组织工程骨-软骨复合体修复犬股骨头负重区大面积骨软骨缺损的实验研究

目的 探讨采用犬股骨头负重区骨和天然软骨制备的骨-软骨双层支架复合成软骨诱导的骨髓间质干细胞(bone marrow mesenchymal stem cells,BMSCs)修复犬股骨头负重区大面积骨软骨缺损的疗效.方法 利用软骨细胞外基质作为软骨支架部分,犬股骨头负重区骨柱经脱细胞处理后作为骨支架部分,采用相分离技术制备骨-软骨双层支架.将成软骨诱导的BMSCs种植到双层支架上体外构建组织工程骨-软骨复合体,并以此修复犬股骨头负重区大面积骨软骨缺损(直径11 mm,高10 mm),第3、6个月时分别取材,行大体、X线片、组织学、Micro-CT和生物力学等检测.结果 X线片及大体观察:3个月时可见股骨头负重区出现轻度塌陷;6个月时出现严重塌陷,呈重度骨关节炎改变.组织学观察:第3、6个月时软骨缺损部分均以纤维组织或纤维软骨充填,周围软骨退变,骨缺损部分不同程度塌陷,与宿主骨质结合紧密.第3、6个月时骨软骨缺损的骨体积分数均低于正常股骨头,差异有统计学意义.6个月时重建软骨下骨的刚度明显低于正常股骨头,差异有统计学意义.结论 结构性骨-软骨双层支架复合成软骨诱导的BMSCs修复犬股骨头负重区骨软骨缺损效果不佳,易导致股骨头塌陷.

Abstract：

Objective To investigate the effects of the novel scaffold on repairing large,high-loadbearing osteochondral defects of femoral head in a canine model.Methods The biphasic scaffolds were fabricated using cartilage extracellular matrix (ECM)-derived scaffold (cartilage layer) and acellular bone matrix (bone layer) by phase separation technique.Articular high-load-bearing osteochondral defects with a diameter of 11-mm and the depth of 10-mm were created in femoral heads.The defects were treated with constructs of a biphasic scaffold seeded with chondrogenically induced bone marrow-derived mesenehymal stem cells (BMSCs).The outcomes were evaluated for gross morphology,histological,biomechanical and micro-CT analysis at the third and sixth month after implantation.Results The gross and X-ray results showed femoral head slightly collapsed at the third month and severely collapse at the sixth month.Histological analysis showed cartilage defects were repaired with fibrous tissue or fibrocartilage with severe osteoarthritis and the varied degrees of the collapse of femoral heads were presented.Micro-CT showed that the values of bone volume fraction in defect area were always lower than those of the normal area in the femoral heads.Biomechanical analysis showed rigidity of the subchondral bone in defect area was significantly lower than that in normal area in the femoral heads at the sixth month.Conclusion The ECM-derived,integrated biphasic scaffold seeded with chondrogenically induced BMSCs could not successfully repair the large high-load-bearing osteochondral defects of the femoral head.     

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.     

脱细胞骨软骨支架复合自体骨髓间充质干细胞修复羊骨软骨缺损的研究

目的探讨脱细胞骨软骨支架接种自体骨髓间充质干细胞(BMSCs)修复羊骨软骨缺损效果,探索骨软骨缺损新的修复方式。方法制备直径为8mm骨软骨脱细胞支架,培养羊BMSCs,接种于骨软骨支架,制备羊负重区骨软骨缺损模型,分空白、空白支架及细胞支架复合物3组,每组4只羊,3个月后处死动物取标本行大体及组织学检测。结果修复羊负重区骨软骨缺损模型实验结果显示细胞支架复合修复组骨软骨有较好修复,空白支架组软骨下骨基本修复、软骨侧无明显修复,空白对照组未见明显修复,缺损边缘软骨退变。结论含骨软骨连接结构的脱细胞骨软骨支架接种种子细胞能较好的修复羊负重区骨软骨缺损。     

软骨PLGA-Ⅱ型胶原支架复合体修复兔膝关节骨软骨损伤

目的探讨骨髓基质干细胞(BMSCs)诱导的软骨细胞与聚乙醇酸-乳酸共聚物(PLGA)-Ⅱ型胶原支架通过管帽结构复合构建组织工程软骨复合体修复兔膝关节骨软骨损伤的效果及各界面耦合情况。方法BMSCs经软骨诱导液诱导成软骨细胞后接种于PLGA-Ⅱ型胶原支架的底层,支架表层戴管帽。将该细胞-支架复合物置入软骨条件培养液中培养2周,扫描电镜观察。将45只新西兰大白兔随机分为A、B、C 3组,每组15只,并于股骨髁处造模。分别于缺损处植入戴管帽结构复合的软骨支架复合体(A组)、PLGA-Ⅱ型胶原支架(B组)、不植入任何材料(C组)。于第4周和第12周取材行大体观察和组织学分析。结果 A组和B组缺损处均有软骨生成;C组缺损明显,只有纤维组织生长。A组软骨缺损部分软骨细胞修复,成骨区部分骨样细胞修复;两者耦合处犬牙交错,修复缺损程度及成骨区和成软骨区界面耦合情况明显优于B、C组。软骨组织学评分A组优于B、C组(P0.05)。结论 BMSCs诱导分化成的软骨细胞与PLGA-Ⅱ型胶原支架经过管帽结构构建成的软骨PLGA-Ⅱ型胶原支架复合体可有效修复兔膝关节骨软骨损伤,新生软骨、骨与宿主软骨、骨及新生软骨与软骨下骨各界面耦合良好。     

三种不同方式构建组织工程软骨修复犬膝关节骨软骨缺损对比的实验研究

[目的]通过对比三种不同方式构建的骨软骨复合体修复比格犬膝关节骨软骨缺损的修复情况,探讨构建组织工程化软骨的最佳可行性方案.[方法]本研究分别采用体外单体培养、分体培养、生物反应器内分体培养体内构建三种方式构建骨软骨复合体,模仿马赛克移植术植入比格犬膝关节骨软骨缺损处,通过大体观察、组织学分析观察其修复情况.[结果]术后3个月,3种方式构建的骨软骨复合体均不同程度修复了犬关节软骨缺损,采用生物反应器内分体培养体内构建方式修复骨软骨缺损效果优于前两种方式.[结论]灌注型生物反应器使软骨和成骨细胞在三维载体内存活并增殖,提高细胞在载体内的复合效率,软骨修复情况优于前两种方法.     

可注射性藻酸钙凝胶修复整合兔膝关节骨软骨缺损实验研究

目的: 使用骨髓基质干细胞 (BMSCs)、藻酸钙及两种生长因子, 修复兔股骨内髁负重区骨软骨缺损, 寻找合适的关节骨软骨缺损修复方法。方法: 将藻酸钙、体外培养扩增的自体BMSCs及IGF I TGF β复合材料注射于兔膝关节股骨内髁负重区上的骨软骨缺损。结果: BMSCs在藻酸钙中能分化为软骨细胞和成骨细胞, 材料无毒副作用; 关节骨软骨缺损后注入BMSCs 藻酸钙 IGF I TGF β复合体, 各期修复较对照组均有统计学意义 (P<0. 05)。结论: 藻酸钙能为BMSCs提供良好三维生长环境并能使之保持正常形态; BMSCs 藻酸钙 IGF I TGF β复合体能用于关节骨软骨急性缺损修复, 形成正常透明软骨样结构, 软骨下骨修复良好。     

体内构建骨软骨复合体修复骨软骨缺损的实验研究

[目的]探讨软骨组织工程方法修复骨软骨缺损理想的种子细胞和支架材料。[方法]体外诱导骨髓基质干细胞向软骨细胞定向分化，分别与PLGA支架复合培养，并模仿马赛克骨软骨移植术在犬关节骨软骨缺损深层置入MSC-支架复合体，浅层置入诱导培养后的MSC-支架复合体，紧密压配，体内构建骨软骨复合体，观察其修复的情况。[结果]16周实验组缺损区完全由透明软骨修复，与周围正常软骨完全融合，组织观察显示以软骨细胞修复为主，软骨下骨形成，潮线基本恢复；阴性对照组缺损区主要由纤维组织修复，部分由透明软骨修复，组织观察显示以纤维细胞修复为主，混有部分软骨细胞；空白对照组完全由纤维组织修复。[结论]MSCs经向软骨细胞定向分化后复合PLGA支架材料，通过紧密压配方式与MSCs-PLGA支架在体内构建骨软骨复合体，可以有效修复骨软骨缺损。     

骨软骨复合体修复软骨及软骨下骨缺损

目的探讨以诱导的兔骨髓基质细胞与双层PLGA支架构建组织工程骨软骨复合体,修复兔膝关节软骨及软骨下骨缺损的方法及结果。方法健康新西兰兔28只,分为三组。A组为常规培养MSCs(10只),B组为诱导培养MSCs(10只),C组为自体骨软骨块移植(8只)。密度梯度离心法获得骨髓基质干细胞(marrow-derivedstromalcells,MSCs),分别使用常规培养液和成软骨诱导条件培养液进行体外扩增传代。提取MSCs及关节软骨细胞总RNA,RT-PCR检测Ⅰ、Ⅱ型胶原表达。扫描电镜观察MSCs在PLGA双层支架上的复合与分布情况。A、B组MSCs分别与PLGA双层支架构建直径3.5mm、高3.0mm的骨软骨复合体,植入股骨髁髌骨滑车同比例骨软骨缺损区,术后第4、8、16、24周取材,进行大体观察、组织学检查和评分。结果RT-PCR见常规培养MSCs表达Ⅰ型胶原,无Ⅱ型胶原表达;诱导后MSCs表达Ⅰ、Ⅱ型胶原。扫描电镜观察MSCs在PLGA支架黏附生长良好,孔隙深处可见细胞分布。B组标本术后24周大体观察与正常软骨无明显差别,组织学检查为成熟的类透明软骨组织(4/6),优于A组(1/4)。结论MSCs具有成骨和成软骨潜能,可在基于细胞的软骨修复中作为种子细胞与双层PLGA构建组织工程骨软骨复合体,该复合体在实验动物模型中可修复关节软骨和软骨下骨缺损。     

自体骨髓间充质干细胞复合壳聚糖/羟基磷灰石支架修复兔膝骨软骨缺损

目的 探讨骨髓间充质干细胞(bone mesenehymal stem cells,BMSCs)复合壳聚糖(chitosan,CS)/羟基磷灰石(hydmxyapatite,HA)支架修复兔膝关节局部骨软骨缺损.方法 选健康日本大耳白兔36只,2～3月龄,体重1.7～2.0 kg,每只抽取自体骨髓4～6ml,体外分离培养BMSCs后以2×107/ml密度植于CS/HA支架上体外培养10 h,制成BMSCs-CS/HA支架复合物.将36只实验动物手术制成右膝股骨外侧髁负重区骨缺损模型后,随机分成A、B、C 3组,每组12只.A组植入BMSCs-CS/HA复合物,B组植入单纯CS/HA支架;C组不作任何植入,为空白对照组.分别于术后6周、12周各处死6只动物,取材后进行大体、组织学观察6根据改良Wakitani评分标准进行评分,评估软骨组织的修复情况,并行成组设计方差分析.结果 A组术后6周即可重建关节软骨缺损;修复软骨在观察期内逐渐变厚,软骨下骨有少量骨修复;术后12周透明软骨样修复,表面光整,与周围软骨色泽相近,软骨下骨有部分修复.而B组和C组12周时缺损区仍为纤维软骨样纤维组织修复,色泽浅黄.术后6、12周各组组织学半定量评分显示:股骨髁负重区修复A组评分明显优于B、C组(F=27.26,P＜0.05).结论 自体BMSCs复合CS/HA支架在体内环境下可形成透明软骨修复兔膝关节负重区骨软骨缺损.     

BMSCs种植双相复合支架修复兔关节软骨及软骨下骨缺损

目的关节软骨的病变常伴有软骨下骨缺损,其修复重建一直是骨科难题。探讨BMSCs-双相支架复合物修复骨软骨缺损的可行性,比较其与植入单纯双相支架及动物自身修复效果的差别具有重要意义。方法以聚乳酸/聚羟基乙酸共聚物(poly-lactic-co-glycolic acid,PLGA)、羟基磷灰石(hydroxyapatite,HA)为原料制备由软骨相和骨相构成的三维支架,提取天然Ⅰ型胶原(collagen typeⅠ,ColⅠ)涂于表面制成PLGA-HA-ColⅠ双相支架。取新西兰乳兔骨髓分离培养获得的第2代BMSCs,以1×106个/mL接种于双相支架,扫描电镜观察支架结构和细胞分布。取30只6月龄新西兰大白兔,建立股骨远端关节面骨软骨缺损模型,随机均分为3组,A、B组分别于缺损区植入单纯双相支架和BMSCs-双相支架复合物,C组作为空白对照组未植入支架材料。于术后1、3、6、9个月取材行大体及组织学观察,术后9个月对A、B组标本行大体评分比较、micro CT扫描定量分析及免疫组织化学染色观察。结果扫描电镜示双相支架孔隙连通性好,软骨相和骨相孔径不同,BMSCs在双相支架内生长良好。大体观察示术后9个月内A组关节表面逐渐形成类软骨样组织,部分出现塌陷或不规则缺损;B组关节面无塌陷或碎裂,新生组织质地更接近正常组织;C组缺损一直存在。大体评分显示3组修复效果比较差异均有统计学意义(P0.001),B组优于A组,C组最差。micro CT扫描示A、B组软骨下骨得到良好的修复重建,定量分析示B组骨组织体积分数、结构模型指数及骨小梁数目均高于A组,但差异无统计学意义(P0.05)。组织学观察示术后1个月A、B组缺损区存在炎性反应;术后3个月新生组织长入;术后6个月支架完全降解,新生组织在植入物及缺损边缘爬行生长;术后9个月形成大量胶原纤维,表面多为纤维软骨。C组观察期内缺损持续存在。术后9个月免疫组织化学染色示A、B组标本缺损区ColⅡ染色呈弱阳性,ColⅠ染色阳性。结论PLGA-HA-ColⅠ双相支架具备较适宜的一体化修复骨软骨缺损的物理特性,接种BMSCs后整体修复效果更好。     

自体骨髓基质干细胞复合珊瑚修复犬下颌骨节段缺损的初步研究

目的应用自体骨髓基质干细胞(bonemarrowstromalcells,BMSCs)复合珊瑚构建组织工程化骨,修复犬下颌骨节段性缺损。方法体外扩增培养、成骨诱导犬BMSCs。将第二代细胞复合珊瑚后修复犬自体右侧3cm的下颌骨节段缺损(n=6);以单纯珊瑚植入缺损处为对照(n=6),术后12、32周分别通过影像学,大体形态观察,组织学和生物力学的方法检测骨缺损的修复效果。结果成骨诱导的BMSCs在珊瑚支架上生长良好。X线片显示12周时实验组骨痂较多,对照组材料明显吸收;32周时CT、X线片和大体观察显示术后实验组骨愈合良好,对照组为骨不连;骨密度检测示实验组显著高于对照组(P<0.05);组织学示实验组有较多成熟骨呈骨性愈合,对照组为纤维性愈合;生物力学测试实验组与正常下颌骨力学强度差异无统计学意义(P>0.05)。结论自体成骨诱导BMSCs复合珊瑚形成的组织工程化骨可修复犬下颌骨节段缺损。     

涂层双相陶瓷复合BMSC修复骨缺损的实验观察

目的比较双相陶瓷（Biphasie calcium phosphate，BCP）经低结晶羟基磷灰石（Low crystalline hydroxyapatite，LcHA）涂覆改性后构建的组织工程化骨（LcBCP）与单纯BCP复合骨髓基质干细胞（Bone marrow stromal cells，BMSCs）修复兔桡骨节段性缺损的成骨差异。方法BMSCs复合LcBCP（实验组）修复12只兔左侧桡骨15mm缺损；BMSCs复合BCP（对照组）植入右侧桡骨同样大小缺损，植入后第4、8和12周取材，通过大体形态、组织学、影像学和生物力学检测骨缺损修复效果。结果BMSCs—LcBCP复合物在体内骨缺损处生长良好。X线检测显示实验组连接处骨痂形成，对照组连接处在各个时间点愈合稍差。12周时，实验组骨修复良好，髓腔再通，组织学显示板层骨形成，连接处骨性愈合；对照组连接处尚有较多编织骨形成。实验组和对照组生物力学检测有统计学差异。结论BMSCs—LcBCP复合物可修复兔桡骨节段性缺损，低品态羟基磷灰石涂层有助于增强双相陶瓷的成骨能力。     

隔离层在组织工程骨软骨复合支架中的作用

目的研究隔离层在一种新型组织工程骨软骨复合支架中对支架生物力学的影响以及在修复关节骨软骨缺损中的作用。方法在体外,检测具有隔离层的实验组骨软骨复合支架和没有隔离层的对照组支架的最大抗拉、抗剪切强度。将向软骨方向和成骨细胞方向诱导后的兔骨髓间充质干细胞（BMSCs）,分别接种在实验组和对照组的骨软骨复合支架的软骨支架和骨支架上,然后将两组骨软骨复合支架分别回植于兔自体股骨髁间窝骨软骨全层缺损处。术后3、6个月取材,对新生骨软骨组织的Micro-CT三维重建和HE组织学染色的结果进行观察;对新生软骨下骨的骨矿物质密度（BMD）、新生软骨的压缩模量进行检测。结果具有隔离层的实验组骨软骨复合支架的最大抗拉和抗剪切强度明显高于对照组（P〈0．05）;实验组新生骨软骨的Micro—CT三维重建和HE组织学染色的形态明显优于对照组;实验组新生软骨下骨的BMD值与新生软骨的压缩模量明显高于对照组（P〈0．05）。结论隔离层能显著增强骨软骨复合支架的力学性能,并显著提高骨软骨复合支架修复骨软骨缺损的能力。     

以软骨细胞外基质与脱细胞骨基质构建组织工程骨软骨双层支架及其性能的研究

目的 探讨采用软骨细胞外基质(CECM)与脱细胞骨基质(ACBM)为材料制作新型组织工程骨软骨双层支架的可行性,并检测其性能.方法 双层支架的骨部分以犬松质骨制备的ACBM为原料,软骨部分以人CECM为材料,采用冷冻冻干法制备CECM/ACBM双层支架并交联.测定支架孔隙率,采用四甲基偶氮唑盐(MTT)法分析支架浸提液毒性.分离培养犬骨髓基质干细胞(BMSCs),成软骨诱导后种植到支架上,倒置显微镜、电镜、Dead/Live荧光染色观察细胞在支架的生长、分化情况.结果 扫描电镜及Micro-CT观察显示支架内孔洞相互贯通呈海绵状,CECM部分孔径(155±34)μm,孔隙率为91.3%±2.0%;ACBM部分具有大然骨的孔径和空隙率,骨软骨部分结合良好.培养1～6 d不同浓度支架浸提液与对照培养液吸光度值比较羌异均无统计学意义(P＞0.05).倒置显微镜、电镜检查结果表明BMSCs在支架上黏附良好,细胞基质分泌增加,Dead/Live荧光染色表明双层支架内细胞均呈绿色.结论 CECM/ACBM骨软骨双层支架具备良好的孔径和孔隙率,骨、软骨两层间结合良好,无毒,生物相容性良好,可作为支架载体用于组织工程骨软骨复合体的构建.

Abstract：

Objective To fabricate a novel bilayered scaffold constructed with cartilage extracellular matrix (CECM) and acellular bone matrix (ACBM) for osteochondral tissue engineering.Methods The bone layer of the osteochondral scaffold was prepared using canine bone cancellous bone columns, and the cartilage layer was fabricated using CECM.After CECM microfilaments were decellularized, the biphasic scaffolds were fabricated by soaking the ACBM columns into cylindrical silicon moulds with a 30 g/L CECM suspension using simple freeze-drying method.After the scaffolds were cross-linked, the porosity was measureed.MTT test was also done to assess cytotoxicity of the scaffolds.Canine bone marrow-derived mesenchymal stem cells (BMSCs) were induced by chondrogenic medium and seeded into novel scaffold.Cell proliferation and differentiation were analyzed using inverted microscopy, scanning electron microscopy (SEM)and Dead/Live staining method.Results SEM and Micro-CT revealed a 3-D interconnected porous structure, with the CECM pore diameter of 155 ± 34 μm and the porosity of 91.3% ± 2.0%.Cytotoxicity testing with MTT revealed no significant difference in absorbance among different extracts, showing no cytotoxic effect of the scaffold on BMSCs.Inverted microscopy and SEM showed that the novel scaffold could provide a suitable 3-D environment to support the adhesion, proliferation and differentiation of BMSCs to chondroeytes in culture with chondrogenic medium.Confocal microscopy of cell-scaffold constructs revealed cells with green fluorescence.Conclusion Since the novel CECM/ACBM bilayered integrated osteochondral scaffold has good mircostructure, non-toxicity and good biocompatibility, it may be a suitable candidate as an alternative cell-carrier for osteochondral tissue engineering.     

大鼠骨髓间充质干细胞复合n-HA/PLA支架异位成骨的实验研究

[目的]研究大鼠骨髓间充质干细胞(BMSCs)复合纳米羟基磷灰石/聚乳酸(n-HA/PLA)支架材料体内异位成骨情况.[方法]取SD大鼠股骨胫骨骨髓,进行贴壁培养BMSCs,将第3代BMSCs接种到n-HA/PLA支架材料上,加入成骨诱导液,3d后置人大鼠体内,设为实验组;将单纯支架材料置入组为对照组.4、8、12周时取材进行大体和组织学观察.[结果]8、12周时实验组可见类骨质成分形成,并且支架材料维持置入时形状,对照组无类骨质形成.[结论]BMSCs复合n-HA/PLA构建组织工程骨有很好的异位成骨能力,且能在体内维持良好塑型.     

双相磷酸钙组织工程骨块重建股骨头内骨缺损的实验研究

目的 观察在体外构建的具有仿生结构的双相磷酸钙（biphasic calcium phosphate，BCP）组织工程骨块植入犬股骨头缺损内的骨再生情况及预防股骨头塌陷的效果。方法 以犬股骨头的松质骨样本Micro—CT（micro—computed tomography）图像为基础，提取其中的图像信息，利用三维凝胶叠层成形法制备出具有仿骨小梁结构的陶瓷支架。在体外利用诱导分化的自体骨髓间充质细胞与仿生BCP支架复合，构建组织工程骨块，将其植入10只犬的股骨头负重区骨缺损内；另取10只火作为对照组，在股骨头骨缺损区内打球植入自体松质骨粒，对比观察仿生BCP骨块的植入效果。结果 制备出的股骨头仿生BCP支架具有良好的三维空间结构，支架小梁具有一定的方向性，呈板状模型；细胞在支架表面大量生长。植入动物体内30周后，实验组火股骨头外形基本完整，新生骨质包绕支架小梁并沿支架表面生长，而对照组犬股坩头均出现不同程度的塌陷。结论 仿生BCP组织工程骨块具有良好的生物相容性，植入犬股骨头负曩区骨缺损后，能在一定程度上防止股骨头塌陷。