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组织工程导论复习题
组织工程学概念
研究组织工程最基本的思路
组织工程研究最基本的思路是在体外分离、培养细胞,将一定量的细胞接种到具有一定空间结构的支架上,经过细胞之间的相互粘附、生长繁殖,形成具有一定结构和功能的组织或器官。
组织工程化组织构建方式
•体内构建
•体外构建
•原位组织构建
简述组织工程的优点。
1.经过构建结构完整、功能完全、具有生命力的健康活体组织,对病损组织进行形态、结构和功能的全面重建。
2.所形成的组织在体内与机体正常组织整合良好,可对体内各种生物学刺激产生应答,并可永久性替代。
3.以最少量的组织细胞经体外培养扩增后,修复体积较大的组织缺损,达到无损伤和真正意义上的功能重建。
4.可根据组织器官缺损情况,构建相应形态与结构的组织,达到完美的形态修复。
理想的组织工程用材料应具备什么条件?
良好的生物相容性、良好的生物降解性、具有三维多孔立体结构、可加工性和有一定的机械强度、良好的材料-细胞界面、良好的消毒性能。
生物相容性
是生物医用材料与人体之间相互作用产生各种复杂的生物、物理、化学反应的一种概念。
材料与机体之间的相互作用使各自的功能和性质受到影响。
组织工程支架材料需要具有三维多孔结构
合适的孔尺寸、高的孔隙率和相连通的孔形态,以利于大量细胞的种植、细胞和组织的生长、细胞外基质的形成、氧气和营养的传输、代谢物的排泄以及血管和神经的内长入。
可降解组织工程材料分为哪几类?
分别列举4种。
组织工程材料分为天然生物可降解材料和人工合成生物可降解高分子材料两类。
天然生物可降解材料如:
胶原、明胶、糖氨聚糖、壳聚糖、甲壳素、海藻酸盐等。
人工合成生物可降解高分子材料如聚乳酸、聚羟基乙酸、聚α-羟基酸、聚酸酐、聚碳酸酯、聚乙二醇等
生物材料的发展趋势
生物材料的开发和研究已逐步转向
复合型
生物复合材料又称为生物医用复合材料,它是由两种或两种以上不同材料复合而成的生物医学材料。
制备此类材料的目的就是进一步提高或改进某一种生物材料的性能。
此类材料主要用于修复及替换人体组织、器官或增进其功能。
杂化型
是由活体材料和非活体材料组成的复合体。
它主要包括合成材料与生物体高分子材料或与细胞的杂化。
从广义上讲,它包括所有的人工材料与生物体高分子和生理活性物质的杂化。
杂化生物材料主要包括三类:
用于组织结构材料的多糖类等生理活性物质杂化材料
以固定酶为代表的功能性杂化材料
杂化细胞
杂化生物材料主要用于人工胰脏、人工肝脏、人工胸腺、人工肾脏、人工皮和人工血管等。
功能型:
指在生理环境下表现为特殊功能的材料,形状记忆材料,组织引导再生（GuidedTissueRegeneration,GTR）材料。
智能型:
指能模仿生命系统,同时具有感知和驱动双重功能的材料。
感知、反馈和响应是该材料的三大要素。
将高新技术、传感器和执行元件与传统材料结合在一起,赋予材料新的性能,使无生命的材料具有越来越多的生物特性。
组织工程用无机多孔支架材料的制备方法
一、造孔剂法
二、发泡法
三、模板法
四、自固化与融出法
五、电泳沉积法
六、经过颗粒堆积形成气孔
七、处理天然材料
组织工程用有机多孔支架材料的制备方法
冷冻干燥法
冷冻凝胶法
临界点干燥
天然衍生高分子生物材料的交联
溶液冷冻干燥法制备三维多孔支架材料的原理
•天然大分子溶液低温冷冻时,溶液中的水结晶成冰,天然大分子聚集在冰晶粒上,形成网络状结构;真空条件下,冰晶粒升华,天然大分子则保留了冷冻状态下的多孔网络结构。
应用于支架加工的快速成型工艺
一、立体光刻技术/微立体光刻技术
二、选择性激光烧结技术
三、分层实体制造技术
四、熔融沉积制造技术
五、三维打印技术
什么是种子细胞?
研究种子细胞的目的是什么?
种子细胞:
应用组织工程的方法再造组织和器官所用的各类细胞统称为种子细胞。
研究种子细胞的目的:
获取足够数量的接种细胞,同时保持细胞增殖、合成基质等生物功能并防止细胞老化.
种子细胞的要求
•取材方便,采用非侵袭手段或微创手段即可获得的组织;
•分裂增殖能力强,保持良好的生物学活性,能连续传代,而且传代培养后不发生形态、功能及遗传物质的改变;
•功能旺盛;
•无或仅有极微弱的免疫排斥反应;
•获得的种子细胞能够接种到受伤组织或在体外结合可降解性支架,再移植到受伤组织。
种子细胞的来源
•与缺损组织细胞同源的自体细胞。
•组织特异干细胞（成体干细胞）:
专能干细胞、多能干细胞
•胚胎干细胞
干细胞
干细胞（stemcell）是指具有无限或较长期的自我更新能力,并能产生至少一种高度分化子代细胞的细胞。
什么是胚胎干细胞?
其特性是什么?
指由胚胎内细胞团（innercellmass,ICM）或原始生殖细胞（primordialgermcell,PGC）经体外抑制培养而筛选出的细胞。
胚胎干细胞具有发育全能性,在理论上能够诱导分化为机体中所有种类的细胞;胚胎干细胞在体外能够大量扩增、筛选、冻存和复苏而不会丧失其原有的特性。
成体干细胞
是指存在于一种已经分化组织中的未分化细胞,这种细胞能够我更新而且能够特化形成组成该类型组织的细胞。
成年个体组织中的成体干细胞在正常情况下大多处于休眠状态,在病理状态或在外因诱导下能够表现出不同程度的再生和更新能力。
成体干细胞
成体干细胞是存在于分化组织中的未分化细胞,并能分化成该细胞来源组织中的细胞成分。
成体干细胞大多数时候处于静息状态。
在特定条件下,成体干细胞或者产生新的干细胞,或者按一定的程序分化,形成新的功能细胞,从而使组织和器官保持生长和衰退的动态平衡。
部分成体干细胞在特定条件下能够转化为其它细胞,如肌肉干细胞在特定条件下能够分化为各种血细胞系,骨髓间充质干细胞能够分化为软骨细胞等。
成体干细胞的优点与不足
成体干细胞则可从患者自身获得,不存在组织相容性的问题。
成体干细胞不会诱发畸胎瘤的发生。
成体干细胞也不存在伦理学争执。
尚未从人体的全部组织中分离出成体干细胞.
成体干细胞含量极微,很难分离和纯化,且数量随年龄增长而降低
在一些遗传缺陷疾病中,遗传错误很可能也会出现于病人的干细胞中,这样的干细胞不适于移植
成人身上获得的干细胞可能没有年轻人的干细胞那样的增殖能力
由于日常生活中人是暴露在各种环境之下的,日光和毒素等都有可能造成基因突变,成体干细胞可能包含更多的DNA异常等等。
骨髓间充质干细胞
骨髓间充质干细胞,是骨髓中除造血细胞以外的中胚层来源的细胞,其细胞特性稳定,在连续传代培养和冻存后仍具有多向分化潜能。
在特定的诱导条件下,骨髓间充质干细胞能够分化为间充质组织中的各类细胞,包括:
骨、软骨、脂肪、肌腱、韧带等细胞。
骨髓间充质干细胞作为种子细胞的优势
来源广泛,取材方便,对人体创伤性较小;
易于体外培养、扩增和诱导;
取自自体,克服了使用胎儿组织所带来的伦理学和免疫学方面的问题。
干细胞研究中的主要问题
•维持胚胎干细胞未分化状态的机制
•干细胞定向诱导分化的调控机制
•获得高数量和高纯度的分化细胞,为组织工程提供种子细胞
•虽然人胚胎干细胞能够形成各种类型的细胞和简单的组织,可是其是否具有形成复杂器官的能力当前还远未清楚。
•来源于胚胎干细胞的细胞应用于细胞和组织替代治疗所面临的移植排斥问题
•干细胞用于临床治疗的安全性问题,对于胚胎干细胞而言,在移植前应该保证胚胎干细胞全部被诱导分化,对诱导分化的细胞应该严格纯化
•干细胞可塑性的机制是怎样的,干细胞分化时所处微环境中的调控因素是如何起作用的
临床上经过自体细胞培养人工关节软骨细胞使-软骨再生的步骤
1.第一次手术:
从病人关节软骨中未受力的部分,取出一片约为葡萄干大小的健康软骨组织。
2.分离出软骨细胞并经三星期的体外培养,使细胞数增加约10～20倍。
3.第二次手术:
清理软骨受损的部分,从下方骨头部位取出一片约与伤口大小相同的骨膜,缝在伤口上方,再将软骨细胞注射到骨膜下方。
经过复健一年后即可恢复正常的生活。
生长因子
（growthfactor,GF）是经过细胞间信号传递影响细胞活动的一类多肽因子。
它对细胞具有促进或抑制其分裂增殖、迁移和基因表示的作用。
将生长因子加入到细胞培养体系中,保证生长因子在体外环境下能够有效发挥作用非常重要。
这需要解决两个难题,其一,促进生长因子维持活性;其二,保证生长因子的有效作用浓度。
骨形态发生蛋白BMP能诱导机体内的间充质干细胞不可逆地分化为软骨细胞和骨细胞。
将BMP植入软组织内,可异位诱导新骨的形成。
骨折愈合过程中局部BMP的表示水平明显增高,且局限于骨折骨痂形成区。
BMP已经被成功地应用于骨折治疗、骨延迟愈合和骨不连接及骨缺损。
表皮生长因子
•表皮生长因子VEGF经过受体作用,一方面促进微血管内皮细胞增殖,迁移;另一方面促进微血管的通透性增加,使血液中的大分子物质如纤维蛋白原等进入细胞外基质中,形成纤维蛋白凝胶,作为暂时性基质允许和支持新生血管和基质细胞的内向性生长。
在血管再生方面具有重要作用。
骨移植是什么,有哪些方式
用手术方法将各种骨组织移植到患者体内的骨缺损区、须加强或融合的部位,目的是起到固定、促进骨形成和替代的作用。
自体骨移植、同种骨移植、异种骨移植、人工骨移植。
带血管蒂骨移植。
骨移植后新骨形成须具备三个条件
有能够生骨的细胞、足够的营养供应、适当诱发产生新骨的刺激。
骨移植后组织变化过程:
第一、宿主骨床的细小血管迅速长入移植骨,同时将血管周围的间充质细胞带入。
第二、宿主的间充质细胞与移植骨表面的细胞一起造骨。
第三、移植骨坏死并逐步被吸收,新形成的骨沉积在坏死骨的残余物上。
人工骨移植
人工骨移植主要指在人工骨植入物周围的宿主骨痂经过爬行而汇合,并将植入骨包裹起来,使之起到填充和连接骨缺损的作用。
人工骨中微孔有利于周围毛细血管和细胞长入,逐步形成骨细胞,最终使其中的孔隙部分或完全被新骨充填。
有机材料经过促使周围间充质细胞分化为成软骨细胞和成骨细胞,进一步形成软骨和骨组织。
移植人工骨的归宿是被吸收后由新骨替代。
骨修复中多种生长因子
•骨形态发生蛋白BMP
•转移生长因子TGF
•碱性成纤维细胞生长因子bFGF
•血小板源性生长因子PDGF
•类胰岛素生长因子
•表皮生长因子
理想的组织工程化人工骨特点
•包括无机和有机成分,力学性能类似于自然骨,同时可为成骨细胞提供最佳的胞外基质;
•含有成骨细胞、血管内皮细胞的复合细胞成分,植入体内时成骨和血管化能够同步、快速完成;
•经过合理使用生长因子和构建三维力学环境,对成骨和破骨进行正负调控。
理想的骨组织工程材料:
1.良好的生物相容性
2.良好的生物降解性,材料最终为受区的骨组织完全替代
3.易加工成形,并具有一定的强度,移植后能保持原状
4.材料表面易于细胞粘附且不影响其增殖分化
生长因子在骨愈合和改建过程中的作用有哪些
生长因子在骨愈合和改建过程中经过调控细胞活动起十分重要的作用。
生长因子经过其各自的机制,始终严格调控骨吸收和骨形成两个方面,使其达到平衡。
在骨愈合过程中,存在于骨基质中的各种生长因子被释放出来,发挥其各自作用,启动骨改建和修复的一系列过程。
骨移植后组织变化过程:
第一、宿主骨床的细小血管迅速长入移植骨,同时将血管周围的间充质细胞带入。
第二、宿主的间充质细胞与移植骨表面的细胞一起造骨。
第三、移植骨坏死并逐步被吸收,新形成的骨沉积在坏死骨的残余物上。
骨髓间充质干细胞
骨髓间充质干细胞是骨髓中除造血细胞以外的中胚层来源的细胞,其细胞特性稳定,在连续传代培养和冻存后仍具有多向分化潜能。
在特定的诱导条件下,骨髓间充质干细胞能够分化为间充质组织中的各类细胞,包括:
骨、软骨、脂肪、肌腱、韧带等细胞。
负荷对体外软骨细胞的影响。
关节软骨的重要功能是承受负荷,应力的作用对软骨的生长、代谢至关重要。
过度负荷和完全不负荷均对软骨不利。
生理活动形成的负荷促使软骨细胞合成、分泌更多的PGs,增加软骨厚度。
持续静压力对软骨细胞的增殖和代谢不利,周期性压力的频率对软骨细胞的代谢十分重要。
周期性应力这种负荷方式与关节运动时体内关节软骨承受的周期性压力相似。
人工骨的支架材料功能
（1）有一定机械强度以支撑组织的高强度材料,保证材料植入人体后,能支撑人体的重量,不改变骨骼形状。
（2）有一定生物活性可诱导细胞生长、分化,并可被人体降解吸收。
列出两种制备天然衍生高分子生物材料支架的方法。
冷冻干燥法及冷冻凝胶法制备天然衍生高分子生物材料支架。
冷冻干燥法:
原理:
天然大分子溶液低温冷冻时,溶液中的水结晶成冰,天然大分子聚集在冰晶粒上,形成网络状结构;真空条件下,冰晶粒升华,天然大分子则保留了冷冻状态下的多孔网络结构。
冷冻凝胶法:
将天然高分子材料制备成溶液,冷冻,冷冻后的溶液浸泡在另一种可使材料发生凝胶化的溶液中使其凝胶化,室温下干燥得到多孔支架材料。
优点:
与冷冻干燥法相比,节约时间和能源。
负荷对体外软骨细胞的影响
关节软骨的重要功能是承受负荷,应力的作用对软骨的生长、代谢至关重要。
过度负荷和完全不负荷均对软骨不利。
生理活动形成的负荷促使软骨细胞合成、分泌更多的PGs,增加软骨厚度。
持续静压力对软骨细胞的增殖和代谢不利,周期性压力的频率对软骨细胞的代谢十分重要。
周期性应力这种负荷方式与关节运动时体内关节软骨承受的周期性压力相似。
施万细胞的作用
施万细胞在周围神经系统的发生、发育、形态、功能维持方面起着重要作用:
能支持和保护轴突,维持轴突良好的微环境;形成髓鞘,对有髓纤维起着绝缘作用,加速神经轴突的传导;对神经轴突有营养代谢作用,能够参与周围神经系统中神经纤维的构成,分泌神经营养因子,促进受损伤的神经元存活及其轴突再生,周围神经损伤后,施万细胞分泌促神经生长因子,引导和促进轴突的生长,施万细胞上还存在细胞外基质如纤维蛋白、层黏连蛋白受体,可与细胞外基质相互作用。
神经支架材料应具备什么功能?
（1）必须为神经的恢复提供所需的三维空间,即保证神经导管具有合适的强度、硬度和弹性,使神经具有再生的通道。
（2）要保证其有理想的双层结构:
外层提供必要的强度,为毛细血管和纤维组织长入提供营养的大孔结构;内层可起到防止结缔组织长入而起屏障作用的紧密结构。
神经修复所用神经修复所用支架材料一般为:
外层是强度大、降解速率慢的可降解材料,内层为具生长活性的降解材料。
用于神经修复的内层材料多为胶原和多糖。
当前研究和使用的多为胶原和聚乳酸的杂化材料。
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