骨软骨组织工程仿生梯度支架研究进展

骨软骨缺损是导致关节发病和残疾的重要原因,骨软骨组织工程是修复骨软骨缺损的方法之一。骨软骨组织工程方法涉及仿生梯度支架的制造,该支架需模仿天然骨软骨组织的生理特性(例如从软骨表面到软骨下骨之间的梯度过渡)。在许多研究中骨软骨仿生梯度支架表现为离散梯度或连续梯度,用于模仿骨软骨组织的特性,例如生物化学组成、结构和力学性能。连续型骨软骨梯度支架的优点是其每层之间没有明显的界面,因此更相似地模拟天然骨软骨组织。到目前为止,骨软骨仿生梯度支架在骨软骨缺损修复研究中已经取得了良好的实验结果,但是骨软骨仿生梯度支架与天然骨软骨组织之间仍然存在差异,其临床应用还需要进一步研究。本文首先从骨软骨缺损的背景、微尺度结构与力学性能、骨软骨仿生梯度支架制造相关的材料与方法等方面概述了离散和连续梯度支架的研究进展。其次,由于3D打印骨软骨仿生梯度支架的方法能够精确控制支架孔的几何形状和力学性能,因此进一步介绍了计算仿真模型在骨软骨组织工程中的应用,例如采用仿真模型优化支架结构和力学性能以预测组织再生。最后,提出了骨软骨缺损修复相关的挑战以及骨软骨组织再生未来研究的展望。例如,连续型骨软骨仿生梯度支架需要更相似地模拟天然骨软骨组织单元的结构,即力学性能和生化性能的过渡更加自然地平滑。同时,虽然大多数骨软骨仿生梯度支架在体内外实验中均取得了良好的效果,但临床研究和应用仍然需要进行进一步深入研究。

体外构建壳聚糖/β-甘油磷酸钠/明胶仿生梯度支架

针对软骨特定结构缺损后不能自我修复的特点,通过调控单层原料质量比,构建具有复杂分层结构的壳聚糖/β-甘油磷酸钠/明胶(chitosan/β-sodium glycerophosphates/gelatin,Cs/GP/Gel)仿生复合梯度支架。通过对比物理性能优选适宜比例的支架材料,并将骨髓间充质干细胞(bone marrow mesenchymal stem cells,BMSCs)接种到梯度支架上考察其生物相容性。结果表明,Cs/GP/Gel复合梯度支架具有良好的吸水性能[(584.24±3.79)%^(677.47±1.70)%]、孔隙率[(86.34±5.10)%^(95.20±2.86)%]和降解性能[(86.09±2.46)%^(92.48±3.86)%]。扫描电镜(SEM)结果表明,支架材料在纵向维度呈现出明显的生理分层结构和孔径梯度渐进性,可有效模拟真实软骨的天然生理分层结构。比例为9:1:5的Cs/GP/Gel复合梯度支架适于作为骨软骨的支撑材料。对BMSCs-支架复合物Live/Dead染色后发现,细胞在梯度支架材料上存活、分布及伸展良好。该仿生梯度支架为开发新型生物医用材料提供了重要依据。