Biomaterials for Tissue Engineering

สดุชีวภาพสำหรับวิศวกรรมเนื้อเยื่อ

4(3-3-9)

วิชาบังคับก่อน : ไม่มี

หลักการและการประยุกต์ใช้วัสดุชีวภาพในวิศวกรรมเนื้อเยื่อ โดยมุ่งเน้นการพัฒนาและการใช้วัสดุเพื่อการฟื้นฟูหรือทดแทนเนื้อเยื่อและอวัยวะที่เสียหาย การออกแบบ คุณสมบัติ และกระบวนการผลิตวัสดุชีวภาพสำหรับโครงสร้างรองรับเนื้อเยื่อ ปฏิสัมพันธ์ระหว่างเซลล์กับวัสดุ และกลยุทธ์ในการออกแบบเนื้อเยื่อเฉพาะทางความเข้ากันได้ทางชีวภาพ (biocompatibility) การย่อยสลายทางชีวภาพ (biodegradability) และการรวมตัวของวัสดุกับระบบชีวภาพ กรณีศึกษาและการอภิปรายงานวิจัย

ผลสัมฤทธิ์การเรียนรู้

1. บทนำสู่วิศวกรรมเนื้อเยื่อและวัสดุชีวภาพ (4 ชม.)
   • ความหมายและขอบเขตของวิศวกรรมเนื้อเยื่อ
   • บทบาทของวัสดุชีวภาพในการฟื้นฟูเนื้อเยื่อ
   • ภาพรวมของเนื้อเยื่อและอวัยวะที่มุ่งเน้นในงานวิศวกรรม
   • ความท้าทายสำคัญในการใช้วัสดุชีวภาพในวิศวกรรมเนื้อเยื่อ
2. วัสดุชีวภาพสำหรับโครงสร้างรองรับเนื้อเยื่อ (4 ชม.)
   • ประเภทของวัสดุชีวภาพ: วัสดุธรรมชาติ วัสดุสังเคราะห์ และวัสดุผสม
   • คุณสมบัติเชิงกลและชีวภาพของวัสดุโครงสร้าง
   • เกณฑ์การออกแบบโครงสร้าง: ความพรุน โครงสร้างและความแข็งแรง
   • กรณีศึกษา: โครงสร้างสำหรับกระดูก กระดูกอ่อน และผิวหนัง
3. เทคนิคการผลิตโครงสร้างรองรับเนื้อเยื่อ (4 ชม.)
   • วิธีการทั่วไป: การหล่อด้วยตัวทำละลาย การชะล้างอนุภาค การแช่แข็งแห้ง
   • เทคนิคขั้นสูง: การปั่นไฟฟ้า การพิมพ์สามมิติ และการพิมพ์ชีวภาพ
   • การปรับปรุงพื้นผิวและการเสริมคุณสมบัติของโครงสร้าง
   • การประเมินผลโครงสร้างในหลอดทดลอง (in vitro) และในร่างกาย (in vivo)
4. ปฏิสัมพันธ์ระหว่างเซลล์กับวัสดุชีวภาพ (5 ชม.)
   • การยึดเกาะ การเคลื่อนที่ การเพิ่มจำนวน และการเปลี่ยนแปลงของเซลล์
   • บทบาทของเคมีพื้นผิวและโครงสร้างพื้นผิวของวัสดุ
   • วัสดุชีวภาพที่กระตุ้นการทำงานทางชีวภาพและการส่งผ่านปัจจัยการเจริญเติบโต
   • การตอบสนองทางภูมิคุ้มกันและการรวมตัวของโครงสร้างกับเนื้อเยื่อ
5. การย่อยสลายและความเข้ากันได้ทางชีวภาพ (5 ชม.)
   • กลไกการย่อยสลายของวัสดุชีวภาพในสิ่งแวดล้อมชีวภาพ
   • พอลิเมอร์ที่ย่อยสลายได้และการประยุกต์ใช้
   • การประเมินความเข้ากันได้ทางชีวภาพในหลอดทดลองและในร่างกาย
   • กลยุทธ์ในการลดการอักเสบและการตอบสนองทางภูมิคุ้มกัน
6. วัสดุชีวภาพสำหรับการประยุกต์ใช้ในเนื้อเยื่อเฉพาะ (6 ชม.)
   • วิศวกรรมกระดูกและกระดูกอ่อน: วัสดุที่รองรับน้ำหนัก
   • การรักษาผิวหนังและแผล: ไฮโดรเจลและวัสดุปิดแผลที่กระตุ้นการเจริญเติบโต
   • วิศวกรรมเนื้อเยื่อประสาท: วัสดุนำไฟฟ้าและการฟื้นฟูระบบประสาท
7. หัวข้อขั้นสูงและแนวโน้มในอนาคต (8 ชม.)
   • วัสดุชีวภาพอัจฉริยะและระบบตอบสนองต่อสิ่งกระตุ้น
   • นาโนเทคโนโลยีในวิศวกรรมเนื้อเยื่อ
   • วัสดุที่ได้แรงบันดาลใจจากธรรมชาติและเลียนแบบชีวภาพ
   • การพิจารณาทางจริยธรรมและกฎระเบียบในวิศวกรรมเนื้อเยื่อ

ผลสัมฤทธิ์การเรียนรู้

1. แสดงความเข้าใจอย่างลึกซึ้งเกี่ยวกับบทบาทของวัสดุชีวภาพในวิศวกรรมเนื้อเยื่อและการแพทย์ฟื้นฟู
2. ประเมินและเลือกวัสดุชีวภาพที่เหมาะสมสำหรับการประยุกต์ใช้ในวิศวกรรมเนื้อเยื่อต่าง ๆ
3. ออกแบบและผลิตโครงสร้างรองรับเนื้อเยื่อที่มีคุณสมบัติตามต้องการ
4. วิเคราะห์ปฏิสัมพันธ์ระหว่างเซลล์กับวัสดุชีวภาพ และปรับปรุงการออกแบบโครงสร้างเพื่อประสิทธิภาพที่ดีขึ้น
5. อธิบายหลักการของการย่อยสลายและความเข้ากันได้ทางชีวภาพในกระบวนการพัฒนาโครงสร้างรองรับเนื้อเยื่อ
6. สำรวจและอภิปรายเทคโนโลยีที่เกิดขึ้นใหม่และประเด็นทางจริยธรรมในสาขานี้

ความรับผิดชอบต่อผลลัพธ์การเรียนรู้ของหลักสูตร

1. บัณฑิตสามารถประยุกต์ใช้ความรู้ในหัวข้อหลักและทฤษฎีที่เกี่ยวข้องในการแก้ปัญหาทางวิศวกรรมวัสดุ (PLO2)
2. บัณฑิตสามารถทบทวน คิดวิเคราะห์ และอภิปรายทั้งในมุมกว้างและลึกอย่างเชี่ยวชาญในงานทางด้านวิศวกรรมวัสดุที่เกี่ยวข้องกับงานวิจัย สามารถระบุปัญหาหรือประเด็นท้าทายเชิงวิชาการได้ (PLO3)

Biomaterials for Tissue Engineering

Prerequisite : None

Principles and applications of biomaterials in tissue engineering, focusing on the development and use of materials for regenerating or replacing damaged tissues and organs; Design,
properties, and fabrication of biomaterials for scaffolds, cell-material interactions, and strategies for engineering specific tissues; Biocompatibility, biodegradability, and the integration of biomaterials with biological systems; Hands-on projects, case studies, and research discussions.

Course Outline

1. Introduction to Tissue Engineering and Biomaterials (4 hr.)
   • Definition and scope of tissue engineering.
   • Role of biomaterials in tissue regeneration.
   • Overview of tissues and organs commonly targeted for engineering.
   • Key challenges in biomaterials for tissue engineering.
2. Biomaterials for Scaffolds (4 hr.)
   • Classes of biomaterials: natural, synthetic, and hybrid biomaterials.
   • Mechanical and biological properties of scaffold materials.
   • Design criteria for scaffolds: porosity, architecture, and mechanical strength.
   • Case studies: Bone, cartilage, and skin scaffolds.
3. Fabrication Techniques for Tissue Engineering Scaffolds (4 hr.)
   • Conventional methods: solvent casting, particle leaching, freeze-drying.
   • Advanced techniques: electrospinning, 3D printing, and bioprinting.
   • Surface modification and functionalization of scaffolds.
   • In vitro and in vivo evaluation of scaffold performance.
4. Cell-Biomaterial Interactions (5 hr.)
   • Cell adhesion, migration, proliferation, and differentiation.
   • Role of biomaterial surface chemistry and topography.
   • Bioactive materials and the delivery of growth factors/cues.
   • Immune responses and scaffold integration with host tissues.
5. Biodegradation and Biocompatibility (5 hr.)
   • Mechanisms of biomaterial degradation in biological environments.
   • Biodegradable polymers and their applications.
   • Evaluating biocompatibility using in vitro and in vivo methods.
   • Strategies to mitigate inflammatory and immune responses.
6. Biomaterials for Specific Tissue Applications (6 hr.)
   • Bone and cartilage tissue engineering: load-bearing materials.
   • Skin and wound healing: hydrogels and bioactive dressings.
   • Neural tissue engineering: conductive biomaterials and neuroregeneration.
7. Advanced Topics and Emerging Trends (8 hr.)
   • Smart biomaterials and stimuli-responsive systems.
   • Nanotechnology in tissue engineering.
   • Bioinspired and biomimetic materials.
   • Ethical and regulatory considerations in tissue engineering.

Learning Outcomes

1. Demonstrate a thorough understanding of biomaterials’ role in tissue engineering and regenerative medicine.
2. Evaluate and select biomaterials suitable for specific tissue engineering applications
3. Design and fabricate scaffolds with desired properties for tissue regeneration.
4. Analyze cell-material interactions and optimize scaffold design for enhanced performance.
5. Explain the principles of biodegradation and biocompatibility in scaffold development.
6. Explore and discuss emerging technologies and ethical considerations in the field

Alignment with the following PLO:

1. Graduates apply general knowledge of core topics and theory to solve problems in Materials Engineering. (PLO2)
2. Graduates are able to critically review, analyze, and give broad and deep critique in Materials Engineering associated with research, identify core problems or find challenging academic issues. (PLO3)