多孔β-TCP用于构建长骨组织的实验研究

探索新型的多孔β-磷酸三钙(β-TCP)作为组织工程骨支架材料的应用效果。分别应用单纯β-TCP(对照组)和骨髓间质干细胞（bone marrow stem cells, BMSCs）、β-TCP复合物(实验组)修复狗尺骨2cm的骨缺损,术后通过X光片、核素扫描、大体观察和组织学观察判断长骨骨缺损的修复效果。X片观察：3月时,实验组尺骨缺损由内植物较好的桥接,内植物边缘模糊,管腔及内植物与缺损断端之间有新生骨形成;对照组尺骨缺损处的内植物明显变形,出现密度不均的裂解颗粒,其与缺损断端连接处有新生骨形成。6月时,实验组尺骨缺损被伴有骨髓腔的新生骨连接,有皮质骨形成;对照组尺骨缺损被高密度影连接,没有骨髓腔和明显皮质骨形成,尺骨远端直径明显细于实验组。核素扫描的延迟相骨显像：1月和2月时两组之间有显著性差异,3月时两组之间无显著性差异。大体观察：3月时可见,对照组尺骨直径明显小于实验组,实验组的骨缺损处新生物的体积明显大于对照组;对照组的内植物周围有纤维组织紧密包裹,难于分离。6月时可见,实验组新生骨色泽红白相间,明显已被塑形;对照组新生骨体积、形状不完整。HE观察：3月时,实验组β-TCP的孔隙中,可见新生骨在表面贴附生长;对照组β-TCP的孔隙中有类骨质形成,充填着大量核深染的巨核细胞和毛细血管。6月时,两侧的β-TCP都完全消失,都有新生骨形成,但对照组新生骨量和骨结构明显差于实验组。复合骨髓基质干细胞的多孔β-TCP能够修复长骨骨缺损。     

新型旋转壁式生物反应器内三维组织工程骨的构建

利用微载体悬浮培养法将成骨细胞在旋转壁式生物反应器内进行大规模扩增,并检测细胞的组织形态和生物功能.然后以此作为种子细胞,分别以2×10⁶个/ml和1×10⁶个/ml两种密度接种到支架材料上,于旋转壁式生物反应器(RWV)内进行三维组织工程骨的构建.并将所构建的骨组织分别进行倒置显微镜(inverted microscope)、扫描电镜(SEM)、碱性磷酸酶(ALP)、矿化结构和AO/EB双重荧光染色等生物学性能检测,以及对培养过程的营养物质代谢情况进行监控和分析.结果表明,在RWV中培养的骨组织生长良好,分泌大量胶原纤维,并有矿化基质和新骨样组织形成. 由上述结果可断定,通过RWV内部流体对流所产生的应力刺激,可提高成骨细胞碱性磷酸酶的活性表达,并加速矿化结节的形成,从而完成成骨细胞的快速增殖与分化以及工程化组织的三维构建.     

构建大段组织工程骨的新型生物反应器的设计与制造

目的:设计、制造一种新的灌注式生物反应器,专门用于高效地构建大体积、β-磷酸三钙组织工程骨。方法:在普通模式灌注生物反应器的灌流室内生成间断性低压环境(-0.01 mpa,0.5 Hz),用材料色素颗粒洗脱实验进行验证后,将复合兔骨髓间充质干细胞的大段、管状β-磷酸三钙材料分别在静态、反应器内常压灌注和间断低压灌注三种环境下培养4周。期间收集培养液检测葡萄糖日耗量、细胞活力(MTT比色法)、碱性磷酸酶比活性、骨桥蛋白水平,并进行硬组织切片检查。结果:色素颗粒洗脱实验证明,间断性低压可以改善低流量液流在材料内的分布;在培养2周和4周时,负压灌注组日均葡萄糖消耗量和细胞活力均显著高于常压灌注组:(t=20.254 P<0.05,t=64.794 P<0.05)及(t=17.586 P<0.05,t=7.583 P<0.05);碱性磷酸酶(ALP)比活性测定和骨桥蛋白水平(OPN)反映间断低压灌注组中骨髓间充质细胞向成骨细胞分化效率更高,但高峰相晚于常压灌注组和静态培养组;在间断低压灌注组中材料深部的占孔率最高,并且分布更均匀。结论:此新型灌注式生物反应器适用于构建大体积、特殊构型组织工程骨;其高效的促进细胞增殖效应可减少初始复合的种子细胞数量,缩短构建周期。     

利用脱细胞血管基质体外构建小口径组织工程血管

目的探讨利用犬的间充质干细胞诱导分化种子细胞,以异种脱细胞血管基质为基础体外构建小口径血管移植物。方法采用密度梯度离心和贴壁培养的方法从犬骨髓中分离出间充质干细胞并体外培养,诱导分化成内皮样细胞和平滑肌样细胞;采用非离子型去垢剂和胰蛋白酶去除猪颈动脉血管壁结构细胞,对脱细胞基质进行组织学、力学检测及孔隙率评估。在生物反应器内采用旋转种植的方法将犬骨髓间充质干细胞诱导的内皮样细胞种植到脱细胞基质上,体外构建小口径组织工程血管。结果犬的骨髓间充质干细胞体外能够定向诱导分化为平滑肌样细胞和内皮样细胞,可以作为血管组织工程的种子细胞。经过脱细胞处理后,光镜和电镜观察证实血管壁的细胞成分完全去除。具有良好的孔径和孔隙率。支架在生物力学、孔隙率等方面符合构建组织工程血管支架的要求。在生物反应器内剪切力条件下可以初步构建出组织工程血管。结论小口径血管移植物可以将间充质干细胞诱导种子细胞,以异种脱细胞血管支架作为基质,在搏动性生物反应器内培养的方法进行构建。     

生物反应器及其研究技术进展

阐述了生物反应器设计、放大的新理念及关键技术发展,并在此基础上综述了应用于生物技术产品生产的生物反应器的主要发展趋势,包括以代谢流分析为核心的生物反应器系统、基于计算流体力学模拟技术的传统发酵罐改良、微型生物反应器、动物细胞反应器和酶反应器。     

软骨基质来源定向结构支架复合软骨细胞体外构建组织工程软骨的研究

目的：探讨采用软骨细胞外基质材料制备的定向结构软骨支架复合软骨细胞,在体外静态培养条件下生成组织工程软骨的可能性。方法：制备牛关节软骨细胞外基质材料,利用温度梯度热诱导相分离技术构建具备垂直定向孔道结构的软骨支架,同时采用传统冷冻干燥方法制备非定向支架,检测两组支架的力学性能;提取兔关节软骨细胞,分别接种两组支架,体外静态培养2周及4周后取材,对构建的组织工程软骨进行组织切片染色、生物化学分析及生物力学检测。结果：定向软骨支架的压缩弹性模量数值明显高于非定向软骨支架,体外培养时定向支架上种子细胞在3-9d内增殖高于非定向支架,差异有统计学意义（P〈0．05）;体外静态培养4周后形成的两组新生组织工程软骨进行软骨特异性染色均呈阳性,在定向组新生软骨切片中在垂直方向上可见大量呈规则平行排列的粗大胶原纤维,两组新生软骨的生物化学检测包括总DNA、总GAG及总胶原含量差异无统计学意义（P〉0．05）。定向组织工程软骨压缩弹性模量在2周及4周时均高于非定向组织工程软骨,差异有统计学意义（P〈0．05）。但两组组织工程软骨上述指标均显著低于正常关节软骨（P〈0．05）。结论：软骨细胞外基质材料制备的定向结构软骨支架复合软骨细胞,在体外静态培养条件下能够成功生成具有定向纤维结构的组织工程软骨,并可以有效促进新生软骨组织力学性能的提升,在软骨组织工程中具有良好的应用前景。     

胶原蛋白-壳聚糖支架的构建及其与骨髓基质干细胞复合的实验研究

目的:构建一种组织工程神经支架,并观察体外培养的骨髓基质干细胞在其内部的生长情况,为后续种子细胞的移植提供阶段性实验数据.方法:以Ⅰ型胶原蛋白和壳聚糖为原料通过冷冻干燥技术制备神经支架,扫描电镜观察其内部结构,测量其孔径大小、孔隙率等指标.将体外培养的骨髓基质干细胞与Ⅰ型胶原蛋白-壳聚糖神经支架复合,共培养2天;扫描电镜观察细胞在支架内部的生长情况.结果:构建的神经支架均为圆柱状,内部为纵向平行排列的孔径均匀的微管样结构,细胞紧密贴附在支架微孔内壁上,细胞生长状况良好.结论:Ⅰ型胶原蛋白-壳聚糖支架具有良好的内部三维结构和生物相容性,可与细胞复合后用于修复周围神经缺损.     

纤维蛋白和高分子混合支架的研究及其对大鼠骨髓间充质干细胞增长的影响

通过混合纤维蛋白原和凝血酶溶液与不同量(0、1、2、4 mg)的PLGA无纺丝制得力学强度提高的生物混合支架,检测各组支架对大鼠骨髓间充质干细胞(rMSC)增长的影响.用扫描电镜观察各组支架都具有多孔且孔间相通的特性.根据收缩溶胀的测量,混入PLGA的纤维蛋白支架收缩率明显小于未混合PLGA的支架.检测各组的压缩模量,混合PLGA的支架压缩模量大于未混合的支架,其差异均具有统计学意义.选择具有多向分化潜能的rMSC在混合支架上的生长,进行DNA荧光检测法测得细胞增长值,在混合PLGA无纺丝1 mg的支架上rMSC增长效果最好.实验证明纤维蛋白混合三维支架维持原纤维蛋白支架内部多孔隙三维结构,而且增大了支架的力学强度,在一定程度上提高了骨髓间充质干细胞在支架上的增长,在组织工程中是具有潜力的细胞生长三维支架.     

骨碎补结合组织工程软骨促进软骨再生及其机理研究

目的:评估骨碎补在促进软骨再生治疗中的价值及作用机制。方法:选取健康新西兰大耳白兔100只,采用随机数值表法随机分为5组,每组包含20只实验动物。A、B组:改建后进行肾上腺髓质素(adrenomedullin,ADM)移植;C组:自体骨髓充质干细胞(MSCs)复合,并进行改建ADM移植;D、E组:进行h IGF-1基因转染的MSCs复合,并改建ADM移植。B、C、E组实验动物结合喂养40%骨碎补汤,每只每日150ml,用药4周。A、D组不结合使用口服骨碎补汤。每组均在第4、8、12w时处死5只实验动物,切取关节软骨缺损部位并进行组织学观察,采用Masson三色染色法评估软骨细胞的形态变化,采用Wakitani组织学评分进行各组间形态学比较。结果:E组实验动物关节软骨的表面有比较完整的潮线,大部分比较光滑,变薄区可见零散的浅淡着色的纤维组织。在第4、8、12周,各组Wakitani组织学评分逐渐下降,但结合骨碎补的B、C、E三组下降更为显著(P0.05),说明骨碎补可显著改善软骨组织缺损。结论:采用中药骨碎补结合工程软骨可以显著提高家兔膝关节软骨缺损修复的质量,为临床使用骨碎补治疗软骨病变提供了重要的依据。     

基于组织工程研究的可降解支架材料选择策略

目前,器官或组织移植是治疗器官衰竭或大范围组织缺损唯一长期有效的方法,但存在供体短缺、免疫排斥等问题。组织工程技术作为一种潜在的替代治疗方法,支架材料的选择是其中具有决定意义的组成部分。组织工程支架材料按其来源可分为天然及其改性修饰材料、人工合成与复合支架材料3种。组织工程目的就是修复临床上的病损组织或器官,并达到较理想的结构和功能的恢复。因此组织工程支架也必须从基本性质上具有一定的仿生化结构及功能,即"活"支架,这样才能彻底代替病损组织或器官。通过多种支架材料的优化组合(即材料的复合),对材料进行表面改性、制备工艺优化及添加细胞因子缓释微球等技术,模拟病损器官组织的特性及周围环境,有望打开组织工程的新局面。理想的组织工程支架应当以临床需要为根本目的,依靠材料学、分子生物学、工程学等多学科间的交叉研究,取各家之长,优化配比组合,达到仿生的目的。本课题组前期工作已经将骨髓间充质干细胞体外诱导分化为胆管上皮样细胞,并设计出左旋聚乳酸/聚己内酯共聚物(PLCL)胆道支架,内部混有包含生长因子的纳米缓释微球,供细胞因子的远期释放,支架内表面涂有基质胶/胶原混合层,且胶内加入bFGF、EGF,提供诱导因子的早期释放。将诱导细胞与PLCL胆道支架复合,制备组织工程胆管。文中综述了现存各类支架材料的研究状况,简单介绍了制备工艺、表面修饰等影响支架性能的因素,力求探索组织工程支架材料的选择策略。     

Ⅰ型胶原/聚己内酯/凹凸棒石复合支架材料体外诱导成骨的研究

目的:研究Ⅰ型胶原(ColⅠ)/聚己内酯(PCL)/凹凸棒石(ATP)复合支架材料的生物相容性及体外骨诱导性。方法:采用溶液浇铸-粒子滤沥法制备三种不同ATP含量(0% wt、10% wt、30% wt)的ColⅠ/PCL/ATP复合支架材料;将D1细胞与三种支架材料共培养,扫描电镜、鬼笔环肽和H&E染色、CCK-8法评价支架材料的生物相容性;D1细胞复合三种支架材料培养7天、14天、21天后RT-qPCR检测其成骨相关基因(Runx-2、Osterix、ALP、Col I、OPN、OC)的相对表达量,分别评价比较三种支架材料的成骨诱导效应。结果:SEM、鬼笔环肽和H&E染色显示D1细胞在三种支架材料表面均呈现良好的黏附;CCK-8结果显示,细胞在ATP含量30% wt的支架材料上增殖率显著高于其他两组,RT-qPCR检测结果显示,与0% wt、10% wt ATP相比,30% wt ATP组的Runx-2相对表达量在7天时显著升高, 14天、21天降低;ALP相对表达量在14天时显著升高,21天时显著降低;Osterix、Col I、OPN、OC的相对表达量随时间和ATP剂量的增加显著上调(P<0.05)。结论:ColⅠ/PCL/ATP复合支架材料具有良好的生物相容性及骨诱导性,有望成为一种理想的骨组织工程支架材料。     

骨髓间充质干细胞亲和肽MMP底物肽复合物的构建及其作为小分子药物载体的初步研究

为了探讨骨髓间充质干细胞亲和肽与基质金属蛋白酶（matrixmetalloproteinase,MMP）底物肽复合后作为小分子药物载体的可行性,采用噬茵体肽库技术,用分离培养的大鼠骨髓间充质干细胞（mousemesenchymalstemcells,MSCs）筛选噬菌体环七肽库,获得MSCs高亲和性多肽．合成FrrC（Frrc—CSTNPKVLC,FITC．P1）和生物素（Biotin—CSTNPKVLC,Bio-PI）标记的亲和肽,流式细胞术和ELISA方法检测其与MSCs的亲和性;将DAPI标记的MSC-Bio-P1复合物植入裸鼠肿瘤组织周围,检测复合物在体内的稳定性．将亲和肽与基质金属蛋白酶（matrixmetalloproteinases,MMPs）特异性底物肽（GPLGIAGQ）连接,合成FITC标记的亲和肽．底物肽复合物（FITC-Ahx-CSTNPKVLCGPLGIAGQ,FITC—P1-P2）,通过流式细胞术检测其对MSCs的亲和性,毛细管电泳方法检测MMP对FITC-P1-P2的酶切效果．结果表明,通过噬菌体肽库筛选获得的MSCs亲和肽,在体内外对MSCs均具有良好的亲和性和稳定性;亲和肽与底物肽的复合物（FTTC—P1-P2）对MSCs仍有较好的亲和性,并且能够被MMPs酶切．以上研究表明,MSCs亲和肽．MMP底物肽复合物（CSTNPKVLCGPLGIAGQ,P1-P2）可以作为MSCs与小分子药物相连的连接子,从而对MSCs作为小分子药物（如化学药物）载体的可行性提供了实验依据．     

间歇式轴向压应力对组织工程骨种子细胞的黏附增殖与成骨分化促进作用的研究

目的探究间歇式轴向压应力对组织工程骨种子细胞黏附、增殖与成骨分化能力的影响。 方法构建表达绿色荧光蛋白的兔骨髓间充质干细胞（rBMSCs）作为示踪种子细胞,运用旋转细胞培养仪将松质骨支架和种子细胞共培养7 d获得组织工程骨（TEB）,实验组在第7 ~ 14天施加大小10 N、频率1 Hz、4 h/d的间歇式轴向压应力刺激,对照组常规培养,14 d后胰酶消化法获取两组种子细胞并比较其黏附、增殖和成骨分化能力。采用两组独立样本t检验进行统计学分析。 结果（1）流式细胞术显示rBMSCs被成功提取分离。（2）倒置荧光显微镜及扫描电镜显示TEB中种子细胞与支架相容性良好。（3）活体荧光成像系统及扫描电镜显示应力刺激组种子细胞的生长状况要优于非应力刺激组,前者平均荧光密度及细胞数/500倍视野均大于后者,差异均具有统计学意义（平均荧光密度：（3.75±0.34）×10⁸ vs （2.91±0.22）×10⁸,t = 2.90,P = 0.04;细胞数/500倍视野：30.50±4.43 vs 21.00±5.13,t = 3.14,P = 0.01）。（4）细胞黏附实验显示,应力刺激组种子细胞的75%细胞贴壁时间短于非应力刺激组,两组时间分别为（3.00±0.41）h、（13.33±1.70）h,差异具有统计学意义（t = 8.20,P < 0.01）,前者的最终细胞贴壁率高于后者（99.97%±0.34% vs 85.83%±1.18%）,差异具有统计学意义（t = 11.31,P < 0.01）。（5）CCK-8检测显示,在培养第48 ~ 96 h,应力刺激组种子细胞的增殖能力优于非应力刺激组,将两者的450 nm吸光度值在第48小时（0.49±0.02、0.40±0.02）、72 h（0.76±0.07、0.64±0.04）和96 h（1.58±0.07、1.34±0.13）分别进行比较,差异均具有统计学意义（t = 5.15、2.57、2.86,P均< 0.01）。（6）在成骨诱导14 d后,应力刺激组种子细胞的ALP和Ca结节染色阳性率要强于非应力刺激组：两组ALP染色阳性率分别为26.73%±4.56%、16.68% ± 3.89%,差异具有统计学意义（t =3.33,P = 0.03）;两组Ca结节染色阳性率分别为41.81%±3.56%、27.40% ± 2.35%,差异具有统计学意义（t = 3.68,P = 0.02）。 结论间歇性轴向压应力可促进组织工程骨种子细胞的黏附、增殖与成骨分化。     

超临界流体发泡技术制备BMP-2-PLLAms/FGF-2-nHA/PLGA复合支架及体外成骨诱导效应研究

本研究将左旋聚乳酸微球(PLLAms)与纳米羟基磷灰石/聚乳酸-羟基乙醇酸(nHA/PLGA)多孔支架复合,构建可次第释放不同生长因子的骨组织工程支架.首先,制备载骨形态发生蛋白2的左旋聚乳酸微球(BMP-2-PLLAms),然后将微球与nHA/PLGA及碱性成纤维细胞生长因子2(FGF-2)按照一定的比例混合,通过超临界流体发泡制备BMP-2-PLLAms/FGF-2-nHA/PLGA复合支架.制备的BMP-2-PLLA载药微球呈规则球形,粒径分布在6~10μm之间,BMP-2载药量为1.45×10-3%,包封率为61.9%,制备的BMP-2-PLLAms/FGF-2-nHA/PLGA复合支架孔径为100~200μm,孔隙率为75.8%,抗压强度为6.8 MPa,8周降解率为19.9%.7天时,FGF-2和BMP-2的累计释放率分别为77.1%和44.2%;14天时,FGF-2和BMP-2的累计释放率分别为84.9%和61.5%.大鼠骨髓间充质干细胞(BMSCs)的成骨诱导实验证明复合支架中释放的BMP-2和FGF-2能够持续有效地刺激BMSCs的增殖和分化,具有良好的生物活性.BMP-2-PLLAms/FGF-2-nHA/PLGA复合支架有效实现了FGF-2和BMP-2的次第释放,且能够显著地促进BMSCs的成骨分化.