CN105695397A - 干细胞载体以及利用其的三维定制型骨成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及干细胞载体以及利用其的三维定制型骨成形方法。更详细地涉及干细胞储存体，并揭示利用多孔性的生物相容性材料构成立方体，具体地形成多数通孔通道，从而能够使干细胞以最佳的条件培养的结构体。

Description

干细胞载体以及利用其的三维定制型骨成形方法

技术领域

本发明涉及新的干细胞载体技术，详细地揭示由生物相容性材料制造的干细胞载体以及利用计算机辅助设计与制造(CAD/CAM，ComputerAidedDesign/ComputerAidedManufacturing)技术而不是利用单纯填充骨组织缺损部的移植材料的三维定制型骨成形方法。

背景技术

干细胞作为原始阶段的细胞也被称作能够以任何器官转换的万能细胞、干细胞。这种干细胞中存在利用人胚芽的胚芽干细胞和持续制造血球细胞的成体干细胞。

本发明尤其涉及成体干细胞的传递，成体干细胞从脐带血或成人的骨髓和血液等中抽取，被称为分化为骨和肝、血液等具体脏器的细胞之前的原始细胞。上述原始细胞中具有造血干细胞(Hematopoieticstemcell)和作为再生医学的材料被受瞩目的间充质干细胞(Mesenchymalstemcell)、神经干细胞(Neuralstemcell)等。此外，肝或表皮、胰脏等中也有干细胞。

脐带血(脐带血液)中含有大量造血干细胞，从骨内的骨髓中发现的骨髓细胞具有包括能够产生血液及淋巴细胞的造血干细胞在内的间充质干细胞等多种干细胞。

成体干细胞难以增殖并容易分化的倾向较强，但使用多种成体干细胞不仅能够再生实际医学中所需要的脏器而且还具有移植后可根据各脏器的特性而分化的特性。

并且，成体干细胞与人胚胎中抽取的胚胎干细胞不同的是，由于在骨髓或脑细胞等已经成长的身体组织中抽取，因此具有能够避免伦理争论的优点。

关于再生医学(regenerativeedicine)，用于开发人体中能够移植的人工组织的组织工程学基础及应用技术的开发正在活跃地进行。具体地，有干细胞增殖及分化研究、用于细胞及生物相容性三维储存体开发及各种组织工程学性工具开发的研究等。其中，能够包被干细胞或组织细胞的三维储存体对于人工组织及脏器开发是核心因素。

为了人体组织再生而使用的储存体材料的主要条件如下：充分起到基质或支架的作用，使得组织细胞粘连在材料表面而形成具有三维结构的组织，还起到位于移植的细胞和宿主细胞之间的中间障壁的作用，但这意味着移植后应该具有不会引起血液凝固或炎症反应的无毒性的生物相容性。并且，移植的细胞能够充分地执行组织的功能和作用时，应当具有根据所需的时间在生物体内能够完全地分解掉的生物分解性。并且，储存体主要利用合成及天然高分子、它们的复合体，以三维方式制造，且具有各种形态和物性。现在广泛地使用的合成生物分解性高分子大部分是聚羟基乙酸(PGA)、聚乳酸(PLA)、聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)、聚-ε-己内酯(PCL)、和它们的衍生物及共聚物。胶原蛋白、藻酸盐、透明质酸、明胶、壳聚糖、纤维蛋白等作为天然生物分解性高分子使用。支架的形态使用海绵、凝胶、纤维及微珠子等的各种形态，其中最广泛地使用多孔性海绵和注入型水凝胶。

但是，目前组织工程学的各种技术性的制约条款当中的与储存体有关的紧急要素技术中首选的是储存体内的细胞相容表面环境营造技术。鉴于储存体的主要任务是提供有利于细胞粘附及生长的三维环境的方面，引起细胞粘附的储存体表面的特征能够成为决定目前及未来细胞行为的重要尺度。

细胞直接粘附的高分子表面对于储存体的设计是重要因素之一。通常，细胞在天然高分子成分上比合成高分子更容易粘附，因此，以往主要使用如下方法：将细胞表面受体能够识别的纤维连接蛋白、精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(RGD)肽、玻连蛋白、层粘连蛋白涂敷或嫁接在支架的方法、在高分子支架的表面处理胶原蛋白、明胶、纤维蛋白之类的天然高分子的方法，或以恒定比率混合合成及天然高分子来制造混合支架的方法。但是，这些方法对规定部分的细胞粘附及分化有效，但在体现接近实际细胞识别为自己环境的仿生(biomimetic)步骤的表面环境方面受到限制。

并且，细胞外基质(ECM，extracellularmatrix)作为围绕细胞外部的基质，占据细胞和细胞之间，主要具有由蛋白质和多糖类组成的网状结构。细胞外基质的成分区分为胶原蛋白及弹性蛋白之类的结构组分(structuralcomponent)；纤维连接蛋白、玻连蛋白、层粘连蛋白及生腱蛋白等的粘合蛋白；硫酸软骨素(chondroitinsulfate)或硫酸乙酰肝素(heparinsulfate)、由核心蛋白生成的蛋白多糖；以及仅由多糖类组成的透明质酸等。这些细胞外基质成分是不仅能够决定由细胞集合而组成的组织的形态，而且提供细胞能够执行正常功能的环境，并且还参与细胞分化的主要物质。

因此，已有利用提供细胞能够执行正常功能环境的细胞外基质的优点制造支架的多项研究。例如，直接对猪小肠黏膜下层(SIS，smallintestinalsubmucosa)、膀胱(bladder)及皮肤之类的生物体组织进行去细胞化来得到没有细胞的基质后，将其使用到细胞移植中。并且，韩国特许公报第10-715505号中记载细胞来源细胞外基质支架的制造方法。上述细胞来源细胞外基质支架作为由根据无支架系统以组织工程学方式制造及培养的软骨制造而成的支架，只对软骨再生有用。上述多孔性支架的特征在于，从动物的软骨来源软骨细胞获得软骨细胞/细胞外基质膜后，培养获得的软骨细胞/细胞外基质膜来获得没有支架的颗粒型结构物，并且冷冻干燥上述获得的颗粒型结构物。

因此，需要开发用于提供对其他组织细胞的再生也有用并接近仿生的支架的表面环境的支架。

发明内容

本发明提供能够将成体干细胞供给人体的内部，并且供给的成体干细胞能够分化为骨组织的环境的干细胞载体或移植材料。

并且，通过提供干细胞载体，以坚硬的状态承受重量及其他机械性负荷，并且移植期间能够使干细胞向人体内部供给。干细胞载体在不发生无需的变形或移动的状态下，在移植部位以坚硬的状态固定并维持，而且不对相邻的解剖学结构及外科结构造成影响，载体移植后，为了在周边组织的表面更好地贴合载体的表面，不需要附加的移植材料或装置。

尤其，利用计算机辅助设计与制造提供与骨缺损部完全一致的三维骨支架，从而能够在无生物体副作用之下容易实现骨成形。

作为实现本发明的手段，干细胞载体由形成有多个通孔的立方结构体形成。既，这些立方结构体利用羟基磷灰石(HA)或其混合材料形成直径为400微米～500微米的通孔通道，因此能够形成可以培养干细胞的表面和支架。

并且，为了使用于骨成形的干细胞支架成形，首先，将通过CT及MRI诊断及拍摄骨缺损部的信息向计算机辅助设计与制造系统发送后，利用三维的上述立方体材料来成形。

在上述成形的载体支架中储存成体干细胞后，使其能够固定在骨成形部。

提供本发明的干细胞载体，使得针对骨损伤的治疗不仅能够减少患者的免疫排斥反应及感染的危险性，而且培养并分化从人体获得的干细胞，由此能够维持缺损组织中的恒常性。

附图说明

图1是表示根据本发明的立方结构体的干细胞载体的立体图，

图2是图1的俯视图，及

图3是放大组成图1的一部分的一个通道的立体图。

具体实施方式

以下参照附图详细说明本发明。

如图1及图2所示，干细胞载体10由立方体构成，具体地以多孔性通孔11贯通立方体的方式形成。

干细胞载体10由单位体构成，但是，在被物理力破碎成碎块的情况下，如图3所示，以一个单位体20形态分离。

干细胞载体10由羟基磷灰石(HA，Hydroxyapatite)、β-磷酸三钙(β-TCP，tricalciumhosphate)或它们的混合物组成，这些材料形成人体骨头和牙齿的主成分，并且，不仅比单纯陶瓷富含柔韧性而且生物亲和性好，并具有不会引起劣化和不需要的生物反应的优点。

根据本发明的干细胞载体的作用在于，细胞在生物体内旺盛地活性化并分泌新基质，从而使分化的组织再生。将干细胞包被在对人体无害并完全生物分解的储存体中，上述羟基磷灰石及β-磷酸三钙具有充分起到组织工程学多孔性支架的效果。

以下说明利用如上所述制造的干细胞载体10的骨成形法。

首先，用CT及MRI拍摄骨的损伤部，并将拍摄的图像信息发送到计算机辅助设计与制造系统，利用准备成与骨损伤部一致的上述干细胞载体10进行成形来制造支架。

在上述成形制造的支架中储存干细胞，并夹在骨损伤部之后，利用由如聚乳酸的生物相容性材料形成的固定单元进行固定。

Claims (3)

1.一种干细胞载体，其特征在于，构成由多个单位体构成的立方体，上述多个单位体由多孔性材料形成，从立方体的一面到对应的另一面形成通道，上述通道构成直径为400微米～500微米的通孔。

2.根据权利要求1所述的干细胞载体，其特征在于，上述多孔性材料由羟基磷灰石、β-磷酸三钙或它们的混合物组成。

3.一种基于计算机辅助设计与制造的三维定制型骨成形方法，其为骨损伤部的骨成形方法，上述基于计算机辅助设计与制造的三维定制型骨成形方法的特征在于，包括：

利用计算机断层扫描成像及核磁共振成像拍摄骨损伤部的步骤；

将上述拍摄的图像信息向计算机辅助设计与制造系统传送，并利用权利要求1或2中所述的干细胞载体来成形制造支架的步骤；

在上述成形制造的支架中储存干细胞的步骤；以及

利用由生物相容性材料形成的固定单元来固定储存有上述干细胞的支架的步骤。