胶原蛋白水凝胶在软骨组织工程中的应用

由创伤或骨病所致的关节骨软骨损伤在临床中十分常见,其中软骨缺损者达40.31%。由于关节软骨自身修复能力低下,采用组织工程技术对关节软骨损伤进行修复是目前采用再生医学治疗关节软骨损伤的新方法。组织工程支架按照性状可分为预成型支架材料及水凝胶材料两大类。传统的预成型支架材料移植技术容易给缺损周边软骨带来继发损伤,也存在支架与缺损整合不紧密等问题。如何在避免二次损伤的基础上,应用理想的仿生材料复合种子细胞修复关节不规则软骨损伤将成为未来软骨损伤修复的主要问题。选取微创、仿生并且可以原位塑形的胶原蛋白水凝胶复合种子细胞修复关节软骨损伤为损伤关节软骨的修复带来了希望。本文结合国内外相关文献对目前胶原蛋白水凝胶在软骨组织工程中的应用做一综述。     

三维打印在软骨组织工程中的应用

在过去的几十年中, 软骨的再生已经取得了巨大的进展。传统构建组织工程软骨支架的技术主要包括孔剂法(或模板法)、相分离法、气体发泡法、冷冻干燥法、静电纺丝法等。软骨是异质性的, 传统支架很难模拟软骨的高度各向异性结构。因此, 软骨的功能再生具有挑战性。随着三维打印技术的进步, 通过生物材料、细胞和活性生物分子的共沉积, 使制备精细结构、梯度变化的功能性仿生支架成为可能, 从而实现功能性软骨再生。该文详细阐述了三维打印技术及其在不同解剖位置(关节、耳廓、鼻)软骨再生中的应用。此外, 还讨论了制备具有区域结构梯度和区域成分梯度的仿生构建体的重要性。三维生物打印、四维打印技术及智能材料为仿生组织和器官的构建带来了希望。     

关节软骨原位再生研究进展

临床上关节软骨缺损难以自我修复,治疗难度大。传统软骨移植、组织工程技术等方法在一定程度上实现了软骨修复,但存在治疗过程繁琐、安全性不高、疗效不明显等缺点。软骨原位再生技术通过在软骨缺损处放置支架,提供软骨再生所需空间并缓慢释放生物诱导因子,达到促进软骨再生的目的。该文就关节软骨原位再生技术的演变、支架构建、自我作用激活及今后发展动态作一综述。     

关节软骨组织工程研究进展

组织工程技术为损伤关节软骨的修复提供了全新的治疗方法。本文就关节软骨组织工程的种子细胞、生长因子、细胞外基质支架及修复关节软骨缺损的研究进展作一综述。     

关节软骨损伤和缺损修复策略

关节软骨的损伤是临床中常见的疾病。由于关节软骨自身修复能力有限,采用关节镜下清创术、软骨移植、软骨细胞移植、组织工程技术及凝胶类关节软骨修复材料是目前对关节软骨损伤进行修复的主要手段。本文对目前用于关节软骨损伤和缺损修复的主要策略及各类修复技术的优缺点进行了综合评述。关节镜下清创术对早期骨性关节炎疗效显著;软骨及软骨细胞移植对小面积软骨缺损修复效果较为理想;组织工程技术是目前对关节软骨损伤和缺损修复的一个热点方向,但存在支架材料与软骨缺损区整合不紧密等问题;凝胶类关节软骨修复材料具有与自然关节软骨相似的力学和生物摩擦学特性,但其生物活性及与自然关节软骨间的结合强度有待进一步提高,如何实现材料生物活性、生物力学性能和生物摩擦学性能功能一体化是凝胶类关节软骨修复材料亟待解决的焦点问题。     

软骨组织工程与细胞黏附关系研究进展

关节软骨是一种无血管组织，损伤后自身愈合能力非常有限，关节软骨缺损的治疗已成为困扰临床医生的一个难题。随着生命科学和工程学的发展，使用组织工程技术构建关节软骨的替代品修复关节软骨损伤已经成为研究热点，目前在临床应用亦已获得成功。组织工程细胞．支架材料之间的紧密黏附反应对细胞的增值、表型的表达、细胞外基质的合成具有重要的作用，但由于种子细胞和载体支架之间的黏附力不强，种子细胞容易从支架上脱落，[第一段]     

软骨脱细胞基质在软骨再生中应用的研究进展

骨关节炎是一种常见的关节退行性疾病, 而软骨损伤通常被认为是不可逆的关节变性早期因素。由于软骨的自我修复和再生能力有限, 目前软骨缺损的修复仍是一个具有挑战性的医学难题。近年来, 应用组织工程技术治疗软骨缺损被认为是一种新的治疗途径。软骨脱细胞基质(acellular cartilage matrix, ACM)保留了天然软骨的细胞外基质空间结构和生物活性成分, 能够最大程度地模拟天然软骨的细胞外环境, 是软骨修复与再生的理想材料。ACM的主要组成成分包括胶原蛋白、弹性蛋白、生长因子等, 其中Ⅱ型胶原蛋白是透明软骨中的主要类型, 在调节软骨组织的机械性能方面发挥重要作用。有研究证实Ⅱ型胶原蛋白、生长因子和低氧微环境分别在促进软骨再生中发挥重要作用。Ⅱ型胶原蛋白可以通过特定的方式诱导细胞聚集和软骨分化;ACM中含有的多种生长因子能够诱导Sox9的表达, 促进干细胞成软骨分化;低氧微环境可上调Ⅱ型胶原(COL2A1)、Sox9的表达并维持软骨细胞表型。此外, ACM已被广泛应用于软骨再生的研究, 将ACM制备成脱细胞支架、水凝胶或是利用3D生物打印技术对软骨缺损进行修复均取得了良好的软骨再...     

利用脂肪干细胞构建组织工程软骨修复兔膝关节软骨缺损

目的探讨以脂肪于细胞（ADSCs）复合脱细胞软骨基质支架构建组织工程软骨修复兔膝关节软骨缺损的效果。方法以人关节软骨脱细胞基质为支架，复合经诱导的兔ADSCs，体外分别经静态培养和生物反应器培养，构建组织工程软骨。对膝全厚关节缺损进行修复，并与单支架组、空白对照组比较，其中空白对照组12个关节，脱细胞软骨支架组16个关节，静态培养细胞支架组24个关节，生物反应器培养细胞支架组8个关节。分别于术后3、6个月对修复关节进行大体、组织学及免疫组化观察。结果实际完成观察的关节数为44个，其中空白对照组9个，脱细胞软骨支架组11个，静态培养细胞支架组18个，生物反应器培养细胞支架组6个。空白对照组全为纤维组织或纤维软骨样修复；单支架组5个关节为未成熟透明软骨，无成熟透明软骨形成；静态培养细胞支架组83．3％为透明软骨，其中3个关节为成熟透明软骨，12个关节为未成熟透明软骨；生物反应器培养细胞支架组100％为透明软骨，其中2个为成熟透明软骨，4个为未成熟透明软骨。Wakitani评分各组差异有统计学意义（P〈0．05）。结论ADSCs复合脱细胞软骨基质支架能良好地修复兔膝关节全厚软骨缺损，应用生物反应器技术有助于构建组织工程软骨，促进软骨缺损的修复。     

关节软骨缺损修复的研究进展（综述）

本文阐述了关节软骨的理化和生物组织特性，关节软骨损伤的机制和软骨的类型及修复方法。骨膜游离移植和软骨下骨钻孔对缺损修复和诱导作用，两种再生软骨有不同的组织起源。关节运动及负重方式、生物、物理、化学因素对修复关节软骨缺损有较大影响，尤其是近来ＩＧＦ－Ｉ等生长因子对软骨修复的作用正在深入研究。     

壳聚糖在关节软骨组织工程中应用的研究进展

关节软骨一旦被损伤，因其缺乏自身血液循环系统，仅靠关节滑液提供大部分营养。随着年龄的增长，软骨细胞的合成能力下降，故关节软骨损伤后很难修复。虽然40多年来许多修复技术被广泛应用，但是至今还没有一种方法可以让受损软骨持续再生，从而达到完全修复的目的。组织工程的兴起在软骨的再生以及受损软骨的治疗方面显示出巨大的潜力。支架材料作为人工细胞外基质承载种子细胞是组织工程研究的重要内容之一。近年来，以壳聚糖为支架的材料及其在矫形组织工程中的应用正受到越来越多的关注。壳聚糖是一种理想的高分子生物材料，它具有机体反应小、天然抗菌性以及具有可任意塑性如多孔结构的特点，使其能够适合细胞的内在生长以及骨的传导，在组织工程中显示出巨大的应用价值。     

The osteochondral dilemma: review of current management and future trends

The management of articular cartilage defects remains challenging and controversial. Hyaline cartilage has limited capacity for self‐repair and post‐injury cartilage is predominantly replaced by fibrocartilage through healing from the subchondral bone. Fibrocartilage lacks the key properties that characterize hyaline cartilage such as capacity for compression, hydrodynamic permeability and smoothness of the articular surface. Many reports relate compromised function associated with repaired cartilage and loss of function of the articular surface. Novel methods have been proposed with the key aim to regenerate hyaline cartilage for repair of osteochondral defects. Over the past decade, with many exciting developments in tissue engineering and regenerative cell‐based technologies, we are now able to consider new combinatorial approaches to overcome the problems associated with osteochondral injuries and damage. In this review, the currently accepted surgical approaches are reviewed and considered; debridement, marrow stimulation, whole tissue transplantation and cellular repair. More recent products, which employ tissue engineering approaches to enhance the traditional methods of repair, are discussed. Future trends must not only focus on recreating the composition of articular cartilage, but more importantly recapitulate the nano‐structure of articular cartilage to improve the functional strength and integration of repair tissue.     

Clinical relevance of scaffolds for cartilage engineering

The repair of articular cartilage defects in patients' knees presents a particular challenge to the orthopedic surgeon because cartilage lacks the ability to repair or regenerate itself. Various cartilage repair techniques have not produced a superior or uniform outcome, which has led to a new generation of cartilage repair based on tissue-engineering strategies and the use of biological scaffolds. Clinical advances have been made regarding the regeneration of articular cartilage, and continue to be made toward the achievement of a suitable treatment method for resurfacing osteochondral defects, through cartilage tissue engineering and the use of pluripotent cells seeded on bio-scaffolds.     

软骨脱细胞基质-Ⅱ型胶原纳米支架复合BMSC修复兔关节软骨缺损的实验研究

目的 观察软骨脱细胞基质(Cartilage acellular extracellular matrix,CAEM)-Ⅱ型胶原(CollagenⅡ,COLⅡ)纳米支架,复合骨髓基质干细胞(Bone marrow stem cells,BMSCs)修复兔关节软骨缺损的效果。方法 CAEM和COLⅡ按质量比1∶1混合,通过静电纺丝技术制备组织工程纳米支架。将第二代BMSCs种植到该支架上,培养箱内静置2 h。12只日本大耳白兔随机分为实验组和对照组,将细胞支架复合物植入实验组兔膝关节软骨缺损处,对照组仅行膝关节软骨缺损建模。12周后实验动物取材,大体观察修复效果,并行HE染色、Ⅱ型胶原染色观察。结果 大体观察见实验组软骨缺损修复良好,对照组软骨缺损处由肉芽样组织充填。HE染色显示,实验组关节软骨缺损处可见软骨陷窝形成,对照组关节软骨缺损处仅有纤维组织充填。实验组修复区Ⅱ型胶原染色为阳性,对照组为阴性。结论 CAEM-COLⅡ纳米支架复合BMSC,对兔关节软骨缺损具有较好的修复能力,具有潜在的临床应用价值。     

关节软骨组织工程支架的研究进展

目的对软骨组织工程支架材料的研究现状进行综述,并对其发展前景进行展望。方法广泛查阅近年来关节软骨组织工程支架的相关文献,并对多种天然生物支架材料和人工合成支架材料的相关实验及临床应用效果进行分析总结。结果软骨组织工程支架的设计对软骨组织损伤修复成功与否至关重要,理想的软骨支架可以引导并促进新生软骨组织的形成。目前所应用的支架材料均有其局限性。结论进一步深入研究软骨组织工程支架,对未来临床软骨损伤的修复具有重要意义。     

应用3D生物打印的软骨支架修复关节软骨缺损

目的通过多喷头3D生物打印机制作软骨支架,按压配方式将支架植入关节软骨缺损区,修复动物模型的关节软骨缺损并观察效果。方法在软骨细胞外基质(extracellular matrix,ECM)中加入适量的丝素蛋白(silk fibrion,SF),并加入交联剂聚乙二醇(polyethylene glycol,PEG)和骨髓间充质干细胞(bone mesenchymal stem cells,BMSCs)来配制生物墨水;用流变仪评估生物墨水的流变性能;使用傅立叶红外变换光谱鉴定生物墨水的蛋白质二级结构;利用装载有软骨生物墨水的加压喷头,打印厚2 mm,直径6 mm的组织工程支架;使用拉力机测量了组织工程支架的压缩模量;通过干失重法评估各个支架降解速率;CCK8及活死细胞染色评价支架上细胞的活力及增殖情况;实时荧光定量PCR评估体外培养28 d后支架上细胞软骨分化情况;按照自体软骨移植术的方式通过压配原理将支架嵌入动物关节软骨缺损区修复关节软骨缺损;用组织学染色及生化检测鉴定3个月后软骨修复效果。结果生物墨水均表现出剪切稀化的流动特性。含有丝素蛋白的生物墨水酰胺Ⅰ区吸收峰移至1623~1627 cm-1处。随着丝素蛋白含量增加,生物墨水的机械强度和降解性能提高,10%和15%打印支架等压缩模量分别达到(19.96±5.66)kpa和(26.87±10.68)kpa。各个生物墨水均无细胞明显细胞毒性。实时定量PCR表明,当丝素蛋白的含量达到10%~15%时,组织块中的骨髓间充质干细胞成软骨分化能力更强。体内研究:3个月后10%和15%的丝素蛋白生物支架sGAG/DNA含量分别为(0.25±0.01)μg/ng和(0.24±0.02)μg/ng,胶原/DNA含量分别为(17.71±0.83)ng/ng和(16.69±2.39)ng/ng,高浓度丝素蛋白打印的组织工程软骨能更好地修复关节软骨缺损。结论在含有10%和15%丝素蛋白生物墨水的3D生物打印支架中,骨髓间充质干细胞的软骨分化和细胞外基质(胶原蛋白和糖胺聚糖)的分泌均优于其他两种支架。不同支架的干细胞成软骨分化能力和细胞外基质分泌的变化,以及对关节软骨缺损的修复效果是由于支架力学性能的差异所致,并可以通过改变丝素蛋白的浓度优化。     

Effects of a cultured autologous chondrocyte-seeded type II collagen scaffold on the healing of a chondral defect in a canine model.

Using a previously established canine model for repair of articular cartilage defects, this study evaluated the 15-week healing of chondral defects (i.e., to the tidemark) implanted with an autologous articular chondrocyte-seeded type II collagen scaffold that had been cultured in vitro for four weeks prior to implantation. The amount and composition of the reparative tissue were compared to results from our prior studies using the same animal model in which the following groups were analyzed: defects implanted with autologous chondrocyte-seeded collagen scaffolds that had been cultured in vitro for approximately 12 h prior to implantation, defects implanted with autologous chondrocytes alone, and untreated defects. Chondrocytes, isolated from articular cartilage harvested from the left knee joint of six adult canines, were expanded in number in monolayer for three weeks, seeded into porous type II collagen scaffolds, cultured for an additional four weeks in vitro and then implanted into chondral defects in the trochlear groove of the right knee joints. The percentages of specific tissue types filling the defects were evaluated histomorphometrically and certain mechanical properties of the repair tissue were determined. The reparative tissue filled 88+/-6% (mean+/-SEM; range 70-100%) of the cross-sectional area of the original defect, with hyaline cartilage accounting for 42+/-10% (range 7-67%) of defect area. These values were greater than those reported previously for untreated defects and defects implanted with a type II collagen scaffold seeded with autologous chondrocytes within 12 h prior to implantation. Most striking, was the decreased amount of fibrous tissue filling the defects in the current study, 5+/-5% (range 0-26%) as compared to previous treatments. Despite this improvement, indentation testing of the repair tissue formed in this study revealed that the compressive stiffness of the repair tissue was well below (20-fold lower stiffness) that of native articular cartilage.     

Articular cartilage repair using tissue engineering technique--novel approach with minimally invasive procedure

Articular cartilage has very limited potential to spontaneously heal, because it lacks vessels and is isolated from systemic regulation. Although there have been many attempts to treat articular cartilage defects, such as drilling, microfracture techniques, soft tissue grafts or osteochondral grafts, no treatment has managed to repair the defects with long-lasting hyaline cartilage. Recently, a regenerative medicine using a tissue engineering technique for cartilage repair has been given much attention in the orthopedic field. In 1994, Brittberg et al. introduced a new cell technology in which chondrocytes expanded in monolayer culture were transplanted into the cartilage defect of the knee. As a second generation of chondrocyte transplantation, since 1996 we have been performing transplantation of tissue-engineered cartilage made ex vivo for the treatment of osteochondral defects of the joints. This signifies a concept shift from cell transplantation to tissue transplantation made ex vivo using tissue engineering techniques. We have reported good clinical results with this surgical treatment. However, extensive basic research is vital to achieve better clinical results with this tissue engineering technique. This article describes our recent research using a minimally invasive tissue engineering technique to promote cartilage regeneration.     

胶原/羟基磷灰石支架负载软骨细胞修复兔膝关节骨软骨缺损

目的 探讨胶原复合梯度羟基磷灰石(Col/HA)双相支架负载软骨细胞修复兔膝关节骨软骨缺损的可行性及疗效.方法 构建Col/HA双相支架,将软骨细胞种植于支架培养1周,再将软骨细胞-支架复合体移植修复兔膝关节股骨髁的骨软骨缺损,并对骨软骨缺损的修复进行检测.结果 光镜及扫描电镜观察显示软骨细胞在Col/HA支架中贴附良好,表型维持稳定,分泌胞外基质.大体观察和组织学检测显示,植入体内16周后实验组软骨层呈透明软骨样修复,软骨下骨缺损有新骨构建;对照组骨软骨缺损修复不良,组织学检测以纤维性组织或纤维软骨组织形成.Wakitani评分显示实验组修复组织优于对照组,差异有统计学意义(P＜0.05).结论 双相Col/HA复合支架可作为骨软骨组织工程支架,负载软骨细胞可修复兔膝关节骨软骨缺损,重建关节软骨的结构和功能.