纳米材料在组织工程中的应用研究

组织工程研究领域中,支架材料与细胞的相互作用是主要的研究课题。支架材料表面的微观结构对细胞的生物调控作用更为重要。纳米材料因具有一些独特的效应,如体积效应和表面效应,有利于细胞的粘附、增殖和功能的增强,因而作为组织工程支架有良好的应用前景。目前用于组织工程研究的纳米材料主要有无机纳米材料、高分子纳米材料、复合纳米材料,仿生纳米材料的研究和利用将极大地促进组织工程学的发展。本文就近年来纳米材料的制备方法以及其在组织工程中的应用研究现状进行了综述。     

纳米材料在组织工程中的应用研究

组织工程研究领域中，支架材料与细胞的相互作用是主要的研究课题。支架材料表面的微观结构对细胞的生物调控作用更为重要。纳米材料因具有一些独特的效应，如体积效应和表面效应，有利于细胞的粘附、增殖和功能的增强，因而作为组织工程支架有良好的应用前景。目前用于组织工程研究的纳米材料主要有无机纳米材料、高分子纳米材料、复合纳米材料，仿生纳米材料的研究和利用将极大地促进组织工程学的发展。本文就近年来纳米材料的制备方法以及其在组织工程中的应用研究现状进行了综述。     

基于壳聚糖的纳米材料在骨组织工程与再生医学中的研究进展

壳聚糖是目前发现的唯一与细胞外基质糖胺聚糖的化学结构相似的天然阳离子多聚糖,具有极为优良的生物相容性、生物可降解性和生物学活性.近年来,基于壳聚糖的纳米材料在组织工程中的研究较为广泛.对壳聚糖的纳米材料、壳聚糖复合纳米材料、壳聚糖纳米纤维和壳聚糖纳米粒子等在骨组织工程与再生医学中的研究进展进行回顾和阐述.近年来的研究显示,壳聚糖复合纳米材料生物支架、壳聚糖纳米纤维支架及包载具有骨诱导性的生物活性因子,以及外源基因的壳聚糖纳米粒子及纳米纤维,在骨组织工程与再生医学中具有良好的应用前景.     

壳聚糖及其衍生物在软骨组织工程中的应用

背景：作为生物型支架,壳聚糖因其独特的多孔三维结构、易于改性的特征及良好的生物相容性成为了软骨组织工程支架材料的研究热点。 目的：就壳聚糖及其衍生物的设计、改性及在软骨组织工程中的应用作一综述。 方法：应用计算机检索PubMed数据库和CNKI数据库,中文关键词为“壳聚糖,壳聚糖衍生物,支架材料,组织工程,软骨组织”,英文检索词为“chitosan;chitosan derivatives;scaffold;tissue engineering;cartilage”,检索文献时间范围为1990年1月至2015年1月。 结果与结论：壳聚糖是一种天然的生物多糖,通过化学改性、共混改性等方法可以改变壳聚糖的溶解度、机械强度、生物活性甚至生物降解性等自身特性,从而制成更为合适的生物支架材料。进一步研究表明,将壳聚糖与种子细胞进行共同体外培养可以获得正常形态的软骨细胞并能合成特异性的细胞外基质成分,在动物体内,壳聚糖支架与种子细胞所构建的组织工程软骨能够修复软骨损伤,形成与周围正常软骨相似的组织。壳聚糖及其衍生物支架材料在软骨组织工程中有较为广阔的研究前景。  中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料;骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性;组织工程     

脱细胞脊髓基质支架的制备及生物特性

背景：以脱细胞脊髓基质材料为构架的脊髓生物支架,已被证实可恢复或部分恢复受损的脊髓神经功能。 目的：介绍脱细胞脊髓基质支架的制备方法和部分生物特性,对近年来其在脊髓组织工程中的应用及进展作一概述。 方法：应用计算机检索 CNKI 和 PubMed 数据库中 2005年1月至2014年10月关于脱细胞脊髓基质支架材料在脊髓损伤中应用的文章,在主题和摘要中,中文以“脱细胞脊髓,支架材料,脊髓损伤,组织工程学”为检索词检索,英文以“acellular spinal cord;engineering tissue;spinal cord injury;scaffold”为检索词进行检索。 结果与结论：脱细胞脊髓基质支架具有较低的抗原性、优良的生物相容性及类似脊髓的三维支架结构,但存在力学性能差及结构不稳定等缺点。通过京尼平、戊二醛等交联剂改性后可明显提高支架的生物性能。目前国内外已对脱细胞脊髓基质支架在神经修复再生方面的应用做了一些探索,为脊髓组织工程学打下了基础。由于脱细胞脊髓基质支架的诸多优点,脱细胞脊髓基质材料有望成为脊髓组织工程学的理想材料。中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料;骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性;组织工程     

肌腱组织工程中三维支架材料性能及其力学特性

目的:总结近年组织工程肌腱支架材料及组织工程技术修复肌腱缺损的研究进展。方法:以"组织工程,肌腱支架材料,力学特性,肌腱移植"为中文关键词,"Tissue Engineering,tendon,Scaffold"为英文关键词,采用计算机检索1993-01/2009-10相关文章。纳入与组织工程肌腱力学性能及组织工程化肌腱的实验研究与临床应用相关的文章;排除重复研究或Meta分析类文章。以24篇文献为主,重点对一下4个问题进行了讨论:①肌腱组织工程的研究进展。②组织工程肌腱支架材料的生物力学分析。③生物材料在肌腱组织工程中的应用。④组织工程技术在修复肌腱缺损的临床应用。结果:目前,肌腱组织工程研究的支架材料主要有天然高分子材料和合成高分子材料两大类。肌腱支架材料的制备和选择思路主要有两条:一是利用人工合成材料制造具有优异性能及结构的仿生材料;另一条是利用天然细胞外基质材料经处理后制备成天然衍生支架材料,利用生物组织原有生物结构特性构建组织工程化肌腱。组织工程化肌腱的构建必须模拟体内三维物理环境,采用微机控制步进电机对肌腱细胞-基质复合三维支架施以动态应变力,明显提高了肌腱细胞的增殖速率和胶原分泌量,且可牵引肌腱细胞沿应力方向延展。结论:目前,实验提供的物理刺激也相对单一,模拟体内三维物理环境构建人工肌腱的技术和设备需要进一步研究和完善。要真正实现体外预制有生命的种植体完全替代体组织和器官功能,还有许多问题有待进一步的研究和解决。     

组织工程皮肤生物反应器的研究与设计

目的设计一套生物反应器,能针对不同支架材料--细胞复合物进行构建组织工程皮肤.方法根据皮肤的自身生长特点和不同支架材料-细胞复合物的特性,模拟皮肤的生长环境和力学环境,通过生物反应器解决组织工程皮肤构建中支架的装夹和气液界面问题.结果生物反应器由控制系统和生物反应器主体两部分构成,能提供对多种皮肤细胞复合物的动态培养.结论皮肤生物反应器能够满足不同组织工程皮肤产品的需要.能够形成气液界面和模拟生物力学的刺激.     

石墨烯等碳纳米材料在心肌组织工程中的应用

具有良好导电性能的碳纳米材料,如碳纳米管及石墨烯,有望恢复心肌梗死后梗死区瘢痕组织所致的心肌组织电传导阻滞及心脏电活动紊乱,在心肌组织工程领域展现出重要的应用价值.文章综述了短碳纳米管特性、合成方法和导电纳米材料在心肌再生领域研究进展,阐述石墨烯的性能、作为生物支架材料在心肌组织工程中的应用、毒性等,并探讨了基于碳纳米...     

静电纺丝在组织工程学中的应用进展

组织工程学是一个综合性学科领域,它涵盖了医学、生物医学工程、恢复或再生损伤组织和器官功能等领域.支架、细胞和生物分子是组织工程的三大基本支柱.静电纺丝是通过静电高压技术对高分子材料进行电纺,获得的电纺纤维即为细胞支架.不同的高分子材料可以获得不同性质的细胞支架.该文对电纺纤维在组织工程中的应用进展,其中包含在皮肤、血管...     

灌注法制备全肾脏脱细胞基质支架的体内生物相容性

背景：应用灌注法制备的大鼠全肾脏脱细胞基质支架具有良好的体外细胞相容性,但其体内生物相容性尚不明确。 目的：应用灌注法制备大鼠全肾脏脱细胞基质支架,检测其体内生物相容性。 方法：应用灌注法制备Wistar大鼠全肾脏脱细胞基质支架,进行以下实验：①急性毒性实验：在小鼠腹腔分别注射全肾脏脱细胞基质支架浸提液、生理盐水及苯酚。②溶血实验：将抗凝新西兰兔血分别与全肾脏脱细胞基质支架浸提液、生理盐水及蒸馏水混合。③热源实验：向新西兰兔耳缘静脉注射全肾脏脱细胞基质支架浸提液。④内皮刺激实验：在新西兰兔皮下注射全肾脏脱细胞基质支架浸提液,观察有无皮肤刺激反应。⑤皮下植入实验：将全肾脏脱细胞基质支架埋入新西兰兔背部皮下。 结果与结论：全灌注法制备的Wistar大鼠全肾脏脱细胞基质支架无细胞残留,未引起全身毒性反应、急性溶血反应、热源反应及皮肤刺激反应,植入兔体内具有良好的组织相容性。说明大鼠全肾脏脱细胞基质材料在动物体内具有很好的生物相容性。中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料;骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性;组织工程全文链接：     

纳米仿生复合支架的生物相容性

背景：纳米材料构建具有生物活性的组织工程骨,可以很好的模仿体内细胞外基质的结构,有利于细胞黏附、生长。 目的：评价新型仿生壳聚糖/胶原纳米纤维支架与SD大鼠骨髓基质干细胞的体外相容性。 方法：分离培养SD大鼠骨髓基质干细胞,流式细胞分析法对细胞表面抗原进行检测;相差显微镜观察细胞形态。聚电解质共凝聚技术制作仿生壳聚糖/胶原纳米纤维支架,取生长良好的P3代,与仿生壳聚糖/胶原纳米纤维支架体外联合诱导培养,通过细胞贴壁率、生长曲线、细胞活力、周期、细胞Ⅰ型胶原染色、扫描电镜观察综合评价材料与细胞的相容性。 结果与结论：骨髓基质干细胞可在体外分离扩增,表达CD29、CD44和CD106,不表达CD34和CD45,细胞形态为长梭形,仿生壳聚糖/胶原纳米纤维平均孔径为150 μm,与骨髓基质干细胞有较好的黏附性。提示骨髓基质干细胞可在体外长期、稳定培养;是理想的组织工程种子细胞;仿生壳聚糖/胶原纳米纤维与骨髓基质干细胞有良好的相容性,可用来做组织工程生物材料。     

组织工程技术及生物材料修复运动性关节软骨损伤

目的：总结组织工程技术及生物材料在防治运动性关节软骨损伤中的应用特点。 方法：以“关节软骨,组织工程技术,生物材料”为中文关键词,以“tissue enginneering, articular cartilage, scaffold material”为英文关键词,采用计算机检索Pubmed数据库(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/PubMed)及维普数据库(http://www.cqvip.com/)1993-01/2010-10的相关文章,排除重复研究或Meta分析类文章。以23篇文献为主,重点对修复运动性关节软骨损伤种子细胞、支架材料、细胞因子及其性能进行讨论。 结果：计算机初检得到104篇文献,根据纳入排除标准,对组织工程软骨的种子细胞、生物支架材料以及用于组织工程中的细胞因子进行总结与分析。种子细胞是制约组织工程软骨进一步临床应用的首要因素,目前常采用的种子细胞有软骨细胞、骨髓基质干细胞和胚胎干细胞等;生物支架材料包括天然材料和人工合成可降解聚合物等;用于软骨组织工程的生长因子主要包括转化生长因子、骨形成蛋白、成纤维细胞生长因子、胰岛素样生长因子等。 结论：迄今为止,无论是工程软骨的种子细胞、支架材料、培养环境等还没有任何一种材料被认为最理想,寻求一种具有良好性能的组织工程化关节软骨是未来研究的重点。但目前很多研究仍处于实验阶段,还有一些问题有待于解决,特别是组织工程细胞支架材料植入体内后,材料的降解与细胞功能发挥是否同步,会不会产生遗传物质改变、基因表达或基因突变等问题,将其应用于临床更需要相关学者专家不断的实践和探索。     

血管组织工程的研究与进展

背景：血管组织工程是指利用血管壁的正常细胞和生物可降解材料来制备、重建和再生血管替代材料的科学。近年来,组织工程学技术的发展推动了组织工程化血管的研究,已成为今后血管替代物的重要方向。 目的：综述血管组织工程的相关临床及基础研究进展。 方法：检索SCI数据库2001/2010有关血管组织工程的文献,检索词为“组织工程血管(tissue-engineered vascular);组织工程(tissue engineering);血管(vascular);支架材料(scaffold materials);支架(scaffolds);种子细胞(seed cell);细胞外基质(extracellular matrix, ECM);血管支架(vascular scaffold);高分子材料(polymer materials);复合材料(composite materials);纳米(nanometer);生物材料(biological materials)”,对血管组织工程的临床及基础文献进行分析。 结果与结论：血管组织工程研究的内容主要有种子细胞、细胞外基质替代物以及组织工程血管三维培养。血管组织工程所应用的种子细胞包括自体血管壁细胞、胚胎干细胞和骨髓间充质干细胞,还包括内皮细胞,平滑肌细胞及成纤维细胞等众多组织细胞。在组织工程血管构建中血管组织微环境是活细胞在体外生长所需的支持物,是种子细胞生长增殖的三维空间,便于细胞黏着、生长、进行新陈代谢。因此,组织工程血管需要具有良好的生物相容性,可塑性强,来源广泛,有一定的抗张强度和无免疫原性的支架材料。根据来源和性能,目前研究应用的材料分为天然生物生材料和合成材料两种。     

Biomimetic materials for tissue engineering

The development of biomaterials for tissue engineering applications has recently focused on the design of biomimetic materials that are capable of eliciting specific cellular responses and directing new tissue formation mediated by biomolecular recognition, which can be manipulated by altering design parameters of the material. Biomolecular recognition of materials by cells has been achieved by surface and bulk modification of biomaterials via chemical or physical methods with bioactive molecules such as a native long chain of extracellular matrix (ECM) proteins as well as short peptide sequences derived from intact ECM proteins that can incur specific interactions with cell receptors. The biomimetic materials potentially mimic many roles of ECM in tissues. For example, biomimetic scaffolds can provide biological cues for cell-matrix interactions to promote tissue growth, and the incorporation of peptide sequences into materials can also make the material degradable by specific protease enzymes. This review discusses the surface and bulk modification of biomaterials with cell recognition molecules to design biomimetic materials for tissue engineering. The criteria to design biomimetic materials such as the concentration and spatial distribution of modified bioactive molecules are addressed. Recent advances for the development of biomimetic materials in bone, nerve, and cardiovascular tissue engineering are also summarized.     

新型脊髓纳米组织工程支架的组织相容性

背景：纳米技术可改善脊髓组织工程生物材料的性能。 目的：分析新型脊髓纳米组织工程支架的组织相容性。 方法：以胶原为原料制备纤维定向排列及非定向排列的纳米纤维膜,培养及鉴定SD大鼠脊髓源性神经干细胞。将两种纳米纤维膜与SD乳鼠脊髓源性神经干细胞共培养,以正常培养的神经干细胞为对照,通过MTT实验检测纳米纤维膜的细胞相容性;以扫描电镜检测细胞在纳米纤维膜表面的黏附及增殖情况;将纳米纤维膜植入SD大鼠体内,通过组织学检查确定其降解情况及组织相容性;通过免疫组织化学实验确定神经干细胞在体内的存活及移动情况。 结果与结论：两种纳米纤维膜表面的神经干细胞黏附及增殖情况良好,MTT实验结果表明纳米纤维膜的细胞相容性佳,电镜结果表明细胞在纳米纤维膜表面黏附良好,增殖情况佳;在体内纳米纤维膜降解情况良好,组织相容性佳;BrdU标定的神经干细胞在SD大鼠体内存活并移动情况良好。结果表明新型纳米组织工程支架具有良好的细胞及组织相容性。     

水凝胶材料和间充质干细胞在组织工程中的应用进展

随着组织工程学的发展, 人们越来越关注将水凝胶作为支架材料并与细胞3D培养相结合用于组织器官再生与修复。水凝胶由亲水性聚合物、共聚物或可以形成大分子链的单体大分子交联而成, 可吸收大量水分并保持3D结构, 具有良好的生物相容性、可包埋细胞和有效的递送生物活性分子等特点, 因而被广泛用于生物医药领域的药物输送和组织工程等领域。间充质干细胞可以从骨髓、脂肪、脐带等多种组织中获取, 具有低免疫原性及多向分化潜能, 是细胞3D培养以及细胞治疗的首选。目前间充质干细胞主要是2D培养模式, 该培养模式下的间充质干细胞繁殖率低, 且无法模拟体内的生长环境。水凝胶材料作为3D细胞培养支架具有良好的相容性, 可以模拟体内的生长环境, 在修复受损软骨、骨、皮肤和心脏等组织中有巨大潜力。概述水凝胶、间充质干细胞以及间充质干细胞和水凝胶材料在组织工程中的应用, 展示水凝胶材料与间充质干细胞的3D培养在不同组织再生和修复中的发展趋势和可能性, 以期为后续水凝胶和干细胞的深入应用研究提供参考。     

组织工程血管支架材料的研究与进展

BACKGROUND: Tissue-engineered vascular scaffold materials have been developed from pure natural materials to degradable composite materials and nano polymer materials, and the preparation method has also been developed from the manual technology to the rapid proto-typing technology. OBJECTIVE: To clarify the advantages and disadvantages, application and research hotspots of different tissue-engineered vascular scaffold materials, and to find a suitable scaffold material for clinical treatment. METHODS: The first author retrieved databases of PubMed, CNKI and CqVip for relevant articles about tissue-engineered vascular scaffolds published from 1985 to 2015. The key words were “tissue engineering, tissue engineered, blood vessel, vascular, scaffold” in English and Chinese, respectively. In accordance with the inclusion and exclusion criteria, 36 articles were reviewed. RESULTS AND CONCLUSION: Non-degradable materials are mainly used to construct large diameter  tissue-engineered blood vessels. Natural biomaterials have good biocompatibility, which can provide necessary signals for cells and promote cell attachment and retain cell differentiation ability. Degradable polymer composite materials have good biocompatibility, whose mechanical properties, degradation rate and microstructure can be controlled, and they can be mass-produced according to the design requirements. The composite materials inheriting the advantages of natural biomaterials and synthetic polymer materials have become the most ideal scaffold materials and will be a research focus in the future.     

Orthopaedic tissue engineering and bone regeneration.

Orthopaedic tissue engineering combines the application of scaffold materials, cells and the release of growth factors. It has been described as the science of persuading the body to reconstitute or repair tissues that have failed to regenerate or heal spontaneously. In the case of bone regeneration 3-D scaffolds are used as a framework to guide tissue regeneration. Mesenchymal cells obtained from the patient via biopsy are grown on biomaterials in vitro and then implanted at a desired site in the patient's body. Medical implants that encourage natural tissue regeneration are generally considered more desirable than metallic implants that may need to be removed by subsequent intervention. Numerous polymeric materials, from natural and artificial sources, are under investigation as substitutes for skeletal elements such as cartilage and bone. For bone regeneration, cells (obtained mainly from bone marrow aspirate or as primary cell outgrowths from bone biopsies) can be combined with biodegradable polymeric materials and/or ceramics and absorbed growth factors so that osteoinduction is facilitated together with osteoconduction; through the creation of bioactive rather than bioinert scaffold constructs. Relatively rapid biodegradation enables advantageous filling with natural tissue while loss of polymer strength before mass is disadvantageous. Innovative solutions are required to address this and other issues such as the biocompatibility of material surfaces and the use of appropriate scaffold topography and porosity to influence bone cell gene expression.     

Nonwoven membranes for tissue engineering: an overview of cartilage,epithelium, and bone regeneration

Scaffold-type biomaterials are crucial for application in tissue engineering. Among them, the use of a nonwoven scaffold has grown in recent years and has been widely investigated for the regeneration of different types of tissues. Several polymers, whether they are synthetic, biopolymers or both, have been used to produce a scaffold that can mimic the natural tissue to which it will be applied to. The scaffolds used in tissue engineering must be biocompatible and allow cell adhesion and proliferation to be applied in tissue engineering. In addition, the scaffolds should maintain the mechanical properties and architecture of the desired tissue. Nonwoven fabrics have produced good results and are more extensively applied for the regeneration of cartilage, epithelial and bone tissues. Recent advances in tissue engineering have shown promising results, however, no ideal material or standardization parameters and characteristics of the materials were obtained. The present review provides an overview of the application of nonwoven scaffolds, including the main results obtained regarding the properties of the biomaterials and their applications in vitro and in vivo, focusing on the cartilaginous, the epithelium, and bone tissue regeneration.     

Oxygen generating scaffolds for enhancing engineered tissue survival

One of the continued challenges in engineering clinically applicable tissues is the establishment of vascularization upon implantation in vivo. Although the effectiveness of an enhanced angiogenic response using various growth factors has been demonstrated in many tissue systems, the rate of angiogenesis could not be accelerated. In this study we investigated whether incorporating oxygen generating biomaterials into tissue engineered constructs would provide a sustained oxygen release over an extended period of time. We examined whether oxygen generating biomaterials are able to maintain cell viability while also maintaining structural integrity of a 3-D construct. Calcium peroxide-based oxygen generating particles were incorporated into 3-D scaffolds of Poly(d,l-lactide–co–glycolide) (PLGA). The scaffolds were designed to generate oxygen over the course of 10 days and simultaneously maintain sufficient mechanical integrity. Scaffolds containing oxygen generating materials maintained elevated levels of oxygen when incubated under hypoxic conditions. Further, these biomaterials were able to extend cell viability growth under hypoxic conditions. These findings indicate that the use of oxygen generating biomaterials may allow for increased cell survivability while neovascularization is being established after implantation. Such scaffolds may play an important role in tissue engineering where currently oxygen diffusion limits the engineering of large tissue implants.