体外细胞培养的加力装置及压力测量的研究

目的：在一定力学作用下,机体的器官、组织、细胞和生物大分子会发生相应的形态和功能改变,这对于维持正常生理功能具有重要作用。细胞力学是组织工程和细胞工程的基础之一,在离体培养过程中对细胞施加不同的机械力以研究应力对细胞的影响是细胞力学的一个重要研究领域,也是细胞力学的重要研究手段。本研究是为了模拟在体细胞的力学环境,实现在体外培养的条件下对细胞施加力的作用,设计了一种力加载装置和相应的压力检测模块。方法：力加载装置包括应力加载模块、细胞培养室、步进电机传动模块组成。计算机通过软件驱动步进电机控制活塞在培养室内直线往复运动,实现细胞培养室内压力大小、频率和持续时间的可控变化。应力检测模块可以实时监测培养室内压力大小的变化,并与预期参数对比后通过反馈系统调节各模块的运行,实现压力加载的精准控制。结果：系统压力加载的频率调控范围为0 Hz~1Hz,压力加载范围为-71 kPa~60 kPa。结论：该系统为研究压力对细胞的影响提供了一种简单、可行的方法,实验证明系统压力加载方式准确、可行,能对离体培养的细胞进行有效的压力加载。     

细胞力学2022年度研究进展

细胞的力学微环境在调控其生理功能方面起关键作用。体内细胞经常受到剪切、拉伸、压缩等多种力学载荷，并且可以通过黏附分子(如整合素-配体素的结合)连接到细胞外基质上，进而可以感知外基质的硬度。细胞力学主要研究活细胞在力学载荷下的力学特性和行为，以及这些特征和行为与细胞功能的关系。本文综述2022年度细胞力学领域的研究进展，主要关注整合素-配体素间的相互作用，以及外基质硬度和力学载荷对细胞生理行为和形态发生的影响。     

骨组织工程化构建中细胞三维培养力学微环境的研究

骨重建和骨塑建的力学响应机制表明力学因素在骨的组织工程化构建中起着十分重要的作用。外部力学载荷导致骨组织内部的力学微环境发生变化进而在细胞的增殖、迁移、细胞外基质的合成、细胞因子及激素分泌能力以及骨髓间充质干细胞的分化方向等方面产生重要的影响。因此,在组织工程构建过程中,细胞三维培养的力学微环境是有待深入研究的重要内容。尤其近年来引入了三维有限元分析的方法以及非侵入性高分辨率的Micro-CT影像技术,使在细观层次上进一步探索培养物内部的微观力学条件成为可能。综述了骨组织工程化构建中细胞三维培养的微环境、力学生物学效应、力学因素的施加和量化等方面的研究进展。     

张应力作用下体外细胞培养膜上应力分布的三维有限元分析

在自行研制细胞张应力施加装置的基础上，建立细胞张应力施加装置中生物膜三维有限元模型，模拟施加不同大小的静水压力，采用有限元应力分析的方法计算生物膜（硅胶膜）上的张应力及位移分布及其规律，为相关的细胞力学实验提供理论依据。     

骨科中的细胞力学研究进展

细胞力学是生物力学领域的重要组成部分,细胞力学在骨科中的应用十分广泛。骨科的细胞力学是细胞在力学载荷作用下,通过测量骨细胞膜和细胞骨架的形变、弹性常数、粘弹性、粘附力等力学参数,进而研究力学因素对细胞生长、发育、成熟、增殖、衰老和死亡等过程的影响。我们通过系统阐述现阶段细胞力学对骨组织细胞的研究现状,为今后相关领域的科研提供思路。     

力学刺激对角膜成纤维细胞碱性成纤维细胞生长因子表达的影响

目的研究在体及离体条件下不同力学环境对碱性成纤维细胞生长因子(basic fibroblast growth factor,bF-GF)表达的影响,探索力学因素在准分子激光原位角膜磨镶术(laser assisted in situ keratomileusis,LASIK)术后角膜损伤修复中的作用。方法建立不同切削量的LASIK手术动物模型,使在体角膜处于不同力学环境中,并于LASIK术后1周和1月处死实验动物提取组织蛋白。此外,采用Flexcell 4 000细胞力学加载系统对原代提取的兔角膜成纤维细胞施加频率为0.1 Hz、拉伸幅度分别为5%、10%和15%的周期性机械拉伸,并于拉伸后6 h和24 h后取细胞培养液上清。采用ELISA方法检测bFGF含量。结果 LASIK术后1周,角膜基质床残余30%组与对照组相比,bFGF含量显著增高(P<0.05);术后1月回落至正常水平,各组之间无显著性差异。不同时间点同一手术方式之间比较发现,仅30%组1周和1月有显著差异(P<0.05)。体外周期性拉伸实验表明拉伸6 h后1,5%拉伸组bFGF含量较对照组显著增高(P<0.05)2,4 h后显著性降低(P<0.05)。结论力学因素参与了早期角膜组织及角膜成纤维细胞bFGF表达的调节,bFGF在LASIK术后角膜组织修复中发挥了一定作用。     

力学应变对体外培养动物细胞的影响

介绍了生物力学领域中细胞生长、增殖与分泌方面的实验研究进展.着重介绍了基底加载实验中不同环境对细胞分裂与增殖的作用;力学载荷对细胞黏附及生长的影响;力学应变对体外培养成骨细胞增殖与分泌的影响;流体环境对细胞生长增殖的作用.     

细胞—分子层次的多尺度力学—化学—生物学耦合

作为生物力学主要分支之一,细胞-分子生物力学数十年来在力学-生物学、力学-化学耦合方面取得了重要进展。细胞可感知生理力学环境,并通过力学敏感蛋白激发下游信号通路以平衡外力作用。人们需要了解不同细胞的力学性质有何不同、外力如何被转导为生物化学信号。细胞-亚细胞-分子水平的多尺度信息整合有助于认识细胞的力学感知、传递、转达、表观遗传应答。本文更新了细胞-分子生物力学的进展,并讨论相关的科学问题、研究方法和潜在应用。     

关节软骨生物力学与力学生物学 2022 年研究进展

关节软骨是动关节内骨表面具有弹性的负重结缔组织，能提供低磨损润滑、缓冲震荡、传递载荷等支撑作用，具有层级纤维复合结构和优异的力学性能。软骨内没有血管、神经和淋巴，代谢缓慢，损伤后难以实现自我修复。目前，高发的关节炎疾病仍是基础与临床研究的一大热点。关节软骨是力学敏感组织，力学环境影响着组织不同方向的发展。2022年，学者们继续对关节软骨的生物力学与力学生物学开展大量研究；对软骨形态、功能与力学状态，以及不同条件下软骨力学状态的研究报道较多；研究设计了一些软骨相关的动物、组织及细胞水平的加载装置，也开展了体外及在体力学载荷下软骨退变、损伤的修复研究，获得了重要的修复方法及手段。关节软骨的生物力学与力学生物学研究是关节炎、软骨缺损及修复的基础，关节软骨损伤修复定量力学条件的影响还需体内和体外深入研究。     

骨组织工程化培养中成骨细胞力学响应的初步研究

由于骨具有支撑、保护、运动的功能,是承力器官,力学环境对骨组织的发生、发展有着十分重要的影响。活体研究表明:载荷可促进成骨细胞的增殖、分化和细胞外基质的分泌,及骨衬细胞的生物学活动;力学因素显著影响骨细胞生物学活动,包括骨细胞的凋亡;力学环境引起骨内细胞的协同反应,对骨组织变化起整合作用。由于骨组织力学环境如此重要,力学环境就有可能是工程化骨培养中的必要因素。由此,笔者尝试建立三维立体条件下成骨细胞力学响应的模型,研究骨内细胞的力学反应。模型包括支架材料、种子细胞和有力学作用的培养环境。支架材料除具有一般生物支架材料的要求外,还应与天然松质骨有相似的结构和力学性能,这里包括生物衍生松质骨、珊瑚支架等。种子细胞可采用乳鼠分离出的成骨细胞或成骨细胞系,接种在支架上进行培养。载荷直接施加在复合体上,复合体的表观应变被精确控制,可形成与骨活体内相似的力学环境,其中载荷可采用不同形状的波形,如正弦波、方波等。加载应变可达到0～10 000,频率0～100 Hz,大大包括了活体骨组织所受的力学环境。载荷形成细胞的力学环境是以支架材料的表观应变衡量,这正对应活体骨研究的力学指标。     

Application of magnetic resonance microscopy to tissue engineering: a polylactide model

Absorbable polymers are unique materials that find application as temporary scaffolds in tissue engineering. They are often extremely sensitive to histological processing and, for this reason, studying fragile, tissue-engineered constructs before implantation can be quite difficult. This research investigates the use of noninvasive imaging using magnetic resonance microscopy (MRM) as a tool to enhance the assessment of these cellular constructs. A series of cellular, polylactide constructs was developed and analyzed using a battery of tests, including MRM. Distribution of rat aortic smooth muscle cells within the scaffolds was compared as one example of a tissue engineering MRM application. Cells were loaded in varying amounts using static and dynamic methods. It was found that the cellular component was readily identified and the polymer microstructure readily assessed. Specifically, the MRM results showed a heterogeneous distribution of cells due to static loading and a homogenous distribution associated with dynamic loading, results that were not visible through biochemical tests, scanning electron microscopy, or histological evaluation independently. MRM also allowed differentiation between different levels of cellular loading. The current state of MRM is such that it is extremely useful in the refinement of polymer processing and cell seeding methods. This method has the potential, with technological advances, to be of future use in the characterization of cell-polymer interactions.     

成骨细胞的体外剪切应力加载实验的变形分析及信号转导区域探讨

目的 根据已有体外培养鼠成骨细胞的参数实验数据,估算剪切应力加载实验中细胞整体剪切形变,借以研究细胞的主要转导区域.方法 计算过程采用黏弹性力学理论,对细胞运用了标准黏弹性模型,并简化其膜所受剪切力为均匀.结果 细胞剪切力产生的细胞变形大约是引起成骨细胞相同生物学响应的拉伸加载变形的十分之一.结论 从细胞总的力学刺激生物学响应来看,剪切应力加载实验中细胞的整体变形所产生的力学转导是可以忽略的,主要转导区域在承受剪切应力的细胞膜.     

一种新型机械应变细胞加载装置的研制

目的研究开发一套具有自主知识产权的数控机械应变细胞加载装置,为细胞力学研究提供必要的研究手段。方法加载装置基于圆形基底形变技术,采用数字式测控系统和基于PC机平台的专用软件,实现对体外培养细胞加载牵张应变。采用MTT比色实验检测人牙周膜细胞在弹性硅橡胶细胞培养膜上的附着生长能力。采用该装置对体外培养人牙周膜细胞加载1%、10%、20%拉伸应变0.5、1和24 h,倒置相差显微镜观察细胞形态、排列的变化。结果数控机械应变细胞加载装置可对体外培养细胞加载不同强度、频率和时间的拉伸应变,具有输出应变范围大、精度高、操作方便、显示直观等优点。硅橡胶膜和对照细胞培养板接种细胞1、2、4、7、8 d后,MTT比色实验光吸收值之间无统计学差异(P>0.05),显示弹性硅橡胶膜具有良好的细胞附着生长能力。人牙周膜细胞加载10%、20%拉伸应变24 h后,细胞形态、排列发生改变,胞体呈长梭形,并成栅栏状平行排列,细胞长轴垂直于拉伸应变方向。结论数控机械应变细胞加载装置可有效地对体外培养细胞加载动态机械拉伸应变,为体外细胞力学研究提供了必要的研究手段。     

一种用于体外培养细胞的静磁场加载装置

磁性附着体均存在漏磁,应用于患者口腔中时将对邻近组织施加一定强度的静磁场。磁性附着体磁场对机体组织的生物学效应尚鲜见研究报道。本研究研制了一套细胞静磁场加载装置,并模拟磁性附着体静磁场对体外培养人牙周膜细胞加载。该装置能产生恒定的静磁场且磁场强度可调,体积小巧,可对培养皿、培养孔板等多种规格细胞培养器皿中的细胞加载静磁场,便于对细胞的多项生物学指标进行研究。对人牙周膜细胞加载静磁场的结果显示该装置可以有效地对体外培养细胞进行不同强度、不同时间的静磁场加载。该装置为研究静磁场细胞生物学效应提供了必要的手段。     

骨髓基质干细胞和软骨组织工程

关节软骨是透明软骨 ,它是一种特殊的结缔组织 ,由单一的软骨细胞、纤维和基质构成。软骨组织具有自身独特的生理学特点 ,无血管 ,无神经 ,无淋巴引流 ,在关节腔内仅靠滑液来获取营养 ,其代谢主要以无氧酵解为主等决定了它极其有限的再生能力。临床上由于创伤、炎症肿瘤等原因导致的关节软骨损伤、缺失极为常见 ,且常继发骨关节炎 ,严重影响关节的功能。目前临床上多通过自体或异体移植成形的软骨或具有成软骨潜能的组织如骨膜、软骨膜等来治疗关节软骨的缺损 ,这些组织移植后能生成透明软骨样组织 ,但其生物学性能、耐磨性、韧性均欠佳 ,易…     

流体剪切力在骨生长、重建中的重要作用

骨组织具有最优化结构,是一个典型的结构-功能受生物力学控制的例子。力学因素在骨的生长、重建和成形中起着十分重要的作用,但力学刺激的本质形式至今无法确认。骨组织存在多孔结构,力学负荷引起的变形会促使流体流动对骨细胞产生作用,离体实验也证实骨细胞能对流体产生响应,因此流体剪切力是研究骨组织受力学调控时考虑的一个重要方面。现有的研究主要体现在流体的有效作用形式,细胞的生物学反应,以及流体剪切力在细胞中的力学转导;各个方面的研究都提示,流体剪切力至少部分的参与了骨组织内的力转导。作者就这方面的研究进展作一综述。     

Nanostructured material surfaces--preparation, effect on cellular behavior, and potential biomedical applications: a review

Nanostructures play important roles in vivo, where nanoscaled features of extracellular matrix (ECM) components influence cell behavior and resultant tissue formation. This review summarizes some of the recent developments in fostering new concepts and approaches to nanofabrication, such as top-down and bottom-up and combinations of the two. As in vitro investigations demonstrate that man-made nanotopography can be used to control cell reactions to a material surface, its potential application in implant design and tissue engineering becomes increasingly evident. Therefore, we present recent progress in directing cell fate in the field of cell mechanics, which has grown rapidly over the last few years, and in various tissue-engineering applications. The main focus is on the initial responses of cells to nanostructured surfaces and subsequent influences on cellular functions. Specific examples are also given to illustrate the potential nanostructures may have for biomedical applications and regenerative medicine.     

骨髓间充质干细胞用于软骨组织工程的研究进展

细胞移植技术治疗软骨损伤已成为一项新兴的组织工程学研究热点.骨髓间充质干细胞由于其具有扩增快、便于分离提纯、可以体外诱导分化成为软骨细胞的特性,有可能成为组织工程化软骨的新型种子细胞.随着骨髓间充质干细胞应用于软骨组织工程研究的深入,结合近年的研究文献和成果,就骨髓间充质干细胞的诱导微环境和诱导方式的研究进展进行综述,探讨骨髓间充质干细胞作为种子细胞在构建组织工程软骨中的优越性.     

Microfluidic patterning of cells in extracellular matrix biopolymers: effects of channel size,cell type,and matrix composition on pattern integrity

The organization of cells within an extracellular matrix is critical to promote appropriate cellular interactions and tissue function in vivo. The ability to design and create biologically relevant cellular arrangements via microfluidic patterning on surfaces provides new capabilities for tissue engineering and biomimetics. The purpose of this article is to describe techniques using microfluidic patterning of three-dimensional biopolymer matrices to improve cellular pattern integrity and to provide microscale control over cellular microenvironments. Results demonstrated that the incorporation of extracellular matrix biopolymers in cell microfluidic patterning results in a more stable pattern of adherent human endothelial cells than patterning without matrix components after several days in vitro. This may be important for carrying out long-term biological experiments and tissue engineering in vitro. Moreover, chemical components in the patterned biopolymer matrices, such as collagen, chitosan, and fibronectin, influenced the ability of the matrices to control cell migration and pattern stability over time. Thus, microfluidic patterning of cells in extracellular matrix biopolymers was shown to be useful in patterning multiple cell types in well-defined three-dimensional geometries.