CN1973910B - 一种组织工程骨 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及利用高孔隙的组织工程骨支架材料,复合异基因种子细胞(间充质干细胞或成骨细胞)和/或生物活性因子(含骨形态形成蛋白、血管内皮细胞生长因子和抗菌药物)构建成组织工程骨。其构成的特征在于:利用低渗液及超声清洗技术处理异基因松质骨,并经过部分或完全脱钙、脱脂、去抗原等处理获得高孔隙率支架材料;复合异基因的间充质干细胞或成骨细胞等种子细胞和/或骨形态形成蛋白、血管内皮细胞生长因子、抗菌药物等生物活性因子;采用人血清或无血清培养基在牛血清后的续贯应用以降低组织工程医疗产品异种血清残留,最终构建出组织工程骨产品,使本产品具有更强的成骨活性和/或抗感染等其它特殊性能,用作临床上的骨修复材料。

Description

一种组织工程骨
技术领域
本发明属于生物医学组织工程技术领域,具体涉及用作临床修骨复材料的一种组织工程骨。
技术背景
严重创伤、肿瘤切除、骨关节结核及感染、先天性骨关节疾病和骨性关节炎等原因所致的各种骨缺损以十分常见,而脊柱融合、人工假体固定等手术对骨移植材料的需求量也十分巨大。
自体骨移植是目前临床治疗骨缺损较有效的方法,但来源有限且会造成供区新的骨缺损,对病人造成新的生理和心理创伤,是一种创伤性修复模式;大段异体骨移植体内爬行替代所需时间长、骨不愈合发生率高;人工替代材料如金属、陶瓷或高分子材料等虽也在临床应用,但这些材料在生物相容性、生物活性、生物降解性以及与宿主骨的力学匹配性等方面均有不足。
组织工程学的兴起为骨缺损修复带来了全新的方向,通过种子细胞体外扩增并复合于具有特定三维形态的支架材料构建有生命活性的骨与软骨移植物,有希望实现缺损骨组织结构的理想修复和加速肢体功能的重建。
但是目前的组织工程骨均采用患者自体来源的细胞作为种子细胞,自体来源的种子细胞决定了这些组织工程骨的个体化制备模式,要求各应用单位必须配备专用净化场所、专业设备和人员,患者需要等待20余天时间用以自体种子细胞的增殖和组织工程产品的制备,无法实现规模化制备和市场推广。
发明的内容
本发明的目的是提供一种以异基因种子细胞和/或生物活性因子构建的组织工程骨,该组织工程骨可实现规模化生产,并具有更高的成骨活性或/及抗感染能力。
本发明另一个目的是提供一种能够规模化生产上述组织工程骨的方法。
实现本发明的目的之一而采用的技术方案是这样的,即所述异基因的组织工程骨由多孔隙的组织工程骨支架材料复合异基因种子细胞和/或生物活性因子构建而成。
上述异基因种子细胞为骨髓间充质干细胞或成骨细胞。组织工程骨每克成品中含有效异基因种子细胞数为:1×10E6~1×10E7个,它们分别分离白骨髓或骨膜,并体外培养扩增获得。
上述生物活性因子可用下列成分中的至少一种,包括:骨形态形成蛋白(BMPs)、血管内皮细胞生长因子(VEGF)和抗菌药物。其中:组织工程骨每克成品中,骨形态形成蛋白(BMPs)为0.1-10mg,血管内皮细胞生长因子(VEGF)为1-100ng抗菌药物为0.01-10mg,它们分别在增强成骨活性、促进组织血管化和赋予组织工程骨抗感染活性方面发挥作用。
上述抗菌药物可以选自万古霉素、去甲万古霉素、克林霉素、妥布霉素或庆大霉素中的一种。
所述多孔隙的组织工程骨支架材料为利用低渗液及超声清洗技术处理并经过部分或完全脱钙、脱脂、去抗原处理获得的高孔隙率异基因松质骨,其孔径为20-300um;所述异基因松质骨可以是异体或异种松质骨。
所述组织工程骨支架也可以选自市售的磷酸三钙(TCP)、珊瑚、聚乳酸(PLA)中的一种。
所述多孔隙的组织工程骨支架材料复合异基因种子细胞和/或生物活性因子,可以是通过异基因种子细胞和/或生物活性因子覆盖于支架表面(孔隙表面);或是在制作支架过程中加入生物活性因子,使支架内部本身含有生物活性因子。
上述异基因种子细胞和/或生物活性因子覆盖于支架表面可通过直接浸渍、喷涂、多聚物载体介导、蛋白质载体介导或通过微球作载体附着完成。
在多聚物载体介导异基因种子细胞和/或生物活性因子覆盖于支架表面中,所述的多聚物可为:天然高聚物明胶、海藻酸盐、纤维蛋白、明胶蛋白、生物相容性好的人工合成的高聚物多聚乳酸、多聚赖氨酸(多聚L-赖氨酸)、聚乙二醇、聚硅氧烷、聚氧化乙烯、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸(酯)、聚氨酯、聚磷酸酯、聚羟基乙酸(酯)、聚羟基丁酸(酯)、聚(酸)酐、聚己内酰胺、聚氨基酸、聚羟乙基甲基丙烯酸(酯)及上述多聚物间的共聚物。
上述多聚物或蛋白质载体介导异基因种子细胞和/或生物活性因子覆盖于支架表面的方法可以是应用多聚物或蛋白质与异基因种子细胞和/或生物活性因子结合后,直接应用浸渍使异基因种子细胞和/或生物活性因子覆盖于支架表面。
也可以微球作异基因种子细胞和/或生物活性因子的载体直接附着在支架表面。
实现本发明上述目的之二而采用的技术方案如下:
即一种组织工程骨的制备方法,包括步骤如下:
1、获取异体红骨髓:健康供者骨髓穿刺取红骨髓,肝素抗凝;
或获取异体骨膜:健康供者的新鲜骨膜。
2、骨髓间充质干细胞(MSCs)原代分离和培养;
或成骨细胞的培养。
3、支架材料的制备及预处理。
4、异基因种子细胞和/或生物活性因子(含骨形态形成蛋白(BMPs)、血管内皮细胞生长因子(VEGF)和抗菌药物)与支架材料复合。
5、产品成熟及去除牛血清成分的过程。
6、验证:采用CCK-8或MTT的方法检测组织块中的活细胞数量,应满足不低于1×10E6个/克;组织工程骨成品牛血清残留量≤50ug/g。
上述步骤1、2、6均可采用成熟的现有技术完成。步骤3支架材料的准备及处理中,包括对支架材料不完全培养基浸泡8~12小时,更换不完全培养基继续浸泡8~12小时,吸弃培养基后甩干,加入患者自体血清或异体血清,4℃冰箱中浸泡12h后干燥备用。
附图说明
附图1:A为脱钙骨基质(DBM)的大体观察图,B为25倍扫描电镜图;
附图2为组织工程骨产品体外检测,图中反映骨髓间充质干细胞MSCs在DBM支架上附着生长情况;种子细胞在支架材料的网孔中附着、生长并分泌基质。倒置相差显微镜图100倍。
附图3:对修复羊股骨术后X线及大体观察图;图中:A为骨缺损模型,B为空白组,C为采用本发明组织工程骨修复羊股骨缺损术后24周后;各组均采用3厘米股骨干缺损模型,空白组未植入任何材料,为骨不连表现:组织工程骨组已经修复骨缺损并基本完成骨改建。
附图4为组织工程骨修复股骨缺损术后组织学观察图,图中A为12周后的观察,可见骨缺损区域已由原始的编织骨修复;B为24周组织学检查,可见骨缺损区域编织骨已改建成较成熟的皮质骨成分。
附图5~7分别为本发明异基因组织工程骨在临床上三位病人使用术后X线图。
具体实施方式
实施例1异基因MSCs构建的组织工程骨制备过程
1、获取异体红骨髓:健康供者骨髓穿刺取红骨髓,等量1.0U/ml浓度的肝素生理盐水抗凝。
2、骨髓间充质干细胞(MSCs)原代分离和培养:密度为1.073g/mL的Percoll分离液加入稀释的骨髓样本,400g离心20min,吸取中间乳白色云雾状有核细胞层,加入D-Hanks液20ml轻柔吹打漂洗以2×105/cm2的细胞密度接种到塑料培养瓶,每瓶加含15%胎牛血清的完全培养基5ml,置37℃,5%CO2、饱和湿度孵箱内孵育。48小时后全量换液,以后隔日换液。待细胞集落大部分融合后(通常需要10-12天),随即进行传代培养。收集3-5代的细胞备用。
3、脱钙骨基质(DBM)支架材料的制作:筛选供者,取松质骨切割成小块,40℃蒸馏水反复冲洗,1∶1等体积比的氯仿/甲醛脱脂,超声清洗,0.6M盐酸脱钙,大量蒸馏水冲洗,套封,γ射线灭菌。置-80℃超低温冷冻箱内冷冻3-60个月备用。
4、支架材料预处理:根据患者缺损区域大小,取适量的DBM支架材料,不完全培养基浸泡(不含任何血清成分的培养基)12小时。更换不完全培养基继续浸泡12小时,吸弃培养基后甩干,加入患者自体血清或异体血清,4℃冰箱中浸泡12h后干燥备用。
5、异基因种子细胞与支架材料复合:将上述备用细胞制成4×10E6/ml密度的细胞悬液,滴入上述备用的DBM支架材料中,在37℃、5%CO2、饱和湿度条件下静置4h后再加入成骨诱导培养基继续培养,隔日更换成骨诱导培养基。
上述支架材料也可选用复合了生物活性因子(含骨形态形成蛋白(BMPs)、血管内皮细胞生长因子(VEGF)和抗菌药物)的支架材料或者缓释微球,分别浸润冻干法和滴入法制备,具体见实施例4、5。
6、产品成熟及去除牛血清成分的过程:更换无血清培养基或10%患者自体血清的条件培养基继续培养4-6天,形成产品,可以植入体内。
7、验证:采用CCK-8或MTT的方法检测组织块中的活细胞改量,应满足不低于1×10E6个/毫升。
实施例2异基因成骨细胞构建的组织工程骨制备过程
1、获取异体骨膜:无菌手术取出健康供者新鲜骨膜组织。
2、异基因成骨细胞原代分离和培养:将新鲜骨膜剪成边长约1mm的小块,在37℃环境下用0.1%胶原酶消化40分钟左右,等量含血清培养基中止反应,反复吹打后以2×105/cm2的细胞密度接种到塑料培养瓶,每瓶加含15%胎牛血清的完全培养基5ml,置37℃,5%CO2、饱和湿度孵箱内孵育。48小时后全量换液,以后隔日换液。待细胞集落大部分融合后(通常需要8-10天),随即进行传代培养。收集3-5代的细胞备用。
3、支架材料选用市售的磷酸三钙(TCP),根据患者缺损区域大小,取适量的磷酸三钙支架材料,不完全培养基浸泡(不含任何血清成分的培养基)12小时。更换不完全培养基继续浸泡12小时,吸弃培养基后甩干,加入患者自体血清或异体血清,4℃冰箱中浸泡12h后干燥备用。
5、异基因种子细胞和/或生物活性因子(含骨形态形成蛋白(BMPs)、血管内皮细胞生长因子(VEGF)和抗菌药物)与支架材料复合:将上述备用细胞制成4×10E6/ml密度的细胞悬液,滴入上述备用的DBM支架材料中,在37℃、5%CO2、饱和湿度条件下静置4h后再加入成骨诱导培养基继续培养,隔日更换成骨诱导培养基。上述支架材料也可选用复合了生物活性因子(含骨形态形成蛋白(BMPs)、血管内皮细胞生长因子(VEGF)和抗菌药物)的支架材料或者缓释微球,分别浸润冻干法和滴入法制备,具体见实施例4、5。
6、产品成熟及去除牛血清成分的过程:更换无血清培养基或10%患者自体血清的条件培养基继续培养4-6天,形成产品,可以植入体内。
7、验证:采用CCK-8或MTT的方法检测组织块中的活细胞数量,应满足不低于1×10E6个/毫升。
实施例3上述脱钙骨基质(DBM)原料体外检测:
参见附图1、2,脱钙骨基质组织工程支架材料为不规则多孔固体颗粒,呈白色或淡黄色,无肉眼可见杂质,粒径约为8mm;其余的支架材料,如磷酸三钙(TCP)、珊瑚、聚乳酸(PLA)均符合各自规格的三维外形和外部尺寸。组织学观察:显微镜下观察各材料松质骨部分为网孔样结构,孔隙内清洁,孔壁光滑,无明显内容物,孔径20-300um。
实施例4生物活性因子与支架材料复合方法之一
将骨形态形成蛋白BMPs:1mg/ml、血管内皮细胞生长因子VEGF10ng/ml、万古霉素50mg/ml及0.05%的多聚L-赖氨酸制成溶液,将支架材料浸泡于该溶液并负压抽滤24小时,取出支架材料冷冻干燥,制成含上述生物活性因子的支架材料,用于组织工程骨制备。
实施例5生物活性因子与支架材料复合方法之二
将去甲万古霉素50mg/ml与16%的海藻酸钠制成溶液缓慢滴加入1mmol/L的氯化钙溶液中凝固成微球,捞起微球后加入到0.05%的多聚L-赖氨酸溶液中,缓慢搅拌30分钟,捞起微球后冷冻干燥,制成含上述生物活性因子的缓释微球,微球滴入支架中,保证组织工程骨每克成品中药物0.01-10mg的含量;经37℃孵育固化后即得复合了藻酸盐微球的脱钙骨基质支架。
实施例6本发明组织工程骨的体内检测实验
参见附图3、4。附图3:对修复羊股骨术后X线及大体观察图;图中:A为骨缺损模型,B为空白组,C为采用本发明实施例1方法制备的组织工程骨修复羊股骨缺损术后24周后;各组均采用3厘米股骨干缺损模型,空白组未植入任何材料,为骨不连表现;组织工程骨组已经修复骨缺损并基本完成骨改建。
附图4为组织工程骨修复股骨缺损术后组织学观察图,图中A为12周后的观察,可见骨缺损区域已由原始的编织骨修复;B为24周组织学检查,可见骨缺损区域编织骨已改建成较成熟的皮质骨成分。
实施例7典型病例1
白某,女,8岁,贵州遵义人,左胫骨上段动脉瘤样骨囊肿,曾两次手术分别用自体和其母亲的异体髂骨移植均失败,2003年9月用采用本发明实施例1制备的组织工程骨成功修复了骨缺损,随访18个月未复发术后观察参见图5,图中A为术前,B为术后1周,C为术后6月,D为术后12月。A术前可见胫骨近端为范围较大的多个皂泡样骨缺损,B为术后1周清除肿瘤值入透X光的组织工程骨产品,C为术后6月骨缺损区域骨密度增加,D为术后12月骨缺损区域骨密度继续增加,皂泡样结构消失,骨缺损有效修复。
实施例8典型病例2
蒲某,女,12岁,四川渠县人,左股骨上段纤维结构不良,清除病灶后造成的巨大骨缺损无法获得足量自体骨,采用组织工程骨3个月成功修复骨缺损,6个月后骨改建良好,参见附图6:图中A为术前,B为术后1周,C为术后3月D为术后6月。A术前可见胫骨近端为范围巨大的骨缺损,B为术后1周清除肿瘤值植入透X光的组织工程骨产品,可见手术开窗所致皮质骨缺损;C为术后3月骨缺损区域骨密度增加,D为术后6月骨缺损区域骨密度继续增加,原有骨缺损及手术开窗所致皮质骨缺损有效修复。
实施例9典型病例3
何某,男,4岁,重庆合川人,左股骨骨囊肿,因年龄太小无法获得足量的自体骨,采用组织工程骨3个月形成明显的皮质骨,12个月后完成骨改建,图7中A为术前,B为术后3天,C为术后3月,D为术后6月,E为术后12月,影象学表现12个月后与健肢无差异。A术前可见胫骨近端为范围巨大的骨缺损,B为术后3天清除肿瘤植入透X光的组织工程骨产品,可见手术开窗所致皮质骨缺损;C为术后3月骨缺损区域骨密度增加,D为术后6月骨缺损区域骨密度增加,基本修复;E为术后12月骨缺损区域骨密度继续增加,原有骨缺损完全修复,骨改建完成。
本发明的组织工程骨可以用于修复各种原因导致的骨缺损,并可以用于脊柱融合、人工假体固定、整形外科等需要促进骨生长的手术中,动物实验和临床观察均证实能取得比传统材料(异体骨、人工合成替代材料等)更好的修复效果和修复速度,且与一定生物活性因子复合后能赋予该产品更多的功能(促骨成长、促血管生成、抗感染)。该产品作为新型医疗器械将具有广阔的应用前景。

Claims (6)

1.一种异基因的组织工程骨,其特征是:采用多孔隙的组织工程骨支架材料,复合异基因种子细胞和生物活性因子构建而成;其中,所述异基因种子细胞为骨髓间充质干细胞或成骨细胞;组织工程骨每克成品中含有效异基因种子细胞数为:1×10E6~1×10E7个,它们分别分离自骨髓或骨膜,并体外培养扩增获得;所述生物活性因子采用骨形态形成蛋白(BMPs)、血管内皮细胞生长因子(VEGF)和抗菌素中的至少一种;所述多孔隙的组织工程骨支架材料选自市售磷酸三钙、珊瑚、聚乳酸中的一种。
2.根据权利要求1所述的异基因的组织工程骨,其特征是:组织工程骨每克成品中,骨形态形成蛋白为0.1-10mg、血管内皮细胞生长因子为0.1-100ng、抗菌素为0.01-10mg。
3.根据权利要求1或2所述的异基因的组织工程骨,其特征是:所述抗菌素选自万古霉素、去甲万古霉素、克林霉素或庆大霉素中的一种。
4.根据权利要求1所述的异基因的组织工程骨,其特征是:所述多孔隙的组织工程骨支架材料复合异基因种子细胞和生物活性因子,是通过异基因种子细胞和生物活性因子覆盖于支架表面,或是在制作支架过程中加入生物活性因子,使支架内部本身含有生物活性因子。
5.根据权利要求5所述的异基因的组织工程骨,其特征是:所述异基因种子细胞和生物活性因子覆盖于支架表面通过直接浸渍、喷涂、多聚物载体介导、蛋白质载体介导或通过微球做载体附着完成。
6.根据权利要求6所述的异基因的组织工程骨,其特征是:由多聚物载体介导异基因种子细胞和生物活性因子覆盖于支架表面,所述的多聚物为天然高聚物明胶、海藻酸盐、纤维蛋白、明胶蛋白、生物相容性好的高聚物多聚乳酸、多聚赖氨酸、聚乙二醇、聚硅氧烷、聚氧化乙烯、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚丙烯酸酯、聚氨酯、聚磷酸酯、聚羟基乙酸、聚羟基乙酸酯、聚羟基丁酸、聚羟基丁酸酯、聚酸酐,聚己内酰胺、聚氨基酸及上述多聚物间的共聚物。
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