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骨组织工程支架材料的研究进展
支架材料的研究是目前骨组织工程学的热点之一.本文综述了组织工程化骨支架材料的基本要求,以及目前研究较多的复合支架材料,并分析了骨组织工程支架材料今后有待解决的问题及发展趋势.
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半月板纤维软骨细胞与壳聚糖/聚磷酸钙体外复合培养的实验研究
目的:观察半月板纤维软骨细胞在不同配比壳聚糖/聚磷酸钙( chitosan/ calcium polyphosphate,CS/CPP)支架材料上的生长状况,优选佳配比CS/CPP生物材料作为组织工程半月板支架材料.方法:采用机械分离与酶连续消化相结合的方法体外分离兔半月板纤维软骨细胞,单层培养传代至第3代,并对其进行表型鉴定.采用共混—化学交联固化—冷冻干燥法将CS、醛基化海藻酸钠(aldehyde alginate,ADA)、CPP有机地结合起来,制备4种不同配比的新型组织工程半月板复合支架材料.将体外分离培养的第3代半月板细胞,通过二次沉淀接种法将其种植于不同配比的CS/CPP支架上,体外培养7天,采用相差倒置显微镜、SEM、HE染色观察细胞在支架上的形态、黏附、生长情况.结果:体外分离培养的第3代半月板细胞基本维持纤维软骨细胞的表型.相差倒置显微镜下可见,细胞在支架上黏附良好；扫描电镜下可见,细胞在支架上均匀分布,细胞多数呈多角形,并有基质分泌；HE染色结果显示,有细胞长入到三维支架材料内部.其中,半月板细胞在3∶7的CS/CPP支架材料上单位面积内数目多,生长旺盛,细胞外基质分泌多.结论:三维多孔的CS/CPP复合材料能促进半月板纤维软骨细胞的黏附、生长和增殖,其中3∶7的CS/CPP支架材料细胞相容性和生物活性好,适于半月板纤维软骨细胞粘附和生长,并且能促进半月板细胞增殖和维持其表型,有望成为组织工程半月板良好的支架载体.
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细胞外基质复合温敏性水凝胶与膀胱上皮细胞的生物相容性
目的 检验细胞外基质/温敏性水凝胶(ECM/TSH)复合支架材料与膀胱上皮细胞(UC)的生物相容性,探索其作为泌尿道组织工程支架的可行性.方法 实验分为A、B、C三组,A组为ECM/TSH复合支架种植UC组;B组为单纯ECM种植UC组;C组为单纯培养UC组,另设无细胞培养液为空白组(D组).应用角蛋白免疫荧光染色技术鉴定细胞,应用倒置相差显微镜和扫描电镜观察细胞的黏附和生长情况,利用MTT法检测细胞的活力.结果光镜下ECM/TSH复合支架为红染的网状结构,纤维较粗,网孔较小,未见到细胞碎片;种植UC后4 h可见细胞紧密黏附于材料表面;14 h可见细胞沿支架纤维伸展;3 d时可见黏附于材料的细胞增多、增殖明显;扫描电镜下,可见发育良好的细胞伪足沿纤维伸展,附着牢固,细胞间连接紧密,胞膜表面有ECM分泌.MTT法示各组间细胞相对增殖率差异有统计学意义(P < 0.05).结论 ECM/TSH复合材料具有便于细胞黏附和生长的微孔结构,生物相容性好,无细胞毒性,是一种理想的组织工程材料.
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纳米材料在关节置换内植物应用中的研究与特点
背景:关节置换后易出现植入物松动、脱位及感染.利用纳米技术制造的人工植入物为内置物的制备提供了一个新方向.目的:详细阐述纳米技术在改良关节置换植入物方面的相关研究进展.方法:应用计算机由第一作者在PubMed数据库,以“joint replacement,artificial implant,nanotechnology,nanomaterials,nanoscales,biocompatibility”为英文检索词,查找关于纳米技术及关节置换内植物实验研究相关文献,对资料进行筛选,排除重复研究及关联性较小的文献,保留与文章关联紧密的文献51篇.结果与结论:共纳入51篇英文文献,经综合分析整理,通过此综述详细介绍纳米材料相关的生物反应和与材料相关的一些组织相容性问题,以及已经用于改善纳米结构材料组织相容性的方法.
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构建组织工程软骨支架材料:现状及未来
背景:众所周知,组织工程修复软骨损伤有种子细胞、支架材料、细胞因子3个要素,支架材料在软骨组织工程制备中发挥着重要作用.目的:检索近十年来国内外关于软骨组织工程支架材料的相关文献,并对其进行归纳总结,讨论支架材料发展遇到的问题及发展方向.方法:由第一作者检索2006至2016年PubMed数据库及CNKI数据库文献,英文检索词为"cartilage tissue engineering,natural scaffold materials,synthetic scaffold materials,composite scaffolds,nanometer materials",中文检索词为"软骨组织工程,天然支架材料,人工合成支架材料,复合支架材料,纳米支架".结果与结论:软骨组织工程支架材料来源与种类不一,天然材料、人工材料及纳米材料有各自的优点及缺点,任何单一的材料难以满足临床上对软骨的要求,将不同来源的材料按照不同比例进行复合,扬长避短,能构成力学性能良好、高孔隙率、相容性好、降解性能佳的支架材料.但目前仍存在支架材料降解过快、细胞过度生长等问题,目前相关研究大都样本量较小,缺乏长期跟踪随访,并且人体试验相对较少.
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降钙素基因相关肽诱导藻酸钙凝胶复合脂肪干细胞的成骨细胞分化
背景：降钙素基因相关肽已被证实具有诱导成骨细胞分化作用，但其是否可使三维培养下的脂肪干细胞向成骨细胞分化构建组织工程骨的相关报道少见。
目的：探讨外源性降钙素基因相关肽诱导兔脂肪干细胞复合藻酸钙凝胶三维培养成骨分化的可行性。
方法：取新西兰兔双侧腹股沟区皮下脂肪垫，Ⅰ型胶原酶消化离心贴壁法分离培养脂肪干细胞，取第3代与海藻酸钠混合制备凝胶，于24孔板分组培养：对照组加入含10-2 mol/Lβ-甘油磷酸钠、10-7 mol/L地塞米松、50 mg/L抗坏血酸、体积分数10%胎牛血清的DMEM/F-12骨诱导培养基，实验组在此基础上再加入1.5μg/L降钙素基因相关肽进行诱导培养。于诱导不同时间点MTT法检测细胞增殖，RT-PCR法检测诱导细胞Ⅰ型胶原和骨钙素mRNA的表达，并检测碱性磷酸酶及钙离子浓度。
结果与结论：兔脂肪干细胞的增殖曲线呈“S”型，实验组诱导1，3，5，7，14，21 d 的 A 值高于对照组(P<0.05)；诱导2周后两组细胞碱性磷酸酶、茜素红染色均阳性，但实验组钙结节较对照组明显增多。实验组诱导7，14 d的Ⅰ型胶原和骨钙素mRNA表达均强于对照组。实验组诱导1，2，3，4周的碱性磷酸酶活性及钙离子浓度均高于对照组(P<0.05)。结果表明降钙素基因相关肽能诱导复合藻酸钙凝胶的脂肪干细胞向成骨细胞分化。 -
不同药物洗脱支架置入老年急性非ST段抬高型冠脉综合征后的炎症因子反应
背景：雷帕霉素及其衍生物依维莫司洗脱支架能改善急性冠脉综合征患者支架置入后的炎症反应，减少再狭窄的发生率。Firebird支架是目前中国使用广泛的国产雷帕霉素药物洗脱支架，XIENCE.V支架是目前使用多的雷帕霉素衍生物依维莫司洗脱支架。
目的：比较国产雷帕霉素洗脱Firebird支架及进口XIENCE.V支架对老年非ST段抬高型急性冠脉综合征患者经皮冠状动脉介入后炎症因子高敏C-反应蛋白及白细胞介素6影响的差异。
方法：选取2012年9月至2014年7月间老年非ST段抬高型急性冠脉综合征患者112例，其中不稳定心绞痛47例，非ST段抬高型心肌梗死65例。经药物治疗病情72 h后，行经皮冠状动脉介入治疗，其中Firebird支架组58例，XIENCE.V支架组54例。
结果与结论：与置入前相比，两组高敏C-反应蛋白及白细胞介素6置入后24 h显著升高(P <0.01)，置入后1个月显著下降(P <0.05)。置入后24 h、1周、1个月，两组高敏C-反应蛋白及白细胞介素6差异无显著性意义。两组术中及置入后1个月均无心脏意外事件发生，两组安全性及组织相容性相似。结果证实，Firebird支架与XIENCE.V支架治疗均能抑制老年非ST段抬高型急性冠脉综合征患者支架置入后炎症反应，且临床疗效相似。 -
新鲜骨髓吸出物直接种植于支架构建组织工程韧带
背景：有关于应用新鲜骨髓吸出物直接局部注射修复韧带部分损伤的报道，少有提及应用新鲜骨髓吸出物直接种植于支架构建组织工程韧带的研究报道。
目的：评价将新鲜骨髓吸出物直接种植于支架构建组织工程韧带的可行性。
方法：构建丝素纤维/小肠黏膜下层复合支架后，骨髓种植组将骨髓吸出物直接种植于复合支架上；细胞种植组将骨髓间充质干细胞种植于复合支架上；以未接种任何物质的复合支架作为空白对照，检测各组细胞黏附密度、细胞增殖活性及细胞外基质分泌情况。将骨髓种植组复合物植入兔前交叉韧带横断处，12周后取材评价骨髓种植组材料体内生物相容性。
结果与结论：骨髓种植组孵育4 h后的细胞黏附密度、不同时间点细胞增殖率显著高于细胞种植组(P<0.05)。骨髓种植组及细胞种植组Ⅰ型、Ⅲ型胶原分泌量均显著高于空白对照组(P<0.05)，但骨髓种植组及细胞种植组两组间Ⅰ型、Ⅲ型胶原分泌量差异无显著性意义。骨髓种植组材料植入兔体内未引起致死性免疫排斥反应及严重炎症反应，未见明显韧带再生及血管化。说明新鲜骨髓吸出物直接种植于支架可构建组织工程韧带，并且体内短期生物相容性良好。 -
京尼平或紫外线交联制备的壳聚糖/藻酸盐复合支架材料比较
目的:比较京尼平或紫外线交联的壳聚糖/藻酸盐复合支架材料的降解率、孔隙率、含水量、细胞毒性以及生物力学等特性.方法:①按照交联方法不同分为:京尼平组、紫外线组.②扫描电镜下观察材料的表面结构以及检测材料的降解率、孔隙率、含水量、细胞毒性以及生物力学.结果:①紫外线组与京尼平组均表现为多孔隙结构,无明显差异.②紫外线组降解率高于京尼平组.③京尼平组与紫外线组的孔隙率差异无统计学意义,含水量差异比较有统计学意义.④两组均表现为较低的细胞毒性,良好的生物相容性.⑤京尼平交联组的生物力学特性较紫外线组显著提高.结论:京尼平交联的壳聚糖/藻酸盐复合支架材料,具有良好的生物学特性,为组织工程脊髓领域提供了非常具有潜力的材料.
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甲壳素/海藻酸钠-纳米羟基磷灰石多孔复合支架材料的实验研究
目的:制备性能优良的复合支架一直是骨组织工程学研究的重点和难点.比较分析甲壳素对复合支架材料的孔隙率、含水量、降解率及生物力学特性的影响.方法:将甲壳素溶液与海藻酸钠溶液充分混合,然后将一定质量的羟基磷灰石加入混合液.根据甲壳素溶液在混合液中的质量分数不同分为两组:scal(0％chitin)、sca2(50％chitin).扫描电镜下观察材料的表面结构以及检测材料的孔径.测量并计算出复合支架材料的孔隙率、降解率、含水量以及生物力学性能.结果:两组支架材料均表现为多孔隙结构,平均孔径大小分别为:121.2± 12.6μm、213.3± 27.3 μm.孔隙率分别为:(90.53± 1.62)％、(87.73± 1.22)％,统计学分析显示,两组材料孔隙率的差异比较有统计学意义(P＜0.05).两组支架材料第6周的降解率分别:(59.12±1.93)％、(22.91±0.953)％,统计学分析显示,两组材料降解率的差异比较有统计学意义(P＜0.05).两组含水量分别为:(95.52±1.17)％、(90.42±0.85)％,统计学分析显示,两组材料含水量的差异比较有统计学意义(P＜0.05).第二组生物力学特性显著提高.结论:从本实验的实验数据可以看出,甲壳素可以增大材料的孔径,提高材料的降解稳定性,提高材料的生物力学强度.因此,甲壳素在骨组织工程领域具有重要的研究价值,同时为今后的进一步实验提供一定的实验依据.
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复合水凝胶支架在骨组织工程中的应用
大面积的颌骨缺损是口腔医学中的常见临床问题,目前广泛运用骨组织移植、引导骨组织再生技术、牵张成骨的方法修复骨缺损,恢复组织器官的功能与美观,但这些方法依然存在局限性.骨组织工程的出现为骨缺损患者的治疗提供了新选择,其重点是制备支架材料替代移植物,植入缺损区,实现骨愈合.其中,支架材料的选择是组织工程骨再生的核心问题.相较于传统支架材料,水凝胶的机械学性能、生物相容性、生物可降解性具有独特的优势,是理想的骨修复支架材料,在组织工程的应用中,已获得初步进展.近期研究发现,复合水凝胶、环境敏感型水凝胶支架能提高材料表面的细胞粘附并诱导干细胞向成骨方向分化,为指导骨修复提供了全新的策略.
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新型利福平缓释植入支架材料的制备及体内缓释分析
目的：制备一种可局部植入的具有良好的药物缓释以及成骨性能的新型材料并验证其缓释性能和生物安全性。方法使用乳化溶媒挥发法制备利福平-聚乳酸羟基乙酸共聚物载药微球并将其与带负电荷硫酸钙/β-磷酸三钙复合骨水泥结合制备成一种新型的复合抗结核支架材料。分别观察微球以及复合支架材料的体外缓释性能。通过在成年雄性SD大鼠的肌袋模型中植入复合抗结核支架材料来观察不同时间点的局部药物浓度以及血药浓度，通过血生化指标以及肝脏病理组织切片评价复合抗结核支架材料的体内安全性。结果利福平/聚乳酸羟基乙酸共聚物载药微球的包封率和载药率分别为（56.05±5.33）%和（29.80±2.88）%。在第28天微球和复合支架材料的体外累积释放率分别为（94.19±5.40）%和（82.23±6.28）%。局部植入抗结核复合支架材料后药物缓释效果令人满意，在术后第28天局部药物浓度仍可达到16.18±0.35μg/g。血浆生化指标提示局部植入抗结核复合支架材料后会出现一过性肝损伤，肝脏病理切片的结果显示在第28天肝损伤基本得到完全修复。结论利福平-聚乳酸羟基乙酸共聚物载药微球-带负电荷硫酸钙/β-磷酸三钙复合骨水泥作为一种新型的抗结核局部植入物，具有良好的缓释效果以及生物相容性，能弥补传统抗结核疗法局部药物浓度过低的不足。
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ECM-多糖/蛋白质多孔复合材料对BMSCs定向软骨分化的影响
目的 构建细胞外基质( ECM )-多糖/蛋白质多孔复合支架材料,观察骨髓间充质干细胞(BMSCs)在其上的生长、增殖和成软骨分化的行为,探讨该材料用于体外构建组织工程软骨的可行性.方法采用仿生学方法,将卡拉胶、明胶、壳聚糖按一定比例制成ECM -多糖/蛋白质多孔复合支架材料,扫描电镜观察其形态. MTT法检测软骨细胞在材料上的增殖行为.将BMSCs接种于复合支架材料上,并设软骨细胞诱导液组为对照组,观察细胞的生长情况,免疫组化检测Ⅱ型胶原蛋白的表达.结果 复合材料呈多孔隙海绵状,扫描电镜观察材料呈三维多孔的网状结构.软骨细胞在支架材料上增殖明显,MTT结果显示实验组和对照组各点OD值之间差异无统计学意义(P＞0.05).支架材料具备诱导BMSCs向成软骨细胞转化的功能,两组细胞都可以检测到Ⅱ型胶原蛋白的表达.结论 ECM-多糖/蛋白质多孔复合材料具有良好的生物相容性,在不添加诱导剂的条件下,可以诱导BMSCs向软骨细胞分化.
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凹凸棒石/Ⅰ型胶原/聚己内酯复合修复兔骨缺损的实验研究
目的 探讨凹凸棒石/Ⅰ型胶原/聚己内酯[attapulgite/collagen type Ⅰ/poly (caprolactone),ATP/Col Ⅰ/PCL]支架材料修复兔桡骨缺损效果,及其作为骨替代材料的可行性.方法 取Col Ⅰ、PCL按3∶2比例溶于六氟异丙醇后,添加ATP,制备ATP/Col Ⅰ/PCL支架材料;同法制备Col Ⅰ/PCL支架材料作为对照.扫描电镜观察两种支架材料结构.取24只2月龄雄性日本大耳白兔,于双侧前肢制备长15 mm的桡骨缺损模型.随机分为3组,A组6只(12侧)缺损不作任何处理作为对照;B、C组各9只(18侧),于缺损处分别植入Col Ⅰ/PCL、ATP/Col Ⅰ/PCL支架材料.术后观察动物一般情况,4、8、12周X线片观察骨缺损修复情况;12周取材行大体、扫描电镜、Micro-CT观察及组织学、免疫组织化学染色,观察骨缺损修复以及支架材料降解情况.结果 扫描电镜示,两种支架材料均为多孔结构,ATP/Col Ⅰ/PCL支架材料结构较Col Ⅰ/PCL支架材料更致密.术后各组动物均存活至实验完成,无切口感染等现象.X线片检查示,随时间延长,C组缺损区骨髓腔连通,修复效果优于A、B组.术后12周,大体观察示B、C组支架材料与周围组织良好融合,A组缺损部位被结缔组织填满.扫描电镜示B、C组支架材料表面和孔隙间被大量细胞和组织覆盖.Micro-CT扫描示,C组骨缺损部位新生骨体积、骨矿物质含量、组织矿含量、骨小梁连接密度显著高于A、B组(p＜0.05).组织学和免疫组织化学染色示,A组缺损区域填充大量结缔组织,ALP、Col Ⅰ和OPN仅微弱表达;B组支架材料降解区域内有胶原纤维形成,与A组相比,ALP、Col Ⅰ和OPN表达增强;C组支架材料降解较B组慢,材料植入部位有新生骨组织形成,与A、B组相比,ALP表达减弱,而Col Ⅰ、OPN表达增强.结论 ATP/Col Ⅰ/PCL支架材料体内可降解,具有三维多孔致密结构,生物相容性良好,修复兔桡骨缺损效果较好,可以作为骨替代材料.
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心肌组织工程细胞外基质的研究进展
心肌组织工程技术的问世良好地解决了心肌梗死后组织细胞移植过程中出现的一系列问题,同时也建立为选择更好材料及更好移植手段的技术平台.但无论是动物实验研究还是近的临床试验都表明,目前细胞移植手段仍存在不少缺陷,主要在于优良种子细胞的缺乏以及移植后细胞的低生存率和低分化率.在这种背景下,作为心肌组织工程支架材料的细胞外基质(extracellular matrix,ECM)越来越受到人们的关注和重视,成为近些年来医学研究的前沿和热点.而ECM也不再仅仅被理解为一种支架材料或是一种组织,而是能为细胞提供必要信号、影响细胞内增殖、分化和代谢重要途径的关键角色.ECM相关模型大致可分为以下几类:天然生物支架材料、人工合成高分子支架材料以及物理和生物学特性更加平衡的复合支架材料.我们对近几年心肌组织工程领域ECM方面的研究进展及ECM的材料进行综述.
