组织工程软骨植入缺损后修复区力学特性分析

目的利用组织工程技术建立体外软骨缺损实验模型,研究修复区人工软骨和宿主软骨的力学特性。方法采用一种琼脂糖凝胶作为人工软骨,制作猪软骨深层缺损,在缺损处仿临床植入人工软骨,用生物胶黏接,建立组织工程修复膝关节软骨缺损的体外模型;在压缩载荷作用下,通过数字图像相关技术研究组织工程软骨植入缺损后修复区即刻力学行为。结果压缩过程中界面处没有出现开裂现象,压缩分别为软骨层厚度的3.5%、5.6%、7.04%和9.0%时获得了修复区中间层应变分布图和应变变化曲线。压缩量从3.5%增加到9%时,在垂直软骨面方向上宿主软骨最大压应变增加75.9%,人工软骨最大拉应变增加226.99%;在平行软骨表面方向,交界面处最大拉应变增加116.9%,增加量远高于宿主软骨区和人工软骨区;对于修复区剪应变,随着压缩量增加交界处剪应变方向发生相反的改变。结论软骨组织工程修复缺损效果有很大的不确定性,这与修复区的力学环境有关。组织工程软骨植入缺损后,修复区受到复杂应变状态,随着压缩量增加,界面处、宿主软骨、人工软骨都发生较大的应变变化,界面处垂直软骨面方向的应变由压应变可转化为拉应变,平行软骨表面方向的拉应变有显著增加,交界处剪应变方向甚至发生了相反的改变,而且剪应力数值迅速增加。这种复杂应变状态造成修复区细胞力学环境的较大变化,还可能引起界面的开裂,影响缺损修复过程,这些力学环境变化应受到临床治疗的重视。     

骨髓基质干细胞复合纳米材料修复骨缺损的微循环研究

目的:了解骨髓基质干细胞(MSCs)复合纳米羟基磷灰石/聚乳酸(n-HA/PLA)构建组织工程骨修复骨缺损过程中,实验动物血液流变学和骨缺损修复区血流量的变化。方法:选择20只新西兰白兔,制作15mm长的桡骨节段性骨缺损模型,根据植入不同移植材料分为实验组和对照组,实验组于动物左侧桡骨缺损区植入组织工程骨,对照组植入n-HA/PLA,观察各组动物术后1h、7天、14天血液流变学指标和术后14天骨缺损修复区血流量的变化。结果:实验组与对照组比较,血液流变学指标和骨缺损修复区血流量差异显著。组织工程骨修复骨缺损,实验动物血液粘度降低,骨缺损修复区局部血流量增加。结论:与单纯n-HA/PLA材料比较,组织工程骨可促进骨缺损的修复。     

组织工程骨修复兔桡骨节段性缺损血液流变性及局部血流量的变化

目的 观察组织工程骨修复骨缺损过程中，实验动物血液流变性和骨缺损修复区血流量的变化。方法 选择30只新西兰白兔，制作15mm长的桡骨节段性骨缺损模型，根据植入不同移植材料分为实验组和对照组，实验组于动物左侧桡骨缺损区植入组织工程骨，对照组植入部分脱蛋白骨，观察各组动物术后1h、7h、14d血液流变性和术后14d骨缺损修复区血流量的变化。结果 实验组与对照组比较，血液流变学指标和骨缺损修复区血流量差异显著。组织工程骨修复骨缺损，实验动物全身血液黏度降低，骨缺损修复区局部血流量增加。结论 与单纯材料比较，组织工程骨可促进血液流变学及局部血流量的改善。     

RGD多肽表面修饰对羟基磷灰石修复骨缺损微循环的影响

目的了解精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(Arg-Gly-Asp,RGD)多肽表面修饰的羟基磷灰石(hydroxyapatite,HA)修复骨缺损过程中,实验动物血液流变学和骨缺损修复区血流量的变化.方法选择20只新西兰白兔,制作15mm长的桡骨节段性骨缺损模型,根据植入不同移植材料分为实验组和对照组,实验组于动物左侧桡骨缺损区植入MSC复合RGD多肽表面修饰的HA培养制备的组织工程骨,对照组植入MSC复合HA培养制备的组织工程骨,观察各组动物术后7d、14d血液流变学和术后14d骨缺损修复区血流量的变化.结果实验组与对照组比较,血液流变学指标和骨缺损修复区血流最差异显著,实验动物全身血液黏度和红细胞聚集指数降低,骨缺损修复区的局部血流量增加.结论 RGD多肽表面修饰对以HA为支架材料组织工程骨的修复有明显优化作用.     

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。     

大动物节段性骨缺损模型的研究进展

四肢节段性骨缺损,尤其是临界尺寸节段性骨缺损的修复仍然是骨科最具挑战性的难题之一。人工骨材料逐渐取代自体骨及同种异体骨成为骨缺损修复的研究热点。为评价人工骨材料作为骨缺损修复替代物的发展前景,有必要建立可重复且有效的节段性骨缺损动物模型,但目前尚无一种理想的大动物节段性骨缺损模型能完美模拟人类骨结构和力学特征。因此本文对大动物节段性骨缺损模型的临界尺寸骨缺损大小的取值、常用建模动物的优缺点、节段性骨缺损模型的建立、骨材料的不同固定方法等方面进行综述,以促进大动物节段性骨缺损模型的优化改进。     

大段骨缺损修复的组织工程学研究进展

由于某种因素如外伤、感染、肿瘤切除或先天性疾病引起骨质缺如,破坏骨骼的完整性形成较大的间隙,称为骨缺损.它是骨科临床常见病症,特别是大段骨缺损的治疗一直是修复外科亟待解决的难题之一.Schmitz等[1]基于动物实验提出临界骨缺损的概念,对大段骨缺损进行了初步定义.临界骨缺损的判断标准是依据长骨直径大小的倍数来决定的,当骨缺损长度大于或等于长骨直径1.5倍时称为临界骨缺损或大段骨缺损[2-3],即小于该值的骨缺损机体通过自身修复可以自行愈合,而大于该值的骨缺损则无法自行愈合,据此不少学者将此定义应用于临床和实验研究[4-5].目前大段骨缺损修复的一些常用组织工程学力法各有利弊,如自体骨移植、异体骨移植、人工骨移植、组织工程骨、膜引导性骨再生等[6],本文就上述常用修复方法及其研究进展综述如下.     

骨髓间充质干细胞复合去抗原松质骨修复骨缺损的实验研究

目的探讨骨髓间充质干细胞离体培养并与去抗原牛松质骨复合修复节段性骨缺损的效果.方法 Wistar大鼠骨髓间充质干细胞(MSCs)与去抗原牛松质骨(BCB)制成MSCs/ BCB复合物;采用同种异体大鼠桡骨干5mm节段性骨缺损动物模型,通过X线放射学、组织学、生物力学检测对比研究骨缺损修复情况.结果术后2、4、8、14、18周实验组与实验对照组经放射学检查评价新骨生成有显著性差异.术后组织学检查新骨生成速度、生成量均有显著性差异.18周经生物力学实验检测,实验组与实验对照组新骨生成有显著性差异, 实验组标本与正常基本一致.空白对照组各时间点均无新骨形成,最后缺损由纤维组织充填.结论大鼠骨髓间充质干细胞(MSCs)是骨组织工程中适宜的种子细胞.去抗原牛松质骨是可以选择的细胞载体.MSCs/BCB复合物植入修复骨缺损效果明显优于单纯BCB植入.     

骨重建的力学生物学研究

骨骼的生长、发育和维持都与骨组织重建有着密切的关系,随着生物力学、组织工程、细胞生物学等学科的迅速发展,骨科相关疾病及其治疗的研究形成了多学科交叉、渗透的趋势,力学生物学已经成为研究骨重建的重要方法。本文对近年来骨重建的力学生物学相关研究工作进行整理和总结,希望为骨重建的研究、骨组织工程修复骨缺损和临床治疗相关骨科疾病的诊治提供理论基础。     

丝素蛋白/羟基磷灰石复合材料修复骨缺损的微循环研究

了解丝素蛋白(silk fibroin,SF)表面修饰的羟基磷灰石(hydroxyapatite,HA)修复骨缺损过程中,实验动物血液流变学和骨缺损修复区血流量的变化。选择20只新西兰白兔,制作15 mm长的桡骨节段性骨缺损模型,根据植入不同移植材料分为实验组和对照组,实验组于动物左侧桡骨缺损区植入MSCs复合SF表面修饰的HA培养制备的组织工程骨,对照组植入MSCs复合HA培养制备的组织工程骨,观察各组动物术后7、14 d血液流变学和术后14 d骨缺损修复区血流量的变化。实验组与对照组比较,血液流变学指标和骨缺损修复区血流量差异显著,实验动物全身血液粘度降低,骨缺损修复区的局部血流量增加。SF表面修饰对以HA为支架材料组织工程骨的修复作用有明显优化作用。     

Biomechanical considerations of animal models used in tissue engineering of bone

Tissue engineering combines the aspects of cell biology, engineering, material science, and surgery to generate new functional tissue, and provides an important approach to the repair of segmental defects and in restoring biomechanical function. The development of tissue-engineering strategies into clinical therapeutic protocols requires extensive, preclinical experimentation in appropriate animal models. The ultimate success of any treatment strategy must be established in these animal models before clinical application. It is clear that the demands of the biological and mechanical environment in the clinical repair of critical size defects with tissue-engineered materials is significantly different from those existing in experimental animals. The major considerations facing any tissue-engineering testing logic include the choice of the defect, the animal, the age of the animal, the anatomic site, the size of the lesion, and most importantly, the micro-mechanical environment. With respect to biomechanical considerations when selecting animals for tissue- engineering of bone, it is evident that no common criteria have been reported. While in smaller animals due to size constraint only structural properties of whole bones can be measured, in larger animals and humans both material properties and structural properties are of interest. Based on reported results, comparison between the tissue-engineered bone across species may be of importance in establishing better model selection criteria. It has already been found that the deformation of long bones is fairly constant across species, and that stress levels during gait are dependent on the weight of the animal and the material properties of the bone tissue. Future research should therefore be geared towards developing better biomechanical testing systems and then finding the right animal model for the existing equipment.     

Individualised, micro CT-based finite element modelling as a tool for biomechanical analysis related to tissue engineering of bone

Load-bearing tissues, like bone, can be replaced by engineered tissues or tissue constructs. For the success of this treatment, a profound understanding is needed of the mechanical properties of both the native bone tissue and the construct. Also, the interaction between mechanical loading and bone regeneration and adaptation should be well understood. This paper demonstrates that microfocus computer tomography (microCT) based finite element modelling (FEM) can have an important contribution to the field of functional bone engineering as a biomechanical analysis tool to quantify the stress and strain state in native bone tissue and in tissue constructs. Its value is illustrated by two cases: (1) in vivo microCT-based FEM for the analysis of peri-implant bone adaptation and (2) design of biomechanically optimised bone scaffolds. The first case involves a combined animal experimental and numerical study, in which the peri-implant bone adaptive response is monitored by means of in vivo microCT scanning. In the second case microCT-based finite element models were created of native trabecular bone and bone scaffolds and a mechanical analysis of both structures was performed. Procedures to optimise the mechanical properties of bone scaffolds, in relation to those of native trabecular bone are discussed.     

磷酸钙人工骨修复骨缺损的研究进展

继发于各类病因的大段骨缺损通常需要人工骨材料进行修复,目前常用的人工骨材料包括磷酸钙和硫酸钙基人工骨、生物活性玻璃等,以磷酸钙为主要成分的人工骨,复合其他一种或多种材料以期改善人工骨的性能是目前的研究热点。本文将总结以磷酸钙为基质的各类复合材料,包括与聚合物复合的磷酸钙材料、以磷酸钙为基质的合金材料、药物缓释材料以及骨组织工程材料在骨缺损修复中的研究进展,为以磷酸钙为基质新材料的研究奠定基础。     

Vascular endothelial growth factor release from alginate microspheres under simulated physiological compressive loading and the effect on human vascular endothelial cells

Bone tissue engineering has generated promising results in bone defect repair, but is limited by the inherently poor nutrient supply to nonvascularized tissue-engineered bone grafts. In this study, we investigated the delivery of vascular endothelial growth factor (VEGF) and the effect on in vitro cultured human umbilical vein endothelial cells (HUVECs), in an attempt to provide experimental basis for promoting the vascularization of tissue-engineered bone grafts. A mechanical stimulator was developed to generate a periodic compressive load analogous to goat locomotor characteristics, simulating the mechanical stimulation applied on the fracture ends of the load-bearing bone. Poly-l-lysine-coated VEGF/alginate microspheres were combined with demineralized bone matrices into composites, and the in vitro release of VEGF from these composites was evaluated under periodic compression. The effect of the release media on HUVECs was also investigated. Compression slightly accelerated VEGF release at the early stage (<11 days) compared with noncompressed composites, although the release profiles of the two composite groups were generally similar. The released VEGF promoted HUVEC proliferation. In addition, the periodic compression applied on composites containing both HUVECs and VEGF/alginate microspheres promoted the expression of matrix metalloproteinases-2/9 in HUVECs. This study provides a model for investigating VEGF release under simulated in vivo biomechanical conditions and without the disadvantage of the rapid degradation of VEGF in in vivo investigation of VEGF release. The results also provide important guidelines for future in vivo experiments.     

HA/PDLLA复合材料的体内成骨过程研究

目的研究HA／PDLLA复合材料植入体内后与细胞、组织的相互作用，探讨HA／PDLLA复合材料在体内的成骨过程，为其临床应用及设计具有生物功能的人工骨替换材料和骨组织工程支架材料提供依据。方法采用液相吸附法制备了HA／PDLLA复合材料，以纯PDLLA和空白组进行对照，进行体内植入实验，通过组织学观察和四环素标记考察其成骨过程。结果HA／PDLLA复合材料植入机体后，体内的无菌性炎症轻微，新骨形成速率高于PDLLA材料。HA微粒的存在，加强了复合材料的机械强度，使之可以避免过早的丧失力学强度。第24w时，材料被组织分隔包裹，新生骨组织长入材料，骨愈合情况良好。结论HA／PDLLA复合材料具有良好的生物相容性、生物降解性能、生物学活性和骨传导性能。     

组织工程骨技术治疗骨缺损的优越性

文题释义：骨缺损：是部分骨骼的缺失,小部分骨缺损机体可以自我修复,但当缺损长度超过缺损骨横径的1.5倍时,则会造成缺损处迁延不愈的情况,是临床常见病,其中四肢骨缺损最为常见。发病原因主要有高能量直接损伤和感染,以及肿瘤和骨髓炎所致也较为常见,目前对于骨缺损治疗方面有着治疗周期长,成本高,疗效不可控,并有感染、骨不连等并发症。 组织工程骨技术：是将组织工程技术应用到治疗骨缺损上,其方法是从患者自身提取出所需的种子细胞,在体外经过特殊的体外培养技术,使其大量增殖,然后把培养的种子细胞放置在适合缺陷部位形态结构的细胞支架上,接着将植入种子细胞的支架放入到已经清创的骨缺损部位,随着种子细胞的成骨作用,支架材料也开始降解,最终完成骨缺损的治疗。 背景：随着当今社会的不断发展,车祸等所造成的创伤性骨缺损越来越多见,骨缺损范围越来越大,目前骨缺损治疗有着治疗周期长、所需花费高、疗效不可控制的特点,并有感染、骨不连等并发症,给患者身心健康造成了巨大的痛苦,同时对骨科医生来说是难题也是挑战。 目的：分析传统骨缺损治疗方法的优缺点以及其最新进展,着重探究组织工程技术领域治疗骨缺损的研究进展及其优越性,作一综述。 方法：作者以“骨缺损,骨移植,组织工程,诱导膜技术,骨搬移技术,内皮祖细胞,3D打印技术”为中文关键词,以“bone defect,bone transplantation,tissue engineering,induced membrane technology,bone transfer technology,endothelial progenitor cells,3D printing technology”为英文关键词,通过检索CNKI、万方和PubMed数据库归纳总结,检索到120篇相关文献,并通过对于题目、摘要和部分文献内容的阅读,排除了时效性不强、结论模糊、重复的文献,最后纳入符合标准的49篇文献进行综述。 结果与结论：①传统骨缺损治疗方式大都存在一定的缺陷,组织工程骨技术的出现有望成为骨缺损治疗最有效的方式;②种子细胞有着良好的成骨性能并能分泌促进成骨的一些重要因子;③支架材料可为患者早期提供机械强度,有着良好生物相容性、骨诱导性、可控降解性等优势;④迫在眉睫的血管化问题也在逐步解决,能够为骨缺损患者带来福音。 ORCID: 0000-0003-3706-0771(秦宇星) 中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程     

异种骨作为骨组织工程支架材料的免疫学及相关研究进展

骨组织工程的出现为临床治疗骨缺损提供了新的选择,而寻找理想的支架材料是目前骨组织工程研究的热点.本文围绕作为组织工程骨支架材料之一的异种骨的免疫学及相关研究进展作一综述.     

Autogenous bone particle/titanium fiber composites for bone regeneration in a rabbit radius critical-size defect model

Purpose: To explore the effects of autogenous bone particle/titanium fiber composites on repairing segmental bone defects in rabbits. Materials and methods: A model of bilateral radial bone defect was established in 36 New Zealand white rabbits which were randomly divided into 3 groups according to filling materials used for bilaterally defect treatment: in group C, 9 animal bone defect areas were prepared into simple bilateral radius bone defect (empty sham) as the control group; 27 rabbits were used in groups ABP and ABP-Ti. In group ABP, left defects were simply implanted with autogenous bone particles; meanwhile, group ABP-Ti animals had right defects implanted with autogenous bone particle/titanium fiber composites. Animals were sacrificed at 4, 8, and 12 weeks, respectively, after operation. Results: Micro-CT showed that group C could not complete bone regeneration. Bone volume to tissue volume values in group ABP-Ti were better than group ABP. From histology and histomorphometry Groups ABP and ABP-Ti achieved bone repair, the bone formation of group ABP-Ti was better. The mechanical strength of group ABP-Ti was superior to that of other groups. Conclusions: These results confirmed the effectiveness of autologous bone particle/titanium fiber composites for promoting bone regeneration and mechanical strength.     

可注射型组织工程骨支架材料的研究进展

可注射型组织工程骨支架材料是一种具有一定形态和机械强度的支架材料,可与种子细胞复合,以流体的形式注射到骨组织缺损部位,最终形成新骨,达到结构恢复和功能重建的目的.此材料具有创伤小、可塑性好的特点,可以修复形态不规则的骨缺损,能够很好地复合生长因子,是目前较为理想的骨组织缺损的修复方式.在众多可注射骨组织工程材料中,生物陶瓷材料、高分子材料等被证明有高度的生物相容性和良好的机械性能,已成为骨组织工程材料方面的研究重点.旨在对生物陶瓷材料、高分子材料、生物陶瓷与高分子复合材料的发展与应用作一综述.     

一种用于骨组织工程研究的加载装置

力学环境对骨内细胞的生物学行为有重要影响。无论是体内还是体外培养,骨组织的生长、发育都依赖力学环境。根据骨组织生理调节中的力学感知、传导、传质机理,研制一种用于骨组织工程研究的加载装置。该装置可为体外骨组织培养提供生理范围内不同大小、频率的应变及不同的应变波形,特别是对有一定强度的硬支架(与松质骨、密质骨强度相当)也能满足生理应变的要求。采用弹性较优的合成塑料作为参考支架进行有效性检测,结果表明在支架材料上此装置产生正常的生理应变,且重复精度高。装置使用智能材料-压电陶瓷作为动力来源,通过计算机控制实现了骨支架材料骨生理水平应变的精确控制。此装置将为工程化骨组织构建中载荷影响的研究提供方便。