丝素蛋白的构象与结晶性

对丝素分子链的化学组成、构象和基本晶型作了简介 ,重点探讨丝素膜改性过程中链构象及晶型转变的规律以及与丝素膜力学性能的关系。

压缩载荷下软骨细胞/复合支架的三维培养

背景:前期研究利用低温生物3D打印技术制备了丝素蛋白/Ⅱ型胶原蛋白复合支架,并证明其具有良好的力学性能;研究表明,力学刺激有利于骨骼重塑,并且梯度变化的加载应变有利于成骨细胞和破骨细胞的活化。目的:在压缩应变下,将丝素蛋白/Ⅱ型胶原蛋白复合支架与软骨细胞共培养,观察细胞增殖变化,并观察丝素蛋白/Ⅱ型胶原蛋白复合支架修复软骨缺损的效果。方法:采用低温3D打印技术制备丝素蛋白/Ⅱ型胶原蛋白复合支架,检测支架的孔隙率。将第3代小鼠软骨细胞ADTC-5接种于丝素蛋白/Ⅱ型胶原蛋白复合支架上,分别进行静态培养与力学载荷下培养:(1)静态培养:设置空白支架为对照,接种1,3,5,7,10,14d,采用MTT法检测细胞增殖;(2)力学载荷下培养:设置空白支架为对照,接种1 d后,对细胞-支架复合物分别施加0%,1%,5%,10%,15%,20%的压缩应变,持续加载3 d,采用MTT法检测细胞增殖,扫描电镜和苏木精-伊红染色观察支架上的细胞分布、黏附和形态。在新西兰兔双侧膝关节制作直径3.5mm的软骨缺损,左侧植入丝素蛋白/Ⅱ型胶原蛋白复合支架,右侧不植入材料,术后8周观察修复部位。结果与结论:(1)支架孔隙率为(89.3±3.26)%,有利于细胞附着;(2)静态培养5d后,软骨细胞在复合支架表面增殖良好;(3)施加0%,1%,5%,10%,15%,20%压缩应变组支架上的细胞增殖先升高后降低,其中施加10%压缩应变组细胞增殖效果最显著,施加20%压缩应变组增殖效果最低;(4)扫描电镜可见,施加0%压缩应变组软骨细胞多分布在支架表面有凹凸的地方,细胞形态明显,细胞触角伸展充分;施加10%压缩应变组支架受力接触表面上的软骨细胞极少,甚至没有,支架上首层侧面和内部表面细胞分布较多,细胞形态多为扁平状,触角明显;(5)苏木精-伊红染色显示,施加0%压缩应变组软骨细胞集中分布在支架表面,孔隙中几乎没有细胞;施加10%压缩应变组软骨细胞分布在支架孔隙内;(6)未植入支架的缺损处仍为圆形缺损模型,没有明显修复;植入支架的缺损处出现了类似透明软骨,但与周边缺损软骨没有发生粘连结合,新生的类透明软骨独立存在;(7)结果表明,在10%压缩应变作用下,软骨细胞在丝素蛋白/Ⅱ型胶原蛋白复合支架上增殖良好;丝素蛋白/Ⅱ型胶原蛋白复合支架可用于修复软骨缺损。

人工软骨支架层间的力学性能

背景:软骨组织工程修复是一个修复软骨缺损的重要方法,软骨组织工程丝素蛋白/Ⅱ型胶原支架具有良好的生物相容性,这种黏弹性材料兼有固体的特性和液体特性,其层间的微观力学性能与细胞培育密切相关。目的:掌握支架宏观载荷与层间微观作用力之间的关系,控制宏观载荷数值,使支架内部达到最适合细胞增殖的载荷状态。方法:设计丝素蛋白/Ⅱ型胶原空白支架的压缩应力松弛实验,使用实验数据拟合黏弹性本构方程后构建支架有限元模型,对实验过程仿真计算,获取支架层间的力学状态。结果与结论:①支架的各层受力分布在1.185-3.305N,各层受力均随时间的增长而逐步减小,并最终收敛;②支架每一层的位移随着层数的增加而增加,这说明从支架底层的位移开始叠加每一层的位移量,最终导致位移量随着支架层数的上升而递增;③支架各层间的应变数值在1.82×10^-2-4.47×10^-2区间内,这个区间可以直接体现组织培养过程中对种子细胞最佳的压缩状态;④当支架宏观发生10%应变时,各层的应变值分布在2%-7%这一数值范围;当支架宏观发生5%应变时,各层应变值分布在1%-2%;当支架宏观发生20%应变时,各层应变值分布在8%-18%;通过对比得出:4%-7%为细胞增殖的最优应变量。

3D打印丝素蛋白-Ⅱ型胶原软骨支架

运用三维制图软件Solidworks设计了软骨支架宏观结构,采用3D打印技术和冷冻干燥技术制备了丝素蛋白-Ⅱ型胶原软骨支架。通过实验测试了支架的密度、孔隙率和弹性模量;在支架上接种软骨细胞后,采用MTT法、HE染色和扫描电镜观察3种方法分析了细胞在支架上的增殖和形态。结果显示,丝素蛋白-Ⅱ型胶原软骨支架弹性模量具有率相关性,即随着应变率增加,支架的弹性模量增大;支架的密度和孔隙率分别为(0.086 6±0.008 4)g/cm3和(89.3±3.26)%。支架接种细胞培养7 d后,细胞生长增殖加快;HE染色观察发现,细胞在表层区生长最多,深层区最少;扫描电镜观察发现,支架孔径形状规则,通透性较好,细胞多分布于孔壁表面。