组织工程PPT幻灯片课件

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1、组织工程TissueEngineering 何留民Email jnu lmhe 1 学历新加坡国立大学联合培养博士 2007 2008 中山大学博士高分子化学与物理 2006 2009 郑州大学学士高分子材料与工程 2000 2004 工作经历2012 2014香港大学香江学者2009 至今暨南大学副研究员2008 2009新加坡国立大学研究员研究方向生物医用材料 组织工程 药物载体 纳米医学在神经再生中的应用 2 参考书目 1 B O 帕尔森 S N 巴蒂亚组织工程科学出版社2 柏树令 顾晓松 张传森组织工程学教程人民军医出版社3 姚康德 尹玉姬组织工程相关生物材料化学工业出版社 3 学习方

2、式 课堂学习学术讲座实验课程 8 13周 4 评分方式 平时成绩 30 考试 70 5 主要学习内容 组织工程学概述生物支架材料种子细胞与培养组织工程的免疫学基础组织工程产品与临床应用组织工程动物实验技术 6 组织工程概述 何谓组织工程 为何要发展组织工程 如何进行组织工程 WHAT WHY HOW 7 何谓组织工程 最早由美籍华人学者冯元祯 Y C Feng 教授提出 组织工程学 WHAT Feng Y C 1987年美国国家科学基金会根据冯教授的建议 正式采用 组织工程学 这一术语来描述这一新兴的领域 并正式建立了这门新学科 8 组织工程学 定义 应用生命科学与工程学的原理与技术 在正确认

3、识哺乳动物正常及病理两种状态下组织结构与功能关系的基础上 研究和开发用于修复 维护 促进人体各种组织或器官损伤后功能和形态的生物替代物的一门新兴学科 组织工程 在2000年5月美国 时代 杂志中被列为未来十大热门工作的榜首 9 组织工程的多学科交叉特点 材料科学 细胞生物学 化学 生物 流体力学 结构力学 表面物理 高分子 干细胞 发育 信号转导 组织工程 10 生物学家 利用已知的对动物胚胎发育成组织 器官的研究成果所获取的经验知识 进行组织器官的体外再生 材料学家 对人体组织的材料学特性进行详尽的研究 了解其关键的参数和性质 以此为基础 设计组织替代物 保证其材料学特性与人类自体组织完全相

4、同 关于组织工程 11 关于组织工程 工程师 研究人体组织的力学特性 然后利用这些特殊性质设计一个有限元的数学模型 预测组织器官如何随年龄及其它条件变化 外科医生 寻找一类新的生物大分子或细胞表型 通过外科手术植入到组织损伤部位 使不能自然愈合的损伤再生或加速其愈合过程 分子生物学家 通过对人类基因组计划的研究或其它途径 了解人类的全部基因信息 并找出那些控制组织形成和再生的基因序列 然后将其引入到原代细胞 进而形成可以制造组织的细胞系 12 圣葛斯默和丹米安奇迹般地治愈了腿的移植 MasterofLosBalbases 约在1495年 狗腿子 的故事 传说中的 组织工程学 13 组织工程主要

5、是致力于组织和器官的再生与形成 利用生命科学和材料科学的进步 在一个模仿组织与器官形状的材料中种入细胞 使细胞依照模型来长成新的组织与器官 以供修复人体的组织或器官缺损 核心 建立由细胞和生物材料构成的三维复合体 14 尝试人造耳 中国青年学者曹谊林教授于1996年在世界上第一个成功地在裸鼠背上培养制成了人形耳廓软骨支架 因而获得美国整形外科最高荣誉巴莱脱勃朗奖 15 组织工程的科学目标 在细胞水平和分子水平构建具有生命力的生物体 也即组织和器官的形成和再生 16 组织工程的应用目标 组织工程的应用目标是提高人体健康 长寿和生命的质量 组织工程的直接目标则是从形态 结构和功能上对组织 器官功能

6、障碍或丧失进行永久性地置换和替代 17 组织工程远期目标 建立具备与人体自身组织 器官相同生命功能的组织工程产品生产基地 使各类组织缺损 病变和器官衰竭患者能随时在组织工程产品的 超级市场 购买所需要的 产品 18 为何要发展组织工程 组织 器官的丧失或功能障碍是人类健康所面临的主要危害之一 也是人类疾病和死亡的主要原因 WHY 19 美国每年有数以百万计的人发生各种组织或器官的功能障碍或丧失 需进行800万人次手术修复 年耗超过400亿美元 由于移植物来源有限 只有不足2 的患者能及时治疗 20 组织工程产品需求 假肢年销售额50 100亿人工关节2亿 年 Zimmer公司2000套 获利5

7、000万 烧伤植皮几百万 年骨 软骨300万 年关节置换100万例 年晚期肾病6 12万例 年 年花费 150亿肾透析70170人次 肾移植2000人次人均年透析治疗费用3万美元 目前美国组织工程产品市场8亿美元主要为组织工程皮肤 组织工程骨 软骨类产品 21 我国是人口大国 形势更加严峻 因创伤和疾病造成的组织 器官丧失或功能障碍病例据世界各国之首 22 传统器官修复途径 加定义 自体组织移植拆东墙补西墙 以伤养伤异体组织移植免疫反应 供体严重不足人工代用品异物反应 癌变 致畸 23 需修复的器官 组织 可供移植的器官 组织 供需矛盾尖锐 24 于是 应运而生 组织工程 25 组织工程的优点

8、 对病损组织进行形态 结构和功能的重建 可永久性替代 可进行大块组织缺损的修复 可对组织器官缺损进行完美的形态修复 其他 26 27 组织工程 人类组织和器官的制造业 28 组织工程科学意义 不但可以从细胞水平和分子水平认识生命的本质 而且能够从整体上优化生命的质量 并把握生命的进程 同时组织工程研究理论体系和研究方法不仅是针对哺乳类动物 而且可拓展到植物上去 这对于促进农业 工业和军事科学的发展都将有着不可估量的深远意义 29 组织工程科学意义 多学科交叉的边缘学科特点 除了具有生物力学 生物材料学和细胞与分子生物学三大学科支撑外 融汇了生物信息 生物化学工程 遗传学及工程 生物电子学及计算

9、机的原理和方法 组织工程的研究 必将促进相关高技术产业的交叉 渗透和发展 同时还可以演化或衍生出新的高技术产业 组织工程将是21世纪最具有潜力的高技术产业 必将产生巨大的社会效益和经济效益 30 组织工程研究 历史与现状 Vacanti Langer 1986 开始相关研究美国国家科学基金委员会 1987 提出组织工程概念1988年起 美国开始资助建立了一系列实验室至今累计投资 10亿 年增长20 建立四个国家级组织工程研究中心欧洲 英国 德国 1998 500亿欧元用于肝脏 1000亿用于心脏 公开招标亚洲 日本 韩国 新加坡 已经起步 31 组织工程研究机构 美国已有相当数量的研究机构 N

10、ASA DOE NIH等 大学包括 MIT HMS GIT UCSD UMAS等 公司 Sandoz 0rganogenesis AdvancedTissue等 参与了组织工程 发展迅猛 在许多方面取得了重大进展 32 组织工程研究领域 骨组织工程软骨组织工程皮肤组织工程神经组织工程肝脏组织工程心脏血管组织工程肌腱组织工程其它组织工程 脂肪 尿道 膀胱等 33 我国组织工程发展 上海 1997年上海成立我国第一个组织工程实验室 上海组织工程研究重点实验室 2005年5月成立组织工程国家工程研究中心 广东省 2001年广东省在全国率先成立了人体组织工程学的学术团体 广东省人体生物组织工程学会 1

11、999获国家重点基础研究项目 973计划 专项资助 2003年 863计划 项目 34 如何进行组织工程 基本方法 将体外培养的高浓度组织细胞 扩增后吸附于一种生物相容性良好 并可被人体逐步降解吸收的细胞外基质 ECM 上 使细胞按预制形态的三维支架生长 然后将这种细胞生物材料复合体植入机体病损部位 在生物支架降解吸收过程中 种植的细胞继续增生繁殖 形成了新的具有其原来特殊功能和形态的相应组织和器官 HOW 35 组织工程三要素 支架凝胶泡沫纤维 讯息因子生长因子细胞外基质蛋白 细胞成体细胞干细胞基因工程细胞 细胞的家 组织再生关键 所罗门之钥 组织工程器官 36 组织工程用生物材料 生物材料

12、在组织工程主要是构成支架 起着为细胞的生长 增殖提供适宜环境的作用 因此为了保证组织细胞按预定设计形状要求生长增殖 最终长成所需的组织或器官 组织工程用生物材料必须具备特殊性能 37 生物材料 概念 1987年10月 巴黎 国际标准化组织规定 以医用为目的 用于和活体组织接触且具有功能的无生命材料 38 生物材料 分类 体内植入材料 包括组织工程材料 半体内应用材料 接触镜 人工肾 体外应用材料 生物传感器 医疗器械 要求 优良的生物相容性 符合机体环境的生物特性以及物理 化学性质 39 生物相容性 血液相容性组织相容性生物惰性 40 基本性能 支架材料的性能要求 41 组织工程支架研究重点

13、生物相容性力学性能降解速率及体内吸收速度三维空间结构的要求及形成表面形貌特征营养物质的提供代谢废物的排除生物活性位点 42 材料的理化性质 支架形貌与结构 组织工程支架性能 构建技术 43 生物相容性 生物相容性是影响大多数生物医用材料在临床应用的主要问题 作为组织工程细胞支架的生物材料不但要求优良的生物相容性 而且还要求良好的细胞亲和性 不会引起细胞变性 44 生物医用材料的生物相容性技材料接触人体部位不同一般分为两类 若材料用于心血管系统与血液直接接触 主要考察与血液的相互作用 称为血液相容性 若与心血管系统外的组织和器官接触 主要考察与组织的相互作用 称为组织相容性或一般生物相容性 从广

14、义上讲 植人体内的各种医用材料和装置都首先要求具有优良的组织相容性 45 接触人体部位 46 47 48 生物相容性的检测方法 一是通过体外试验揭示材料与组织之间的反应性质 即在离体试验中 常利用对基因 细胞 血液及蛋白质等各种生理物质进行观察分析 了解材料与组织的反应关系 二是进行体内试验 目的是为了进一步对材料处于动态时的生物学行为进行生物相容性检测 49 力学性能 组织工程细胞支架用的三维空间结构应具有一定的力学性能 以保证在细胞增殖 形成组织器官的过程中承受在机体中的正常应力 其中对作为硬组织修复用组织工程支架的强度 模量要求 以及对软组织修复用支架的韧性 弹性要求 是目前影响支架得以

15、应用的主要因素 50 降解与吸收 组织工程支架在机体内的降解及吸收速度应与细胞的增殖速度以及组织的修复速度相匹配 基于不同组织 不同程度损伤及缺陷的组织修复需要不同的时间 因此要求具有不同降解速度的多种生物降解材料以适应不同组织修复的需要 生物降解高分子在组成 分子量 分子量分布等方面可以在一定程度上进行调节 51 人体组织愈合时间 皮肤组织3 10天被膜组织1 2 1月内脏损伤1 2月硬组织3 6月大器官 半年 52 合适的生物降解性 降解产物无毒降解速率可调降级过程中 材料与组织有较好的亲和性降解液pH值 53 生物降解材料基础 降解的基本概念与类型降解机制与过程降解与吸收的研究方法生物降

16、解材料的安全评价 54 降解的基本概念与类型 基本概念 降解 高分子主链断裂 分子量逐渐变小 以致最终成为单体或者代谢成二氧化碳和水的化学过程 生物降解 酶进入聚合物的活性位置并渗透至聚合物的作用点后 使聚合物发生水解 从而使聚合物的分子骨架发生断裂 成为小的链段 并最终断裂成稳定的小分子产物 完降解的过程 55 生物可降解与生物可吸收 生物降解 完全生物降解生物破坏不包括非酶性水解和物理性溶解 但在医用材料中包括水解 生物可吸收 指通过生物降解或水解 溶解而在体内通过代谢而消失的材料 生物降解 但不一定可吸收可吸收 一般要生物降解 也有例外PEG 56 降解吸收机制 物理 应力化学 水解 氧化及酸碱作用生化 酶和微生物由于植入体内的材料主要接触组织和体液 因此水解和酶解是主要的降解机制 57 一般而言 体内有酶解作用 体内降解快于体外降解 但如果酶在降解过程中不起作用除外 PLGA多通道神经导管 体外降解 1W 4W 12W 体内移植8W 58 降解 化学键 分子间力 侧链切断 转化为水溶性高分子交联点切断 恢复为未交联高分子主链切断 无规降解 拉链式 范得华力库仑力 降解方式 59