内未发现细胞，苏木精-伊红染色可见细胞黏附生长于骨层支架孔隙间，细胞依附支架的多孔结构生长，形成管腔样结构，但细胞并未长入中间界面层。     

软骨组织工程中支架材料的文献回顾

背景：目前报道的软骨组织工程支架材料,大体分为天然高分子材料、人工合成可降解材料、天然材料与合成高分子材料复合构造的新型生物材料和纳米材料4大类。目的：总结近年来国内外关于组织工程支架材料的文献,对其进行简要综述,并探讨目前存在的问题和应用前景。方法：由第一作者应用计算机检索PubMed数据库及中国期刊网全文数据库1997-01/2011-01有关软骨组织工程支架材料的文章,英文检索词为＂natural polymer materials,synthetic materials,new biological materials,nanometer materials,scaffold materials,cartilage tissue engineering＂,中文检索词为＂天然高分子材料,人工合成材料,新型生物材料,纳米材料,支架材料,软骨组织工程＂。排除重复性研究,共保留33篇文献进行综述。结果与结论：软骨组织工程支架已由先前的单一材料逐渐向复合材料转变,其孔隙率更高、抗原性更低、组织相容性更好,软骨细胞的黏附及增殖更好。结合计算机辅助设计和三维打印快速成形技术,将生物可降解材料预制加工成精确形状,通过降解速率较慢的内支撑支架,维持材料支架的精确外形,研发具有一定机械强度、适当孔径和精确外观形状的可降解生物支架材料是未来的发展方向。     

纳米羟基磷灰石/聚磷酸钙纤维/聚乳酸骨组织工程复合支架的特性

背景：近年来国内外在骨与软骨组织支架复合材料方面进行了广泛的研究,取得了积极的成果,但仍存在许多问题。目的：观察纳米羟基磷灰石/聚磷酸钙纤维/聚乳酸（HAP/CPP/PLLA）骨组织工程支架复合材料的特性。方法：采用溶媒浇铸、粒子滤取技术与气体发泡相结合的方法制备出纳米HAP/CPP/PLLA骨组织工程支架复合材料,测试该支架复合材料的物理力学性能,并用扫描电子显微镜对其微观结构进行观察。结果与结论：结果表明,纳米HAP/CPP/PLLA支架复合材料具有三维、连通、微孔网状结构,并具有较高的孔隙率和较好的压缩模量,是理想的骨组织工程支架材料。     

纳米羟基磷灰石/聚磷酸钙纤维/聚乳酸骨组织工程复合支架的特性

背景:近年来国内外在骨与软骨组织支架复合材料方面进行了广泛的研究,取得了积极的成果,但仍存在许多问题.目的:观察纳米羟基磷灰石/聚磷酸钙纤维/聚乳酸(HAP/CPP/PLLA)骨组织工程支架复合材料的特性.方法:采用溶媒浇铸、粒子滤取技术与气体发泡相结合的方法制备出纳米HAP/CPP/PLLA 骨组织工程支架复合材料,测试该支架复合材料的物理力学性能,并用扫描电子显微镜对其微观结构进行观察.结果与结论:结果表明,纳米HAP/CPP/PLLA 支架复合材料具有三维、连通、微孔网状结构,并具有较高的孔隙率和较好的压缩模量,是理想的骨组织工程支架材料.     

高性能多孔β-磷酸三钙骨组织工程支架的3D打印

背景：虽然采用溶液浇铸/离子洗出法、原位成型法、静电纺丝法、相分离/冻干法、气体成孔法等制备骨组织工程支架可以获得比较满意的效果,但在精确性、孔隙均匀性、空间结构复杂性、支架个性化等方面略显不足。 目的：利用3D打印制备β-磷酸三钙骨组织工程支架。 方法：利用3D打印制备载药β-磷酸三钙支架,观察其结构,测量其孔隙率和力学强度。将载药β-磷酸三钙支架置入模拟体液中15周,观察其质量变化。将载药β-磷酸三钙支架与大鼠骨髓间充质干细胞共培养7 d,观察细胞黏附与形态变化。分别采用载药β-磷酸三钙支架浸提液与含体积分数15%胎牛血清的低糖 DMEM培养基培养大鼠骨髓间充质干细胞,培养24,48,72 h检测细胞A值,并确定细胞毒性分级;同时成骨诱导培养1周,检测两组细胞碱性磷酸酶活性。 结果与结论：实验制备的支架微观孔隙呈不规则形,孔隙率高,孔隙分布均匀,孔隙连通率高,抗压强度大。载药β-磷酸三钙支架在15周内基本降解完全,与松质骨缺损修复时间相当。大鼠骨髓间充质干细胞黏附于载药β-磷酸三钙支架表面,并深入支架内部,生长良好,增殖活跃,细胞碱性磷酸酶活性有提高,说明载药β-磷酸三钙支架具有良好的细胞相容性。     

Improving pore interconnectivity in polymeric scaffolds for tissue engineering

A new scaffold fabrication technique aiming to enhance pore interconnectivity for tissue engineering has been developed. Medical grade poly(lactic acid) was utilized to generate scaffolds by a solvent‐evaporating/particulate‐leaching technique, using a new dual‐porogen system. Water‐soluble sodium chloride particles were used to control macro‐pore size in the range 106–255 µm, while organic naphthalene was utilized as a porogen to increase pore interconnections. The three‐dimensional (3D) morphology of the scaffolds manufactured with and without naphthalene was examined by optical coherence tomography and scanning electron microscopy. The mechanical properties of the scaffolds were characterized by compression tests. MG63 osteoblast cells were seeded in the scaffolds to study the cell attachment and viability evaluated by confocal microscopy. It was revealed that introducing naphthalene as the second porogen in the solvent‐evaporating/particulate‐leaching process resulted in improvement of the pore interconnectivity. Cells grew in both scaffolds fabricated with and without naphthalene. They exhibited strong green fluorescence when using a live/dead fluorescent dye kit, indicating that the naphthalene in the scaffold process did not affect cell viability. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

Fabrication of fibrillated and interconnected porous poly(ε-caprolactone) vascular tissue engineering scaffolds by microcellular foaming and polymer leaching

This paper provides a method combining eco-friendly supercritical CO₂ microcellular foaming and polymer leaching to fabricate small-diameter vascular tissue engineering scaffolds. The relationship between pore morphology and mechanical properties, and the cytocompatibility, are investigated with respect to the effects of poly(ε-caprolactone)/poly(ethylene oxide) (PCL/PEO) phase morphologies and PEO leaching. When PEO content increases, the pore size decreases and the pore density increases. After the leaching process, highly interconnected and fibrillated porous structures are detected in the foamed PCL70 blend with droplet-matrix morphologies. Moreover, the leaching process had a greater contribution to improve the open-cell content in the PCL50 blend, which has a co-continuous morphology and easily obtained open-cell content of more than 80%. Small-diameter tubular PCL70 and PCL50 porous scaffolds with an average pore size of 48 ± 1.4 μm and 30 ± 1.0 μm respectively, are fabricated successfully. Prominent orientated pores are found in the PCL70 scaffold, and a mixed microstructure combining interconnected channels and open cells occurs in PCL50 scaffold. The PCL70 scaffold has a greater longitudinal tensile strength, longer toe region, and larger cyclical recoverability. HUVECs tend to align along the direction of the pore orientation in the PCL70 scaffold, whereas HUVECs have a higher density and spreading area in the PCL50 scaffold. The results gathered in this paper may provide a theoretical basis and data support for fabricating small-diameter porous tissue engineering vascular scaffolds.

This paper provides a method combining eco-friendly supercritical CO₂ microcellular foaming and polymer leaching to fabricate small-diameter vascular tissue engineering scaffolds.     

羟基丁酸-羟基辛酸聚合物／胶原软骨组织工程支架的细胞亲和性

背景：已有很多实验证明,单独高分子材料或生物性材料制备的组织工程支架无法满足组织工程研究。目的：评价羟基丁酸-羟基辛酸聚合物/胶原组织工程支架的生物学特性及细胞亲和性。方法：以羟基丁酸-羟基辛酸聚合物作为主体材料,按质量分数复合不同比例（2%,4%,6%,8%,10%）的胶原,采用溶剂浇铸-颗粒沥滤法制备组织工程支架。通过扫描电镜观察材料内部结构及孔径大小,液体位移法测定材料孔隙率。将羟基丁酸-羟基辛酸聚合物/胶原支架、羟基丁酸-羟基辛酸聚合物支架分别与兔软骨细胞复合培养,MTT法测定细胞的生长曲线,扫描电镜观察细胞在材料上的生长黏附情况。结果与结论：羟基丁酸-羟基辛酸聚合物/胶原复合软骨组织工程支架孔径大小200μm 左右,孔隙率为（85±2）%,细胞亲水性随加入胶原比例的增加而升高。与羟基丁酸-羟基辛酸聚合物支架比较,不同比例的羟基丁酸-羟基辛酸聚合物/胶原支架可明显促进软骨细胞的黏附、增殖。证实羟基丁酸-羟基辛酸聚合物/胶原复合支架具备更好的细胞亲和性。     

应用溶剂浇铸-颗粒滤沥法制备气管软骨组织工程管状泡沫支架

背景:孔径和孔隙率是三维多孔状材料的两个主要评价指标,孔隙率越高越利于软骨细胞的长入及增殖,但是,随着孔隙率的进一步增高支架的抗压强度随之下降,并且一定孔径的有效孔也下降。因此合适的孔径及孔隙率的三维多孔支架材料的制备是气管组织工程成败的重要一环。目的:以溶剂浇铸-颗粒滤沥法制备管状泡沫支架,为气管软骨组织工程寻找实用、理想的支架。设计:观察性实验。单位:郧阳医学院附属太和医院耳鼻咽喉科,四川大学华西医院耳鼻咽喉科。材料:实验于2002-03/05在中科院成都分院化学所完成。外消旋聚乳酸原料,Mr=4.23×104,氯化钠颗粒(直径50～200μm)为致孔剂。方法:在半球形玻璃容器中,将外消旋聚乳酸溶于氯仿中,配制成100g/L的溶液,然后按800,850,900,920,940,960g/L不同质量分数加入氯化钠颗粒(50～200μm)作为致孔剂(1～6号支架),搅拌混匀,制成混悬液,呈糊状。将混悬液浇铸于管柱状模具中加热(90℃)、加压,然后置于通风柜中48h待溶剂挥发,残余溶剂抽真空除去。取出已定型干燥管柱状泡沫支架,放入盛有双蒸水的烧杯中浸泡48h,间隔8h换水1次,去除致孔剂氯化钠。然后将所有管柱状材料放入真空干燥箱中24～48h,即得多孔管柱状外消旋聚乳酸三维支架材料。经过大体及扫描电镜的观察支架形状及强度,同时进行孔隙参数的测定及分析。主要观察指标:①管状泡沫支架大体和扫描电镜观察结果。②孔隙参数的测定。结果:①支架外观为白色、管柱状泡沫,内径8mm,外径12mm。孔径80～250μm、孔隙率90.6%的支架具有一定的强度及韧性。②扫描电镜观察外消旋聚乳酸支架中有大小不等的孔分布,支架内孔与孔之间相互连通,并且大孔中又包含无数小孔。③随着氯化钠质量分数的增加支架的孔隙率也增加,但有效孔并不随着氯化钠质量分数的增加而增加。孔径为80～250μm,各样品有效孔不同,4号样品有效孔为76%,对应的孔隙率为90.6%。4号样品为较理想的支架。结论:通过溶剂浇铸-颗粒滤沥法制备的管状泡沫支架是气管软骨组织工程合适的支架。     

聚乳酸/壳聚糖纳米纤维/纳米羟基磷灰石支架与兔软骨细胞的相容性

背景：传统的支架材料存在疏水性强,材料表面缺乏细胞表面受体特异结合的生物活性分子,材料的酸性降解产物易引发无菌性炎性反应等不足。根据仿生原理及软骨真实结构和构成来选择和制备组织工程软骨支架能够获得理想效果。目的：制备聚乳酸/壳聚糖纳米纤维/纳米羟基磷灰石支架,评价其与兔膝关节软骨细胞的生物相容性,探讨其应用于关节软骨组织工程的可行性。方法：采用二次相分离技术制备聚乳酸/壳聚糖纳米纤维/纳米羟基磷灰石复合支架,将第3代新西兰兔软骨细胞接种至复合支架材料上复合培养,倒置相差显微镜下观察细胞生长情况。细胞-支架复合物在24孔板中培养5d以后,将其植入裸鼠皮下8周。结果与结论：聚乳酸/壳聚糖纳米纤维/纳米羟基磷灰石支架材料经化学合成后,具有合适的三维多孔结构,孔隙率为90%孔径300-450μm;植入裸鼠皮下8周后Ⅱ型胶原免疫组织化学染色和甲苯胺蓝染色显示细胞-支架复合物中的软骨细胞可以像天然软骨一样分泌黏多糖和Ⅱ型胶原。提示生物材料聚乳酸/壳聚糖纳米纤维/纳米羟基磷灰石对于兔软骨细胞有良好的生物相容性,可作为生物组织工程支架。