采用反求工程和快速原型技术精确定制骨组织工程支架

背景:组织工程基本原理是从患者获取组织,经体外培养扩增种子细胞,接种在支架内,通过支架引导形成三维外形的组织,最后植入该患者体内以替代病损组织的功能,以后随着新生血管长入,支架逐步溶解,新生组织最终与周围组织完全融合。目的:探讨应用反求工程和快速原型技术定制个体特异的解剖外形骨组织工程支架的可行性,克服常规制作方法的缺陷。设计:定制个体特异的解剖外形骨组织工程支架方法。单位:解放军广州军区广州总医院全军创伤骨科中心。材料:支架CAD设计在广东省机械研究所CAD培训中心完成,支架快速成型制作在广东省龙创域公司完成,快速成型工艺为立体光固化工艺,采用材料为光敏树脂。方法:实验于2004-10/2005-01在广州军区广州总医院全军创伤骨科中心完成。按反求工程的基本原理,采用医学CT/MRI扫描获取患者骨骼的分层图像信息,采用计算机辅助技术进行三维重建和曲面重构建立骨骼感兴趣区域的解剖模型,并在建立的解剖模型的外形轮廓内进行支架内部结构的计算机辅助设计,建立其计算机辅助设计模型,最后采用快速成型工艺精确制作骨组织工程支架的原型。主要观察指标:①CT/MRI扫描三维重建与解剖建模结果。②个体化组织工程支架的内部结构设计结果。③个体化组织工程支架快速成型制作。结果:①经CT/MRI图像三维重建,建立了骨关节解剖模型。②计算机辅助设计软件设计支架内部结构成功地建立了骨组织工程支架的实体模型。③骨组织工程支架CAD模型指导快速成型工艺成功地制作了个体化解剖外形的支架,制作的骨组织工程支架内部结构非常精细,具有高孔隙率和较好的孔隙相互连通性能。结论:采用反求工程和先进制造技术,可以任意制作个体化解剖外形的组织工程支架;在所有快速成型工艺中,以立体光固化成型精度最高,表面光滑、成型质量最好。     

反求工程和快速成型在计算机辅助外科手术中的应用

目的：提高外科手术质量。方法：运用数字化反求和快速成型设计和制作人体组织模型、体外模拟器具和个性化植人体。结果：通过几个骨修复手术病例的应用成功地提高了手术的质量。结论：通过反求设计和快速成型能获得直观、可触的外科手术模拟模型，能明显地提高手术质量，将在计算机辅助外科手术中具有广泛的应     

骨组织工程支架材料与纳米技术

近年来国内外对组织工程支架材料的研究甚多,进展也快,但还没有找到一种无论是在结构,还是在功能上都理想的支架材料。纳米级结构材料所展示出的优异特性,使其在骨组织工程领域产生了十分诱人的应用     

骨组织工程支架材料的种类及发展趋势

组织工程支架材料不仅在细胞黏附、增殖和新骨组织形成中为细胞提供结构支撑,而且还起到模板作用,引导组织再生和控制组织结构.寻找一种既有良好生物相容性和生物降解性又具有特定形状的支架材料是骨组织工程的一个重要方面.文章对用于骨组织工程支架材料的天然高分子材料、人工合成聚合物及无机材料及复合材料等的研究现状进行探讨,并分析这些材料的优缺点及骨组织工程支架材料的发展趋势.     

反求工程和快速成型在计算机辅助外科手术中的应用

目的:提高外科手术质量。方法:运用数字化反求和快速成型设计和制作人体组织模型、体外模拟器具和个性化植入体。结果:通过几个骨修复手术病例的应用成功地提高了手术的质量。结论:通过反求设计和快速成型能获得直观、可触的外科手术模拟模型,能明显地提高手术质量,将在计算机辅助外科手术中具有广泛的应用前景。     

骨组织工程支架材料的研究进展

寻找理想的支架材料是目前骨组织工程研究的热点之一.文章阐述了用于骨组织工程的天然支架材料,人工合成支架材料及其复合材料的研究现状.分析了这些材料的优缺点,并展望了骨组织工程支架材料的发展趋势.     

骨组织工程支架表面修饰材料的研究与进展

目的:为提高骨组织工程支架材料表面的细胞黏附性,选择最佳的骨移植材料提供理论依据.资料来源:应用计算机检索Medline1995-01/2004-07相关文章,检索词““““bone substitutes,modified““““,并限定文章语言种类为English.资料选择:对36篇资料的摘要进行初审,纳入条件:①关于立体支架材料方面的文章.②单一样本的基础研究.③临床研究.排除条件:①关于金属材料的文章.②重复研究.③综述文献.资料提炼:共收集到30篇关于支架材料表面修饰的文章,其中24篇符合上述标准.排除的6篇为重复研究和综述文献.资料综合:对24篇相关文献涉及的纤维蛋白,几丁质及其衍生物,细胞生长因子,合成材料等表面修饰材料的表面特性、局部形态和化学能等方面进行综述.结论:成骨细胞与材料的作用依赖于材料的表面特性、局部形态、表面能或化学能等.这些表面特性决定了细胞怎样吸附到材料表面、细胞的定位以及细胞的功能行为.目前应用最多的表面修饰材料是Ⅰ型胶原.     

骨组织工程支架表面修饰材料的研究与进展

目的:为提高骨组织工程支架材料表面的细胞黏附性,选择最佳的骨移植材料提供理论依据。资料来源:应用计算机检索Medline1995-01/2004-07相关文章,检索词“bonesubstitutes,modified,并限定文章语言种类为English。资料选择:对36篇资料的进行初审,纳入条件:①关于立体支架材料方面的文章。②单一样本的基础研究。③临床研究。排除条件:①关于金属材料的文章。②重复研究。③综述文献。资料提炼:共收集到30篇关于支架材料表面修饰的文章,其中24篇符合上述标准。排除的6篇为重复研究和综述文献。资料综合:对24篇相关文献涉及的纤维蛋白,几丁质及其衍生物,细胞生长因子,合成材料等表面修饰材料的表面特性、局部形态和化学能等方面进行综述。结论:成骨细胞与材料的作用依赖于材料的表面特性、局部形态、表面能或化学能等。这些表面特性决定了细胞怎样吸附到材料表面、细胞的定位以及细胞的功能行为。目前应用最多的表面修饰材料是I型胶原。     

骨组织工程中支架材料的研究进展

因创伤、感染、肿瘤、骨坏死及先天畸形等多种疾病引起的骨缺损临床常见，但治疗困难。近代组织工程学的发展为骨缺损的修复开辟了新的途径。骨组织工程学作为此学科的一个重要组成部分，已经被认为是目前最有前途和可行性的一个领域，在基础研究和临床应用等方面均取得了很大进展。骨组织工程学研究主要有三个方面：种子细胞、支架材料、生长因子。支架材料连接细胞与组织的框架、信号分子的载体、骨组织繁殖分化和代谢的场所。骨组织工程支架材料对骨缺损的修复有重要影响。理想的支架材料应具备的特性包括［1］：①良好的生物相容性。材料本身及其降解产物应无不良反应，不引起炎症反应，且要有利于细胞的黏附、增殖、生长和分化。②良好的生物降解性。当支架材料的支架作用完成后，其应该能被人体降解并被人体吸收。支架的降解速度应与组织细胞的生长速度保持动态平衡。③具有三维立体多孔结构。一般要求支架材料具有一定的孔隙率，孔隙率应达90％以上，以利于营养和氧气的吸收和代谢产物的排出，以及神经和血管的生长。④良好的材料‐细胞界面。材料要为细胞的黏附和增殖提供良好的界面，以促进细胞的生长，特别是能激活细胞特异基因，保证正常细胞表型的表达。⑤可塑性和一定的机械强度。支架材料应能预先加工成与缺损区相匹配的形态结构，并能够为新生组织提供良好的机械支撑。⑥支架材料易于消毒、保存，且消毒后支架材料的内部结构完整无破坏。在骨组织工程学研究中，寻找理想的支架材料是一大热点。     

骨组织工程支架材料及其血管化的研究进程

背景：随着骨组织工程学技术的不断发展,利用组织工程骨修复大面积骨缺损成为当今研究的热点。 目的：介绍骨组织工程中的种子细胞、细胞因子、支架材料的特性及材料血管化情况。 方法：以“骨组织工程,支架材料,血管化”为中文关键词,以“bone tissue engineering,scafold, vascularization”为英文关键词,采用计算机检索2000年1月至2012年1月CNKI数据库和PubMed数据库相关文章,选择与骨组织工程学概述、支架材料和血管化方面相关的文章进行分析。 结果与结论：种子细胞的选择、细胞因子的应用、支架材料的性能及血管化程度均对组织工程骨成功修复骨损伤产生着重要影响。适宜的种子细胞是骨组织工程的研究基础,细胞因子是骨组织工程研究的催化剂,具有良好三维结构的支架材料对于促进细胞的生长增殖、组织长入、成骨方式和血管化等方面均有积极的促进作用。但每种支架材料都有其不足之处,所以可以通过将多种材料进行复合达到综合效应来满足临床需求。另外也要积极寻求新的材料制备工艺和对已有方法进行改进,以制造出更加优良的支架材料。但血管化仍然是骨组织工程要面对的重大考验。目前所应用的促进组织工程骨血管化的方法均存在一定缺陷,如利用生长因子促进血管化时,易造成代谢异常患者病情恶化等情况发生;利用显微外科技术促进组织工程骨血管化,易导致其他部位形成创伤和畸形,不利于患者的身体康复等。     

快速成型方法制备组织工程支架的研究与应用术

背景：快速成型是基于材料堆积法,结合计算机、数控、激光和材料技术于一体的高新制造技术。目的：综述快速成型技术在组织工程支架制备中的应用。方法：由第一作者检索万方数据库、中国知网数据库和EIsevier Science Direct Online有关支架材料的生物力学性能、支架材料发展前景及快速成型技术在支架材料制备领域中应用研究等方面的文献。结果与结论：快速成型技术应用于组织工程支架的制备已经越来越成熟,快速成型技术不但克服了传统制造方法中存在的支架复杂外形制造困难和内部微结构无法控制的缺陷,而且还可以通过有限元分析预先对支架的结构进行优化,以实现改善支架机械强度等某些特殊的要求。但是,由于组织器官的特殊性和排外性及细胞的黏附条件,不但要从结构上改善支架,而且需要快速成型技术与具有组织相容性及可降解的材料相结合,使支架植入生物体后,细胞能更好地增殖和分化,促进组织再生,修复缺损组织。     

快速成型骨组织工程支架的结构及力学仿生性能特征

目的:利用显微CT的成像技术及材料力学测试,观察多孔双相磷酸钙陶瓷支架的三维结构和力学仿生性能特征。方法:实验于2004-06/2005-12在清华大学新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室、香港中文大学威尔士亲王医院骨与关节肌肉研究室和解放军总医院骨科研究所完成。利用三维凝胶叠层成型技术和发泡法复合的方法,制备仿骨多孔双相磷酸钙陶瓷支架,经显微CT扫描得到分辨率为20μm的断层图像,并按骨形态计量方法计算三维计量参数,并与急性脑死亡年轻人股骨头(由解放军总医院骨组织库提供,已签署捐献同意书)标本负重区松质骨样本的三维参数进行统计比较。最后对双相磷酸钙陶瓷支架两个互相垂直方向和松质骨样本的长轴方向进行压缩强度试验,计算压缩强度和弹性模量,并进行统计分析。结果:①双相磷酸钙陶瓷支架的小梁平均宽度和间距低于松质骨小梁(P<0.05);支架的小梁数目和各项异性程度高于松质骨样本(P<0.05);说明支架小梁在排列上呈现更为明显的各向异性特征。②双相磷酸钙陶瓷支架的体积分数、表面积体积比及结构模型指数与松质骨样本相比差异无显著性(P>0.05),两组样本均呈明显的板层结构。③力学测试结果显示双相磷酸钙陶瓷支架材料长轴方向的强度和弹性模量高于垂直方向(P<0.05),说明支架材料具有明显的方向性。长轴方向的强度低于正常松质骨样本,但弹性模量仅比松质骨样本弹性模量高20%(P<0.05)。结论:支架材料在空隙率和表面积方面具有很好的仿生性,利于细胞的黏附和长入。同时具有明显的方向性,提高了其在排列方向上的强度。弹性模量接近股骨头松质骨,具有较好的应力顺应性。     

基于快速成形和冷冻干燥技术制备β-磷酸三钙骨组织工程支架

背景:利用先进的制造技术和各种生物材料可构造具有良好生物相容性、可降解性与一定外形及具有合理三维内部结构的支架,这种崭新的医学与工程技术相结合的方法,越来越多地应用到大段骨缺损研究中.目的:应用快速成形技术和冷冻干燥工艺制备多孔β-磷酸三钙,评价其结构性能并分析结构影响因素.设计、时间及地点:对比观察实验,于2008-05/08 在上海大学快速制造中心实验室完成.材料:β-磷酸三钙浆料由上海组织工程研究与发展中心提供.方法:应用CAD软件设计具有圆柱形内腔的组合式负型,将负型三维CAD数据进行快速成形前处理后导入到FDM成形机加工,获得负型的实物模型.负型组装后,充填β-磷酸三钙浆料,经冷冻、干燥及高温焙烧制备最终的生物陶瓷支架.主要观察指标:①应片X射线衍射技术进行物相分析.②扫描电镜观察不同浓度浆料和不同预冻温度制备支架截面的微观形貌.③计算不同浓度浆料和不同预冻温度制备支架的孔隙率.结果:①X射线衍射曲线显示制备β-磷酸三钙支架与标准β-磷酸三钙的特征衍射峰位置基本一致.②扫描电镜显示支架内部的孔隙分布沿径向呈梯度结构,边缘地带孔径为10～30 μm,内部孔径为100～300 μ m.③浆料质量浓度低,支架孔隙小、分布均匀、孔隙率高;预冻温度低,支架孔隙小.结论:通过冷冻干燥技术结合快速成形技术可以得到具备精确外形和良好孔隙结构的骨支架.     

骨组织工程支架材料在临床中的应用

应用于临床的骨组织工程支架材料有何特点? 骨组织工程包括3个关键因素:信号分子、支架材料和种子细胞.其中支架材料的选择是骨组织工程的核心问题,而应用于临床是骨组织工程的最终目的.理想的骨组织工程支架材料应具备以下条件:①良好的组织相容性和良好的表面活性,有利于细胞的黏附,并为细胞在其表面生长、增殖和基质分泌提供良好的微环境.     

A review of rapid prototyping techniques for tissue engineering purposes

Rapid prototyping (RP) is a common name for several techniques, which read in data from computer-aided design (CAD) drawings and manufacture automatically three-dimensional objects layer-by-layer according to the virtual design. The utilization of RP in tissue engineering enables the production of three-dimensional scaffolds with complex geometries and very fine structures. Adding micro- and nanometer details into the scaffolds improves the mechanical properties of the scaffold and ensures better cell adhesion to the scaffold surface. Thus, tissue engineering constructs can be customized according to the data acquired from the medical scans to match the each patient's individual needs. In addition RP enables the control of the scaffold porosity making it possible to fabricate applications with desired structural integrity. Unfortunately, every RP process has its own unique disadvantages in building tissue engineering scaffolds. Hence, the future research should be focused on the development of RP machines designed specifically for fabrication of tissue engineering scaffolds, although RP methods already can serve as a link between tissue and engineering.     

A review of rapid prototyping techniques for tissue engineering purposes

Rapid prototyping (RP) is a common name for several techniques, which read in data from computer-aided design (CAD) drawings and manufacture automatically three-dimensional objects layer-by-layer according to the virtual design. The utilization of RP in tissue engineering enables the production of three-dimensional scaffolds with complex geometries and very fine structures. Adding micro- and nanometer details into the scaffolds improves the mechanical properties of the scaffold and ensures better cell adhesion to the scaffold surface. Thus, tissue engineering constructs can be customized according to the data acquired from the medical scans to match the each patient's individual needs. In addition RP enables the control of the scaffold porosity making it possible to fabricate applications with desired structural integrity. Unfortunately, every RP process has its own unique disadvantages in building tissue engineering scaffolds. Hence, the future research should be focused on the development of RP machines designed specifically for fabrication of tissue engineering scaffolds, although RP methods already can serve as a link between tissue and engineering.     

骨组织工程中大孔支架材料制备的研究

理想的多孔支架材料的寻找和制备是目前骨组织工程中研究的热点之一.磷酸钙骨水泥是骨组织工程中椎一能自行固化、生物相容性好的制备大孔支架的材料,近年来已成为研究的热点,但通常用这种材料制备的多孔支架脆性较大,限制了它的应用,利用复合材料的优点对其进行改性是其今后发展的方向;综述了骨组织工程中对支架材料的要求、常用材料的优缺点、常用的制备方法等,对磷酸钙骨水泥有机增强制备研究的最新进展进行了重点综述,并对杂化支架材料的优点及前景作了分析.     

骨组织工程支架材料的研究现状与应用差距

骨组织工程在解决临床骨缺损这一棘手问题中具有许多优势,近年来引起许多研究人员衍生骨是骨缺损治疗的新突破点,文章针对骨组织工程的3个基本要素:支架材料、种子细胞和成骨因子作一总结.指出模拟天然骨形成机制,制备出仿牛径向梯度分布、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.