組織工程學在神經修復的應用 Tissue Engineering for Nerve Regen

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組織工程學在神經修復的應用 Tissue Engineering for Nerve Regen

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INSTITUTE OF BIOMEDICAL ENGINEERING N.T.U. INSTITUTE OF BIOMEDICAL ENGINEERING N.T.U.

Speaker: 黃意真 Data: 2008.4.22

組織工程學 (Tissue Engineering)

組織工程學 (Tissue Engineering)

- 2000 年 5 月美國《時代》雜誌、 《歐洲時代》雜誌列為未來十大熱門工作之首

主要致力於組織和器官的再生與形成在一個模仿組織與器官形狀的材料中種入細胞，使細胞依照模型長成新的組織與器官，以修復人體組織的缺損。

- 2000 年 5 月美國《時代》雜誌、 《歐洲時代》雜誌列為未來十大熱門工作之首

主要致力於組織和器官的再生與形成在一個模仿組織與器官形狀的材料中種入細胞，使細胞依照模型長成新的組織與器官，以修復人體組織的缺損。

前驅 : 美國麻州總醫院外科醫師韋肯逖 (Joseph Vacanti ）麻省理工學院化工系教授藍格 (Robert Langer ）

構想 :結合醫學與材料工程的知識背景，研發製造能修復人體病變組織與器官的零件，以克服器官捐贈來源短缺的困境 。

組織工程的開始組織工程的開始

1. 體外培養 :1992 年在多孔狀結構高分子材料上培養出 軟骨細胞，並形成新的軟骨組織。2. 活體培養 : 老鼠背上培養出人耳形狀的軟骨。

成　　果

組織工程三大元件

細胞 組織生成 ↗ ↖生長因子 支架

策略 : 採集少量的自體細胞經過體外培養增殖後， 再運用於修復體內器官。

兩種細胞類型： 已分化完全的「成熟細胞」， 具有分化成其他細胞能力的「幹細胞」。

細胞 - 組織再生的關鍵

幹細胞 (stem cell) 培養 幹細胞 (stem cell) 培養

幹細胞是身體所有組織的前身來源 : 胚胎 -完整潛能 (totipotent) 或

豐富潛能 (pluripotent) 細胞 成體 -多重潛能或特定功能 (multipotent)

細胞

幹細胞是身體所有組織的前身來源 : 胚胎 -完整潛能 (totipotent) 或

豐富潛能 (pluripotent) 細胞 成體 -多重潛能或特定功能 (multipotent)

細胞

幹細胞 (stem cell)

NIH (2000 May)

完整潛能

豐富潛能

囊胚期細胞

幹細胞 (stem cell)

預期將愈來愈多

幹細胞 (stem cell)

胚胎幹細胞研究規範(Science 2001)

胚胎幹細胞研究規範(Science 2001)

第一級 : 絕對禁止 ( 法、瑞士、西、冰島、波蘭)

第二級 : 現有細胞株 , 不得再以受精卵製造 新細胞株 ( 美國 )第三級 : 可使用人工流產與人工生殖之多餘胚胎 ( 日本、加、澳洲、以色列 ) 我國 2002/2/19 公告 - 「胚胎幹細胞研究倫理規範」第四級 : 可為研究目的製造新胚胎 ( 大陸、美私人經費贊助者 )

第一級 : 絕對禁止 ( 法、瑞士、西、冰島、波蘭)

第二級 : 現有細胞株 , 不得再以受精卵製造 新細胞株 ( 美國 )第三級 : 可使用人工流產與人工生殖之多餘胚胎 ( 日本、加、澳洲、以色列 ) 我國 2002/2/19 公告 - 「胚胎幹細胞研究倫理規範」第四級 : 可為研究目的製造新胚胎 ( 大陸、美私人經費贊助者 )

支架 (Scaffold)支架 (Scaffold)

支架 (Scaffold)支架 (Scaffold)

支架 (Scaffold)支架 (Scaffold)

符合生物安全性要求合適的生物降解性、吸收性合適的孔洞大小、形態、高孔隙度特定的三維結構合適的表面物理化學性質適當的機械強度：與植入部位組織力學性能相匹配

符合生物安全性要求合適的生物降解性、吸收性合適的孔洞大小、形態、高孔隙度特定的三維結構合適的表面物理化學性質適當的機械強度：與植入部位組織力學性能相匹配

支架設計及製備技術

材料表面工程

支架 (Scaffold)支架 (Scaffold) 天然高分子材料　蛋白質類：膠原蛋白 (College) 、明膠 (Gelatin)　多醣類：幾丁質 (Chitosan) 、透明質酸 (又稱玻尿酸

， Hyaluronic Acid) 合成降解聚合物　聚丙烯酸及其衍生物、聚乙二醇及其共聚物 聚乙烯醇、聚交酯 生物陶瓷　磷酸鈣陶瓷、聚磷酸鈣、　羥基磷灰石、珊瑚（碳酸钙） 生物複合材料

天然高分子材料　蛋白質類：膠原蛋白 (College) 、明膠 (Gelatin)　多醣類：幾丁質 (Chitosan) 、透明質酸 (又稱玻尿酸

， Hyaluronic Acid) 合成降解聚合物　聚丙烯酸及其衍生物、聚乙二醇及其共聚物 聚乙烯醇、聚交酯 生物陶瓷　磷酸鈣陶瓷、聚磷酸鈣、　羥基磷灰石、珊瑚（碳酸钙） 生物複合材料

性質：蛋白質或多肽類分子 　血管内皮生長因子（ VEGF ） 　骨形態發生蛋白（ BMP ） 　成纖维细胞生長因子（ FGF ） 　神經生長因子（ NGF ）

特性　一定時間內内保持適宜濃度　作用於適當時間、位置　多種生長因子共同作用　易失活性

生長因子 (Growth Factor)

生長因子 作用 血漿半衰期 應用

EGF 细胞增殖 2.32 min. 刺激细胞生長

bFGF 细胞增殖 1.5 min. 刺激细胞生長

TGF-β 细胞增殖 11-160 min. 刺激细胞生長

NGF 细胞分化 2.4 min. 保持细胞功能

生長因子在組織工程中的作用

藥物傳輸系統 (Drug Delivery System)

生長因子控制釋放及

組織再生圖解

組織工程學在神經修復的應用 Tissue Engineering for Nerve Regen

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Vertebrate Nerve SystemVertebrate Nerve System

Central Nervous System (CNS) Peripheral Nervous System (PNS)

Peripheral Nerve Regeneration after Injuries

Peripheral Nerve Regeneration after Injuries

Axon regeneration: 2–5 mm/day Significant injuries : many months to heal

conduit

Central Nerve Regeneration after Injuries

Central Nerve Regeneration after Injuries

conduit

Nerve Conduits(Nerve Guidance Channels)

Nerve Conduits(Nerve Guidance Channels)

conduit

conduit

Nerve ConduitNerve Conduit

Pretreated ChitosanPretreated Chitosan

Chitosan (DDA>85%)

(Commercial available )

40% NaOH

2 hrs 110℃

Chitosan (DDA>95%)

1H-NMR was used for calculating the DDA of Chitosan

Equations used for calculating DDA

(1) DDA (%) = [H1D/(H1D+HAc/3)] x 100

(2) DDA (%) = [1-(1/3*HAc / 1/6*H2-6)] x 100

Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis 2003: 32; 1149-1158

Chitosan Nerve ConduitChitosan Nerve Conduit

Guiding windows

Biomaterials 24 (2003) 819–830

Lyophilizing and Wire-Heating Process Patent

Schwann CellsSchwann Cells

Laminin Modified Membrane by Plasma Treatment

Laminin Modified Membrane by Plasma Treatment

Laminin

Chitosan Membrane or PLGA Membrane

O2 or Ar plasma treatment

+ H2N-Laminin(100ug/ml)

In Vivo ExperimentsIn Vivo ExperimentsAdult 250g female Sprague-Dawley rats

Chitosan conduit: 5mm long, 570um (inner dia.)

Two month later

國內研究現況國內研究現況

國內研究現況國內研究現況

國內研究現況國內研究現況

研究現況與應用目標研究現況與應用目標疾病與受傷之治療 例如 :脊髓傷害之癱瘓 ( 大鼠 ) 、帕金森氏症、阿茲海默症、糖尿病、黏多糖症、類風濕性關節炎等

器官移植具備無限潛力但受倫理規範

疾病與受傷之治療 例如 :脊髓傷害之癱瘓 ( 大鼠 ) 、帕金森氏症、阿茲海默症、糖尿病、黏多糖症、類風濕性關節炎等

器官移植具備無限潛力但受倫理規範

--謝謝各位 !