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骨再生研究期待更多新技術(shù)的運用

醫(yī)案日記 2023-06-20 02:12:12

再生醫(yī)學在短時間內(nèi)的迅速發(fā)展與現(xiàn)代醫(yī)學研究中的多種創(chuàng)新手段和新技術(shù)的應(yīng)用密不可分

,上海交通大學醫(yī)學院附屬第九人民醫(yī)院戴克戎院士在日前舉行的以“再生醫(yī)學”為主題的香山科學會議上,介紹了當前骨再生研究中的幾種新技術(shù)

納米技術(shù)主要用于骨仿生材料制作等

戴克戎院士介紹說,多年來

,人們對再生醫(yī)學的研究主要集中在器官
、組織水平,最多到細胞水平
,而納米技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用使科學家得以在分子水平觀察、干擾
、模擬組織再生
。其中,納米機器人技術(shù)
,納米生物材料制作、修飾
,納米控釋及基因載體技術(shù)
,納米探針技術(shù)等已經(jīng)或?qū)⒁?wù)于組織再生研究。當物質(zhì)結(jié)構(gòu)小至納米水平時
,其理化和生物學特性就會發(fā)生顯著變化
。目前
,納米技術(shù)在骨再生研究中的應(yīng)用主要集中在骨仿生材料制作和內(nèi)植物表面涂層修飾兩個方面

納米骨材料包括:單一納米骨材料和復合納米骨材料。單一納米骨材料中最常見的是納米陶瓷

,用于制備納米陶瓷的材料主要包括:納米羥基磷灰石、納米氧化鋁和納米磷酸三鈣等
。但骨基質(zhì)并非單一的無機物
,而是無機物和有機物形成的混合物,因此
,許多學者正致力于復合材料的研究

傳統(tǒng)的復合材料是將無機成分與有機成分通過摻混

、研磨后在一定溫度
、壓力條件下溶混壓制而成的
。與天然骨基質(zhì)相比,其存在分散不均勻
,無機物與有機物之間缺乏足夠的作用力等缺陷。因此
,模擬自然骨發(fā)生過程制作仿生材料可能會成為新的發(fā)展方向
。其中生物礦化模擬概念的引入,為復合材料的研究提供了新方向
,如何在自組裝材料上有序地復合其他肽序列
,以特異性結(jié)合骨髓細胞并誘導其成骨分化
,將是未來研究的重點之一

通過內(nèi)植物表面納米化促進周圍骨再生,是納米技術(shù)在骨科應(yīng)用的另一領(lǐng)域

。目前
,研究中的納米化涂層材料主要包括陶瓷
、聚合物及金屬等
。研究證明,當人工植入物表面光滑時容易與周圍骨組織之間形成纖維膜
,進而影響骨組織的長入
。如果在植入物表面被覆納米涂層
,則可避免纖維膜的形成
,增加周圍骨組織的長入,同時阻止或降低金屬離子的釋放
,并改變植入物表面的彈性模量
。納米化涂層還可促進成骨細胞的黏附、增殖及成骨活性
。但需要解決納米涂層與金屬基結(jié)合不夠牢固
、容易脫落等方面的問題。

運用計算機輔助技術(shù)改善組織工程支架的各種性能

組織再生的重要因素包括組織支架結(jié)構(gòu)的可塑形性及其和種子細胞之間的生物反應(yīng)性

。構(gòu)建支架的基本元素包括纖維
、膜及其所形成的孔隙
,它們可以按照隨機或周期性原則被排列,也可以按照工程學方法被重復制作
。人們一直致力于優(yōu)化三維組織支架的結(jié)構(gòu)及營養(yǎng)條件的研究
,并在生物材料研發(fā),體內(nèi)組織整合和功能的優(yōu)化
,以及支架的設(shè)計
、合成和制作等方面取得了顯著進步。

戴尅戎院士說

,計算機輔助組織工程(CATE)是計算機輔助技術(shù)在組織再生領(lǐng)域應(yīng)用的產(chǎn)物,通過計算機輔助可以進行復雜組織支架的建模
、設(shè)計和制造
,使很多用于改善替代材料力學及生物學性能的新方法得以實施。其核心就是在計算機的輔助下建立一個可以體現(xiàn)相關(guān)組織生物學
、生物力學及生物化學信息的組織模型
。生物學家和工程師可以通過這種模型合作設(shè)計
、制作組織支架

CATE主要分三個方面:計算機輔助組織建模;計算機輔助組織信息采集

、分析
;計算機輔助組織支架設(shè)計
、制造
。通過使用CATE,可以幫助研究人員探索許多新的設(shè)計
、制作方法
,以改善組織工程支架的各種性能
。對于結(jié)構(gòu)復雜的骨組織支架
,在設(shè)計時一是要考慮生物學及生物力學兩方面的性能,如支架的孔隙率
、孔徑及孔隙間的相通性
,這是細胞生長及周圍骨組織長入的前提
;二是要考慮負重部位支架的力學強度
、降解速度,以保證在負重的同時
,伴隨新骨的長入支架可以同步降解
。因此
,無論是從生物學還是從力學角度
,支架的制作都是一個非常復雜的過程
,應(yīng)盡可能模仿天然骨結(jié)構(gòu)來制作。

目前

,上海交通大學醫(yī)學院附屬第九人民醫(yī)院的研究人員運用計算機輔助技術(shù)進行了復雜骨結(jié)構(gòu)的重建,包括骨盆重建
、股骨近端重建等?div id="m50uktp" class="box-center"> ,F(xiàn)在正嘗試將這一技術(shù)運用到組織再生支架的制作中,以期隨著生物材料制作和生物反應(yīng)器等外部培養(yǎng)環(huán)境的發(fā)展
,制作出更符合人體解剖生理的大塊仿生骨

基因修飾技術(shù)在骨再生中更具優(yōu)勢

基因修飾技術(shù)在骨再生的應(yīng)用中有其獨特的優(yōu)勢

。首先
,骨組織形成過程和胞外基質(zhì)結(jié)構(gòu)較其他組織相對簡單,因此
,在干細胞存在的環(huán)境中
,單一的生長因子即可誘導再生新的骨組織
;其次
,骨組織對某些生長因子特異性敏感,目前證實多種蛋白質(zhì)可以直接誘導或促進骨組織再生
;第三
,基因修飾后的干細胞
,不僅在局部分泌目的蛋白
,而且自身在目的蛋白的作用下可向成骨細胞方向分化,從而參與組織修復過程
。另外
,骨組織周圍有骨膜、肌肉及深筋膜等軟組織包繞
,可形成較為密閉的封套,有利于基因載體的固定

戴尅戎院士介紹說

,基因修飾的方式主要有兩種:一是直接體內(nèi)法,是將目的基因加以修飾或包裹后直接注射或與基質(zhì)材料復合后
,植入到體內(nèi)的適當部位,轉(zhuǎn)染周圍細胞群而獲得有效表達,以達到治療目的
。另一是間接體內(nèi)法,是將目的基因?qū)塍w外擴增培養(yǎng)的靶細胞
,然后將靶細胞直接注入或與材料復合回植入體內(nèi)發(fā)揮效用
。兩種方法各有利弊
,目前在骨再生領(lǐng)域應(yīng)用較多也較成熟的是間接法
,直接法特別是復合基質(zhì)材料的局部基因釋放載體技術(shù)也為許多學者所研究。但基因修飾技術(shù)的安全性問題
,免疫學
、藥代動力學等諸多方面的問題尚有待解決

戴尅戎院士最后說

,新學科的發(fā)展離不開對新技術(shù)的吸納。這個過程中不僅要敢于嘗試新技術(shù)
,還要善于運用新技術(shù)
,應(yīng)該認識到它是創(chuàng)新的源泉,是發(fā)展的動力
。哪怕在嘗試運用中失敗了,我們也可以告訴后來者:“此路不通
,請繞行
。”

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