计算机辅助组织工程:概况、范围和挑战(第一部分)

计算机辅助技术结合生物学、工程学和信息科学在组织工程中应用已发展成一个崭新领域———计算机辅助组织工程(CATE)。这一新出现领域包括针对生物组织和器官替代物设计、仿真和制造的计算机辅助设计(CAD)、影像处理、建模的任意实体加工(SFF)和制造。本文就此领域的一些突出进展进行综述、介绍,尤其着重在计算机辅助组织建模、计算机辅助组织信息学和计算机辅助组织支架设计和加工三个方面。并特别从高分辨率非侵入性成像、基于影像的三维重建和基于CAD的组织模型重建技术的几个方面入手,对CATE建模发展的方法学进行了讨论。也将对组织工程中SFF技术的最新进展、生物蓝图模型对细胞及器官三维喷印的应用进行介绍。     

计算机辅助组织工程:概况、范围和挑战(第二部分)

(续2005年第20卷第1期第54页)3计算机辅助支架设计和制造组织工程应用中三维组织支架或组织替代物的设计,必须考虑宿主组织和/或支架环境的系统复杂性和结构异质性。除了促进新生细胞长入和细胞组织形成的重要因素外,如孔隙率、孔隙大小、内在交通性和营养运输的特性,所设计的支架也应该具有与宿主环境中相适应的力学性能,以及在负重组织支架或替代物如骨和软骨的设计中,要求在移植后具有力学强度[44,45]。3.1组织支架的仿生建模和设计负重组织支架有其自身一定的特性以执行真正骨替代物的功能,从而满足生物学、力学和几何形态的要求。这些特性包括:(1)生物学要求——所设计支架必须便于细胞附着和分布,再生组织     

计算机辅助组织工程的发展和现状

计算机辅助技术在组织工程学中的应用已经成为一个新的研究课题——计算机辅助组织工程(CATE)。作者回顾了计算机技术、影像学技术、计算机辅助设计和制造(CAD/CAM)以及快速成型技术在组织工程学中的应用,主要介绍计算机辅助解剖建模、三维解剖显像、三维重建、基于CAD的解剖建模、计算机辅助组织分类、内植物植入及快速成型辅助外科重建的发展和应用。     

个体化组织工程支架CAD设计与RP制作的方法的研究

目的 开发一种内部孔隙有规律地相互连通的组织工程支架的制作方法，避免以往通常采用的组织工程支架制作方法的缺陷。方法 采用CT／MRI扫描三维重建建立待修复组织的解剖模型，采用CAD软件设计支架内部结构建立解剖外形支架的实体模型，选择合适的快速成型方法精确制作组织工程支架原型。结果 经CT／MRI图像三维重建、CAD设计建立模型指导立体光固化工艺成功制作了三维外形的支架。结论 采用以上方法设计、制作个体化的组织工程支架是可行的。     

聚乙烯醇及其复合材料在组织工程支架中的应用

背景：聚乙烯醇是具有良好生物相容性和生物降解特性的聚合物,因其水溶性、成膜性、乳化性、胶黏性,而且无味无毒,被广泛用于临床领域。目的：综述聚乙烯醇及其复合材料在骨、软骨、皮肤、血管等组织工程支架中的应用。方法：由第一作者检索2000年1月至2011年12月中国知网数据库、1980年1月至2012年12月Pubmed数据库及 Elsevier数据库中,有关聚乙烯醇及其复合材料在骨、软骨、皮肤、血管等组织工程支架中应用的文章,中文关键词为 “聚乙烯醇,复合材料,组织工程支架”,英文关键词为 “Poly (vinyl alcohol),composite material, tissue engineering scaffold”。结果与结论：虽然聚乙烯醇及其复合材料还存在强度不够高、植入后有并发症等缺点,但这类材料具有良好的生物相容性和生物可降解特性,在组织工程中的应用从实验室到临床前研究都有很大的进展。对于其修复的长期效果还需要进一步深入研究。通过对材料表面进行修饰,改善细胞与支架材料的相互作用;通过模拟细胞生长微环境,制备仿生材料,提高材料的亲水性、对细胞的黏附性,促进细胞的分化增殖;构建具有可控三维多孔结构的支架,并赋予其控制释放细胞生长因子等功能,更好地仿生天然细胞外基质的结构和功能;制备出降解速度与机械强度能够完全适应组织再生需要的支架,研制复合、仿生材料是今后支架材料研究的主要方向。     

组织工程材料仿生化构建的研究进展

组织工程是通过细胞和生物材料的组合重建组织的,涉及细胞分化和细胞增殖。无论何种材料作为组织工程支架,只有提供仿生的组织环境才能保持细胞正常的生长状态。通过探索细胞与基质之间的相互关系,模拟体内细胞的生存条件,为工程化组织的构建的发展起到关键的作用。就有关进展做一综述。     

几丁聚糖在组织工程中的应用

支架材料作为组织工程的生物学植入替代物,对细胞移植与引导新组织生长有重要的作用.几丁聚糖可制成无毒性、无刺激性、生物相容性和生物可降解性良好的生物医用材料,在人工皮肤、骨修复材料、手术缝线等方面已广泛应用.本文分析了纯几丁聚糖支架结构和它与其他天然或合成材料复合后的支架结构的物理、化学性质及其独特的生物学功能,同时还进一步介绍了其应用的范例并探讨了发展前景.     

静电纺丝技术构建组织工程气管支架的研究进展

支架的选择是组织工程气管替代研究的核心内容之一.阐述了电纺技术的概况及新发展,分析比较天然、合成和复合材料的电纺支架的优缺点,其在气管支架的选材及制作处理方法上的独特优势.对于具体实验或临床对象,应选择合适的聚合物,改进表面修饰技术及调控电纺纤维的结构尺寸和配置,以符合组织特异性和多样性,更好地构建组织工程气管支架.     

具有定向结构管状心肌组织工程支架的构建

心肌组织工程支架是心肌组织工程研究的重要内容之一.本文通过模仿天然心肌细胞外基质的材料组成和结构特征,采用＂胶原-壳聚糖-黏着＂蛋白的材料体系,设计并应用定向凝固后热致相分离的成形工艺,构建具有定向大孔和贯通小孔的管状心肌组织工程支架.扫面电镜观察结果表明,该心肌组织工程支架具有100μm左右定向大孔和10μm左右贯通小孔的孔隙特征,定向结构取向明显.生物学实验显示细胞与支架相容性良好,并可贴附支架沿孔隙生长.本文构建的具有定向结构的管状心肌组织工程支架,具有进一步用于组织工程心肌体外构建的潜力.     

组织工程与生物材料

介绍了组织工程的原理、研究现状,以及相关生物材料的基本概念和生物材料的发展概况.指出目前组织工程的研究为生物材料提供了极大的发展机会,认为可降解生物材料是组织工程用支架材料的研究重点,未来组织工程相关生物材料的发展方向是仿生化和智能化,组织工程学的发展将会促进材料的发展,并将由此产生巨大的社会效益和经济效益.     

High-resolution 3D scaffold model for engineered tissue fabrication using a rapid prototyping technique

Rapid prototyping, automatic image processing (computer-aided design (CAD)) and computer-aided manufacturing techniques are opening new and interesting prospects for medical devices and tissue engineering, especially for hard tissues such as bone. The development of a bone high-resolution scaffold prototype using these techniques is described. The results testify to the fidelity existing between microtomographic reconstruction and CAD. Furthermore, stereolithographic manufacturing of this scaffold, which possesses a high degree of similarity to the starting model as monitored by morphological evaluations (mean diameter 569±147 μm), represents a promising result for regenerative medicine applications.     

Non-invasive monitoring of tissue scaffold degradation using ultrasound elasticity imaging

Non-invasively monitoring the extent of cell growth, scaffold degradation and tissue development will greatly help tissue engineers to monitor in vivo regenerate tissue function and scaffold degradation. Currently available methods for tissue and scaffold degradation analysis, such as histology and direct mechanical measurements, are not suitable for continuous monitoring of the same sample in vivo as they destroy cells, tissue matrix and scaffolds. In addition, different samples are prepared and measured at varying times, but high tissue growth deviation between specimens and the need for monitoring tissue growth and scaffold degradation at different times requires large sample numbers for statistical analysis. Ultrasound elasticity imaging (UEI) based on phase-sensitive speckle tracking can characterize the internal structural, compositional and functional change of biomaterial scaffolds and engineered tissues at high resolution. In this study, UEI resolution was 250 microm (axial) by 500 microm (lateral) using a commercial ultrasound transducer centered at 5 MHz. This method allows characterization of both globally and locally altered scaffold and engineered tissue elastic properties. Preliminary in vitro and in vivo results with poly(1,8-octanediol-co-citrate) scaffolds support the feasibility of UEI as a non-invasive quantitative monitoring tool for scaffold degradation and engineered tissue formation. This novel non-invasive monitoring tool will provide direct, time-dependent feedback on scaffold degradation and tissue ingrowth for tissue engineers to improve the design process.     

骨组织微结构观察分析及仿生支架立体光固化间接制造

通过对骨组织显微结构观察分析,指导人工骨支架内部微管道结构设计,结合CAD、反求工程和快速成形技术制造仿生结构生物活性人工骨支架.观察骨组织切片,获取骨组织微观结构数据,进行三维重构和辅助设计,应用快速成形技术制造相应的支架模具.在模具中填充磷酸钙骨水泥,烧结后得到仿生结构生物活性人工骨支架.光学显微镜和扫描电镜观察和测量支架微结构,X射线衍射分析磷酸钙骨水泥在热分解前后的主要成分,结果表明,所得支架与设计相符,热分解前的磷酸钙骨水泥主要成分为低结晶度的羟基磷灰石,而热分解之后为结晶度更高的羟基磷灰石.体外培养试验表明支架无细胞毒性,且黏附在支架上的细胞保持着良好的形态和功能发挥.     

组织工程肌腱研究进展

肌腱组织工程是组织工程中开展较早的研究领域之一[1] 。经过几十年有关肌腱替代物以及十余年肌腱组织工程的研究 ,取得了一些突破性进展。但由于肌腱解剖结构和功能要求的特殊性 ,特别是常见的人体手部肌腱损伤的修复 ,至今仍是临床工作和组织工程研究的难点之一。主要存在以下几个方面的问题 :肌腱组织工程种子细胞的来源 ;同种异体肌腱细胞的免疫学反应 ;特殊力学强度和降解性能支架材料的制备和筛选 ;细胞与支架材料之间相互作用关系及细胞—材料复合体与周围组织相互关系的问题等等。现对上述问题的研究进展作一综述。1　肌腱组织工程…     

Engineering hybrid polymer-protein super-aligned nanofibers via rotary jet spinning

Cellular microenvironments are important in coaxing cells to behave collectively as functional, structured tissues. Important cues in this microenvironment are the chemical, mechanical and spatial arrangement of the supporting matrix in the extracellular space. In engineered tissues, synthetic scaffolding provides many of these microenvironmental cues. Key requirements are that synthetic scaffolds should recapitulate the native three-dimensional (3D) hierarchical fibrillar structure, possess biomimetic surface properties and demonstrate mechanical integrity, and in some tissues, anisotropy. Electrospinning is a popular technique used to fabricate anisotropic nanofiber scaffolds. However, it suffers from relatively low production rates and poor control of fiber alignment without substantial modifications to the fiber collector mechanism. Additionally, many biomaterials are not amenable for fabrication via high-voltage electrospinning methods. Hence, we reasoned that we could utilize rotary jet spinning (RJS) to fabricate highly aligned hybrid protein-polymer with tunable chemical and physical properties. In this study, we engineered highly aligned nanofiber constructs with robust fiber alignment from blends of the proteins collagen and gelatin, and the polymer poly-ε-caprolactone via RJS and electrospinning. RJS-spun fibers retain greater protein content on the surface and are also fabricated at a higher production rate compared to those fabricated via electrospinning. We measured increased fiber diameter and viscosity, and decreasing fiber alignment as protein content increased in RJS hybrid fibers. RJS nanofiber constructs also demonstrate highly anisotropic mechanical properties mimicking several biological tissue types. We demonstrate the bio-functionality of RJS scaffold fibers by testing their ability to support cell growth and maturation with a variety of cell types. Our highly anisotropic RJS fibers are therefore able to support cellular alignment, maturation and self-organization. The hybrid nanofiber constructs fabricated by RJS therefore have the potential to be used as scaffold material for a wide variety of biological tissues and organs, as an alternative to electrospinning.     

丝素蛋白在组织工程细胞支架方面的研究进展

近年来有关丝素蛋白用做细胞培养基质材料的研究表明，丝素蛋白对多数种类细胞的体外培养表现出较高的细胞附着率和增殖率，与胶原相当，可以用作组织工程细胞支架材料，应用到组织工程皮肤、软骨、血管等诸多领域。本文就丝素蛋白用于细胞培养的研究现状及丝素蛋白在组织工程细胞支架方面的应用前景做一综述。