构建关节软骨的滚压加载装置

背景:通常使用的加载装置或反应器有灌流式生物反应器、液压系统、直接动态压缩装置、剪切系统、拉伸装置或其中部分的组合。以上每一种载荷单独作用都没有实现软骨功能化培养,但即使是这几种的组合也不足以表征软骨的力学状态,构建的软骨功能与天然软骨仍有较大差距。目的:首次提出和研制了一种用于关节软骨构建的滚压加载装置,并在滚压加载条件下分析软骨的受力状态。方法:该装置包括滚动控制系统和压缩调节机构。滚动控制系统通过步进电机、丝杠控制辊子滚动速度,由齿轮和齿条啮合形成辊子纯滚动,辊子能够以均匀速度滚过培养物。压缩调节机构通过楔形滑块的相对滑动可以保证工作面平行升降,从而可以对培养物产生均匀、可调的压缩量。结果与结论:该装置对培养物提供了滚压的力学条件,使培养物处于动态压缩变形和剪切变形的复合加载过程。在滚压的力学条件下,有限元分析表明培养物受到复杂力学状态。培养物浅表层受到交替出现的压力、拉应力;中层在滚动方向平面内应力与表面有一定夹角,角度由-45°～+45°呈周期变化;深层处应力都为压应力,与3个坐标轴方向接近。该装置的加载运动方式与关节的运动方式一致,滚压加载可能有利于功能化关节软骨结构、功能的构建。

关节软骨体外构建力学环境的研究进展

很多物理因素都影响软骨组织的生长和发育,其中力学因素起主要作用。软骨的生长、发育是力学调控的适应过程。当前采用多种力学条件应用于软骨生物反应器,如流体剪应力、液体压力、直接压缩等,或其中部分组合,但这些条件还没有构建出与活体软骨结构-功能相匹配的人工软骨。如果一种载荷能适合构建软骨,那么这种载荷首先能保证培养物内部信号分子、营养和废物的有效运输;其次,能对支架内种子细胞特定的力学刺激;第三,能促进培养物结构-功能的发展。本文回顾、分析当前多种力学条件的作用效果,其中流体剪应力、液体压力、拉伸、直接压缩或变形剪应力都是软骨受力状态的部分体现。作者认为滚压载荷是软骨培养的合适力学环境,它是当前多种力学条件的一个综合指标,对软骨培养物可以形成纵向的动态压缩和横向的动态变形剪应力,并且有利于细胞新陈代谢物质的运输,因此,滚压环境可能是人工软骨结构-功能构建的发展方向。

生物反应器在关节软骨体外构建中的应用

近年来,关节软骨退变或缺损的修复仍是临床治疗的热点及难点,尽管临床上尝试了许多新的治疗手段,但远期效果仍不理想。当前,软骨组织工程在种子细胞、支架材料、调节因子、组织构建等方面已取得了巨大的进展。