Functionalized Hydrogels for Articular Cartilage Tissue Engineering

Articular cartilage(AC)is an avascular and flexible connective tissue located on the bone surface in the diarthrodial joints.AC defects are common in the knees of young and physically active individuals.Because of the lack of suitable tissue-engineered artificial matrices,current therapies for AC defects,espe-cially full-thickness AC defects and osteochondral interfaces,fail to replace or regenerate damaged carti-lage adequately.With rapid research and development advancements in AC tissue engineering(ACTE),functionalized hydrogels have emerged as promising cartilage matrix substitutes because of their favor-able biomechanical properties,water content,swelling ability,cytocompatibility,biodegradability,and lubricating behaviors.They can be rationally designed and conveniently tuned to simulate the extracel-lular matrix of cartilage.This article briefly introduces the composition,structure,and function of AC and its defects,followed by a comprehensive review of the exquisite(bio)design and(bio)fabrication of func-tionalized hydrogels for AC repair.Finally,we summarize the challenges encountered in functionalized hydrogel-based strategies for ACTE both in vivo and in vitro and the future directions for clinical translation.

Expression of Transforming Growth Factor β_1 in Mesenchymal Stem Cells: Potential Utility in Molecular Tissue Engineering for Osteochondral Repair

Summary: The feasibility of using gene therapy to treat full-thickness articular cartilage defects was investigated with respect to the transfection and expression of exogenous transforming growth factor (TGF)-β 1 genes in bone marrow-derived mesenchymal stem cells (MSCs) in vitro. The full-length rat TGF-β 1 cDNA was transfected to MSCs mediated by lipofectamine and then selected with G418, a synthetic neomycin analog. The transient and stable expression of TGF-β 1 by MSCs was detected by using immunohistochemical staining. The lipofectamine-mediated gene therapy efficiently transfected MSCs in vitro with the TGF-β 1 gene causing a marked up-regulation in TGF-β 1 expression as compared with the vector-transfected control groups, and the increased expression persisted for at least 4 weeks after selected with G418. It was suggested that bone marrow-derived MSCs were susceptible to in vitro lipofectamine mediated TGF-β 1 gene transfer and that transgene expression persisted for at least 4 weeks. Having successfully combined the existing techniques of tissue engineering with the novel possibilities offered by modern gene transfer technology, an innovative concept, i.e. molecular tissue engineering, are put forward for the first time. As a new branch of tissue engineering, it represents both a new area and an important trend in research. Using this technique, we have a new powerful tool with which: (1) to modify the functional biology of articular tissue repair along defined pathways of growth and differentiation and (2) to affect a better repair of full-thickness articular cartilage defects that occur as a result of injury and osteoarthritis.

Research Progress of Osteochondral Composite Scaffolds in Tissue Engineering Cartilage Repair

Repair and regeneration of articular cartilage has always been a major challenge in the medical field due to its peculiar structure(e.g.sparsely distributed chondrocytes,no blood supply).Cartilage tissue engineering is one promising strategy for cartilage repair,however,one critical issue for cartilage tissue engineering is the integration between tissue-engineered and native cartilage.In recent years,osteochondral tissue engineering has attracted growing interest for overcoming this problem.Herein,we review the development of osteochondral tissue engineering.Firstly,currently used seed cells in osteochondral tissue engineering will be described.Secondly,several types of scaffolds and their(dis)advantage for osteochondral tissue engineering will be introduced.Thirdly,the growth factors currently used in osteochondral tissue engineering will be presented and discussed.

Molecular Tissue Engineering: Applications for Modulation of Mesenchymal Stem Cells Proliferation by Transforming Growth Factor β_1 Gene Transfer

The effect of transforming growth factor β 1 (TGF β 1 ) gene transfection on the proliferation of bone marrow derived mesenchymal stem cells (MSC S ) and the mechanism was investigated to provide basis for accelerating articular cartilage repairing using molecular tissue engineering technology. TGF β 1 gene at different doses was transduced into the rat bone marrow derived MSCs to examine the effects of TGF β 1 gene transfection on MSCs DNA synthesis, cell cycle kinetics and the expression of proliferating cell nuclear antigen (PCNA). The results showed that 3 μl lipofectamine mediated 1 μg TGF β 1 gene transfection could effectively promote the proliferation of MSCs best; Under this condition (DNA/Lipofectamine=1μg/3μl), flow cytometry and immunohistochemical analyses revealed a significant increase in the 3 H incorporation, DNA content in S phase and the expression of PCNA. Transfection of gene encoding TGF β 1 could induce the cells at G0/G1 phase to S1 phase, modulate the replication of DNA through the enhancement of the PCNA expression, increase the content of DNA at S1 phase and promote the proliferation of MSCs. This new molecular tissue engineering approach could be of potential benefit to enhance the repair of damaged articular cartilage, especially those caused by degenerative joint diseases.

Advanced hydrogels for the repair of cartilage defects and regeneration

Cartilage defects are one of the most common symptoms of osteoarthritis(OA),a degenerative disease that affects millions of people world-wide and places a significant socio-economic burden on society.Hydrogels,which are a class of biomaterials that are elastic,and display smooth surfaces while exhibiting high water content,are promising candidates for cartilage regeneration.In recent years,various kinds of hydrogels have been developed and applied for the repair of cartilage defects in vitro or in vivo,some of which are hopeful to enter clinical trials.In this review,recent research findings and developments of hydrogels for cartilage defects repair are summarized.We discuss the principle of cartilage regeneration,and outline the requirements that have to be fulfilled for the deployment of hydrogels for medical applications.We also highlight the development of advanced hydrogels with tailored properties for different kinds of cartilage defects to meet the requirements of cartilage tissue engineering and precision medicine.

Applications of Polypeptide Hydrogels in Cartilage-Regeneration Engineering

Articular cartilage defects are considered to be associated with the development of osteoarthritis.Research on relevant tissue regeneration is important in the treatment of osteoarthritis.The scaffolds applied incartilage regeneration should have good histocompatibility and mechanical properties,as well as no cytotoxicity,and promote the proliferation and differentiation of seed cells.Different combinations of peptide sequences inpolypeptide hydrogels endow them with unique characteristics including excellent biodegradability and accuratesimulation of the extracellular matrix of chondrocytes to maintain the stability of the chondrogenic phenotypeand facilitate articular hyaline cartilage regeneration.Thus,the application of polypeptide hydrogels for cartilage regeneration has a bright future.In this study,the research progress of polypeptide hydrogels used incartilage-regeneration engineering is systematically reviewed.The characteristics,limitations,and prospects ofthese materials are evaluated.

纳米复合水凝胶在骨关节炎治疗中的优势与特征

背景:纳米复合水凝胶在骨关节炎治疗中有很大的研究前景和应用潜力。目的:综述纳米复合水凝胶在骨关节炎及软骨修复中的研究进展。方法:检索中国知网和PubMed等数据库,英文检索词为“nanocomposite hydrogel,nanogel,osteoarthritis,cartilage,physical encapsulation,electrostatic interaction,covalent crosslinking”,中文检索词为“纳米复合水凝胶,纳米水凝胶,骨关节炎,软骨,物理包覆,物理包载,静电作用,共价交联”。根据纳入与排除标准对所有文章进行初筛后,保留相关性较高的71篇文章进行综述。结果与结论:在细胞或动物实验中,纳米复合水凝胶具有改善骨关节炎的效果。纳米复合水凝胶可以从改善关节间力学环境、搭载靶向药物、促进种子细胞软骨化等方面加速软骨修复,改善骨关节炎症内环境,达到治疗骨关节炎的目的。目前纳米复合水凝胶在骨关节炎疾病中的研究仍有巨大的发挥空间,继续深入材料制备研究,积极开展细胞、动物实验将有望为临床治疗骨关节炎开辟新途径。

可视化分析关节软骨修复领域的研究热点与趋势

背景:由于关节软骨的自我修复能力非常有限,自然退变或创伤等引起的关节软骨缺损往往无法自行修复,进而引发或加重骨关节炎,甚至导致严重残疾,因此关节软骨损伤的修复治疗已成为临床上亟待解决的问题。目的:运用文献计量学方法分析归纳关节软骨修复领域的研究热点及发展趋势。方法:从Web of Science核心合集中检索2000-2023年关节软骨修复的相关文献,运用VOSviewer、Citespeace和Bibliometrix R-package进行文献计量与可视化分析。结果与结论:关节软骨修复领域年度发文量总体呈现上升趋势,美国、中国、德国是发文量前三的国家,研究机构集中于大学和医院,哈佛大学、纽约特种外科医院、上海交通大学是发文量前三的机构。《AMERICAN JOURNAL OF SPORTS MEDICINE》是出版该领域研究文献最多的期刊,《BIOMATERIALS》则是该领域被引次数最多的期刊。“Injectable hydrogels for cartilage and bone tissue engineering”是近10年间发表的被引次数最多的文献,发文量最多的作者是Madry Henning,该领域的活跃作者相互之间形成了多个结构稳定的研究团队,不同团队间的合作有待进一步加强。关节内注射、胫骨高位截骨、水凝胶、药物递送、炎症、软骨再生及支架是当前该领域研究的热点内容,3D打印技术、生物墨水、蚕丝蛋白、可注射水凝胶、外泌体等在关节软骨修复中的应用可能是该领域研究前沿。整合各种创新技术和方法以实现更有效、持久且功能性的关节软骨再生和修复,并通过开展更多高质量的临床研究以促进相关技术和方法的临床转化可能是该领域未来的研究趋势。

可注射壳聚糖水凝胶在骨修复中的研究进展

骨折后延迟愈合及骨不连仍是临床工作中的一大挑战。传统自体骨移植及同种异体骨移植在骨修复治疗中存在诸多缺点,可注射水凝胶的出现为骨修复研究提供了新的选择。壳聚糖是常见的可注射水凝胶聚合物之一,壳聚糖及其衍生物的生物降解性、生物相容性、细胞黏附性、机械性能、抗菌活性等可通过材料以及交联方式的选择进行调整和改进。该文就可注射壳聚糖水凝胶的交联方式、特性和设计进展进行综述。

可注射温固化支架复合异体软骨细胞修复关节软骨缺损的初步研究

目的探讨可注射性温固化凝胶壳聚糖-甘油磷酸钠(C-GP)复合同种异体软骨细胞在体内形成透明软骨和注入关节腔后修复关节软骨缺损的可行性和有效性。方法将预制的壳聚糖和甘油磷酸钠按一定体积比制成混合液,实验组为支架复合同种异体软骨细胞,设单纯支架和生理盐水为两组对照。注入成年兔的背部皮下和预制关节软骨缺损的关节腔内,复合物在体内37℃形成凝胶,术后4、8、12周分别行大体、组织学(HE、TB)、Ⅱ型胶原免疫组织化学观察,并进行Wakitani评分。观察其体内成软骨和填充并修复关节缺损效果。结果液态C-GP复合物注入体内可形成凝胶,实验组皮下生长4周,组织学观察示典型的透明软骨样结构且分泌基质;C-GP复合细胞注入关节腔可很好地填充关节缺损,并于4周后开始形成透明软骨样结构且表面平整与宿主整合良好,组织学切片上可见类软骨形成并分泌甲苯胺蓝异染的软骨基质和软骨特异性Ⅱ型胶原。结论可注射性C-GP复合软骨细胞体内可形成具有一定形态功能的类软骨组织,能够应用于微创技术再生修复软骨的缺损。

采用温敏性壳聚糖水凝胶体外构建组织工程化软骨的实验研究

目的验证自行制备的温敏性壳聚糖水凝胶作为软骨细胞支架材料构建组织工程化软骨的可行性。方法以壳聚糖、β-甘油磷酸钠和羟乙基纤维素为原料,制备温敏性壳聚糖水凝胶,通过SD大鼠肌内注射植入,进行组织相容性检测。在此基础上,将其与软骨细胞复合构建组织工程化软骨,观察软骨细胞在壳聚糖水凝胶中的存活情况,并于体外培养3周后,作相关组织形态学检测。结果制备的壳聚糖水凝胶具有温度敏感性,即室温时为液态,37℃时10～15min可发生交联反应成为固态凝胶。SD大鼠肌内注射不同时间点组织相容性检测表明,该材料具有良好的组织相容性,植入体内2、4周时有少量炎性细胞浸润,6周时材料降解明显,8周时已经基本降解。采用该材料构建的组织工程化软骨体外培养3周后取材,通过组织学检查,HE染色可观察到软骨陷窝样结构,甲苯胺蓝染色、番红O染色及免疫组化染色结果显示软骨细胞具有分泌细胞外基质的功能。结论本研究自行制备的温敏性壳聚糖水凝胶材料具有良好的组织相容性,将其与软骨细胞复合后,可以在体外再造组织工程化软骨,是一种有广泛应用前景的软骨组织工程支架材料。

TGF-β_1基因修饰的间充质干细胞/仿生基质材料复合移植修复兔关节软骨缺损

目的 :探讨转化生长因子 β1(TGF β1)基因转染间充质干细胞 (MSCs)能否提高关节软骨缺损的修复质量和远期疗效。方法 :把组织工程学与分子生物学有机结合 ,体外将具有促进MSCs增殖分化、抑制多种炎性介质活性及免疫排斥反应等多重生物学效应的TGF β1基因转入关节软骨组织工程首选种子细胞MSCs,并与涂覆多聚赖氨酸的聚DL乳酸可降解多孔仿生基质材料复合移植 ,修复同种异体兔关节软骨缺损。以单纯空载体转染MSCs为对照 ,通过组织学、电镜及免疫组化等方法检测。结果 :转基因细胞 /仿生基质材料体外复合培养扫描电镜观察证实TGF β1基因修饰的MSCs增殖分化活性明显优于对照组。体内实验组织学及透射电镜结果显示实验组新生组织为透明样软骨 ,关节面平整 ,软骨下骨完全再生 ,与宿主骨软骨结合紧密 ,未见免疫排斥反应 ;对照组则新生软骨质量欠佳 ,与宿主骨整合欠佳 ,有不同程度的免疫排斥反应。免疫组化结果显示转基因细胞可继续表达TGF β1至少 4周以上。结论 :利用分子组织工程学 ,使TGF β1持续高效发挥作用 ,使提高关节软骨缺损、特别是创伤和骨关节炎关节软骨缺损的修复质量和远期疗效成为可能。

体外构建可注射性组织工程软骨的初步研究

目的利用关节软骨细胞复合壳聚糖-磷酸甘油(ch itosan/glycerophosphate,C/GP)凝胶,体外构建可注射性组织工程软骨,为微创方式治疗关节软骨缺损提供依据。方法以体外培养扩增的兔关节软骨细胞为种子细胞,以自制温固化可注射C/GP凝胶为支架,按5×107/m l细胞浓度复合体外培养。于倒置显微镜下观察细胞形态与分布,四甲基偶氮唑盐(MTT)法计算培养1周时种子细胞存活率,培养4周时样本进行组织学及扫描电镜观察。结果软骨细胞在7∶1(体积分数)C/GP凝胶中保持球形,细胞存活率95%以上;HE染色可见软骨较为典型的陷窝样结构、软骨囊及同源细胞群等现象;甲苯胺蓝异染及免疫组化Ⅱ型胶原染色呈强阳性。结论软骨细胞在C/GP凝胶中可存活并保持分泌软骨基质的功能,形成类软骨组织。温固化可注射性C/GP凝胶能作为软骨组织工程的载体材料。

应用同种异体组织工程软骨修复关节软骨缺损观察

目的用胶原蛋白和人血纤维蛋白混合物为载体支架在体外进行软骨细胞三维立体培养,构建人工软骨组织,利用此人工软骨修复关节软骨缺损。方法取2周龄兔关节软骨,经消化、分离的软骨细胞体外培养。培养第3周时,进行免疫组织化学分析;利用培养3周的人工软骨对异体成兔的关节软骨损伤进行修复。结果培养物内软骨细胞均得到较好存活,形成软骨陷窝,出现同源性细胞簇,分泌软骨基质;DNA和糖胺多糖(GAG)在培养第24天时达到高峰,分别为(5.18±0.19)、(214.3±2.8)μg/块;对异体关节软骨损伤的移植修复结果良好,在12周时,移植物与周边正常组织结合紧密、齐高,移植的软骨细胞趋于柱状排列,为透明软骨组织。结论用胶原蛋白和人血纤维蛋白为载体支架体外培养软骨细胞,可构建较大的组织工程软骨,能较好地修复同种异体关节软骨缺损。

转化生长因子β_1基因修饰的间充质干细胞/仿生基质材料的体外复合培养

目的 探讨转化生长因子β_1(TGF-β_1)基因转染对间充质干细胞(MSCs)增殖分化的影响，评价涂覆多聚赖氨酸(PLYS)的聚DL乳酸(PDLLA) 仿生基质材料能否作为关节软骨组织工程学研究的支架材料。方法 将组织工程学与分子生物学有机结合，体外将具有多重生物学效应的TGF-β_1基因转入关节软骨组织工程首选种子细胞--间充质干细胞（MSCs），并与表面涂覆PLYS的PDLLA可降解三维多孔基质材料体外复合培养。以单纯空载体转染MSCs为对照，通过扫描电镜等方法观察种子细胞的粘附、增殖及分化等情况。结果 基质材料孔隙率为88%，其中孔径为150～200μm的有效孔占80%。所有细胞均能很好地粘附于基质材料上，其中TGF-β_1基因修饰的MSCs增殖分化活性明显优于对照组。结论 利用分子组织工程学原理可使TGF-β_1持续高效发挥作用，使提高关节软骨缺损的修复质量和远期疗效成为可能。涂覆PLYS的PDLLA仿生基质材料不仅具有良好的生物相容性和结构相容性，而且具有更好的表面相容性和生物学活性，在一定程度上解决了细胞-基质材料之间存在的界面不相容问题，是关节软骨缺损修复的良好基质材料。

组织工程软骨修复兔关节软骨缺损的初步研究

目的 探讨运用组织工程软骨植入修复兔胫骨平台外侧髁全关节软骨浅层缺损的可行性。 方法 取 2周龄乳兔软骨细胞体外培养传代至第 3代后 ,与人胎盘 型胶原蛋白海绵复合后植入成年兔的胫骨体平台外侧髁浅层完全软骨缺损区 ,并设立空白对照组 ,分别于术后 4、12和 2 4周取材 ,观察修复效果。 结果 实验组术后 4周缺损表面未见明显的新生软骨形成 ;12周 ,缺损表面有少量的新生软骨形成 ,组织学切片上可见软骨细胞呈边缘不规则的 ,小蜂窝状结构 ,软骨细胞周围有软骨陷窝形成 ;2 4周 ,缺损表面的新生软骨较 4、12周的新生软骨明显 ,表面光滑 ,且与周围组织结合紧密 ,但仍存在部分缺损尚未修复。组织学切片上可见软骨陷窝形成 ,并分泌甲苯胺蓝异染的软骨基质。而对照组则均未见明显的修复。 结论 制成的组织工程软骨对兔胫骨平台软骨浅层完全缺损有修复作用 ,但不能完全修复缺损。

ADSCs-壳聚糖/明胶水凝胶工程化软骨的三维动态构建

组织工程软骨的体外构建被认为是一种有希望治疗关节软骨缺损的有效途径。为评估载脂肪干细胞(Adipose-derived stem cells,ADSCs)壳聚糖/明胶水凝胶支架,在体外动态构建组织工程软骨相对传统静态培养的优势,本研究用壳聚糖/明胶制备了软骨仿生支架,并检测其物理性质。在制备的水凝胶支架上以1×107cells/m L密度接种ADSCs后,分别置于转瓶及T-瓶的软骨诱导基中培养两周,通过试剂染色、代谢检测和电镜观察,考察了细胞的软骨分化能力、活性、生长分布、渗透深度、增殖及胞外基质分泌情况。结果表明,壳聚糖/明胶支架的平均孔径为118.25±19.51μm,孔隙率为82.60±2.34%,吸水率为361.28±0.47%,弹性模量为61.2±0.16 k Pa,具有良好生物相容性。ADSCs生长状态良好,可向软骨细胞分化,适于作为组织工程软骨构建的种子细胞。表征结果显示,转瓶内水凝胶支架中细胞蛋白多糖的表达更显著,细胞生长分布更加均匀,细胞外基质分泌基本填满整个支架。因此,转瓶载壳聚糖/明胶支架所提供的三维动态环境,是体外构建组织工程软骨的良好方法。

异体软骨细胞复合Pluronic修复关节软骨缺损

目的 探讨运用同种异体软骨细胞复合 Pluronic修复关节软骨缺损的可行性 ,并应用 3H- Td R放射自显影方法鉴别软骨缺损修复的细胞来源。 方法 取同种异体软骨细胞体外培养至第 2代 ,用 3H- Td R标记后复合Pluronic植入兔关节软骨缺损区作为实验组 ,并采用单纯Pluronic植入作为材料对照组 ,不作任何处理组为空白对照组 ,分别于 4、8及 16周取材 ,观察其修复效果 ,并应用放射自显影方法鉴别修复组织的细胞来源。 结果 实验组术后 8周 ,缺损表面可见新生软骨形成 ,术后 16周缺损完全修复 ,表面光滑 ,与周围界限模糊 ,放射自显影证实所修复组织的细胞来源于植入细胞。材料对照组及空白对照组缺损均未见明显修复。 结论 1同种异体软骨细胞复合 Pluronic修复关节软骨缺损是可行的 ;2 3H- Td R标记细胞可作为鉴别细胞来源的一种简便可行的方法。

骨髓基质细胞源性软骨细胞修复兔全层关节软骨缺损

目的 观察体外诱导骨髓基质细胞 (MSCs)源性软骨细胞在兔股骨滑车关节面全层软骨缺损修复中的作用。 方法 高密度传代培养第 3代诱导 MSCs分化为软骨细胞 ,以酸溶性 型胶原为载体 ,两者混合后形成凝胶样植入物 (细胞浓度为 5× 10 6 / ml)。于 36只新西兰大耳白兔一侧股骨滑车关节面造成 3mm× 5 mm全层关节软骨缺损 ,凝胶样植入为实验侧 ;另一侧分别为单纯胶原植入组 (18个膝关节 )和空白对照组 (18个膝关节 )。术后 4、8、12、2 4、32和 4 8周取材观察缺损修复情况及新生组织的类型。参照 Pineda标准对新生组织评分。 结果 实验侧术后 4周 ,植入细胞类似软骨细胞 ,周围有异染基质 ,形成透明软骨样组织 ;8周 ,深层有软骨下骨形成 ,软骨细胞层较正常关节软骨厚 ;12周 ,新生软骨厚度减小 ,与正常软骨相近 ,细胞呈柱状排列 ,结构与正常关节软骨相似 ,软骨下骨形成 ,潮线恢复 ;2 4周 ,新生软骨厚度较正常薄 ,约占 5 5 % ,表面平整 ,潮线附近仍有肥大的软骨细胞 ;32周 ,潮线附近无肥大软骨细胞 ;4 8周 ,组织结构与 32周时基本相同 ,为类透明软骨。 Pineda评分 2 4、32和 4 8周间无差异 ,与 4周比较有统计学意义 (P<0 .0 5 )。实验组 2～ 4 8周期间关节功能良好。单纯胶原组与空白对照组缺损无修复 。

聚羟基丁酸酯-羟基戊酸酯支架复合同种异体软骨细胞修复关节软骨缺损的实验研究

目的:探讨聚羟基丁酸酯-羟基戊酸酯(PHBV)三维多孔材料作为软骨组织工程支架的可行性及有效性。方法:采用"压片-热处理-粒子析出技术"制备PHBV多孔支架。体外分离培养软骨细胞后接种到PHBV支架体外培养4周,期间扫描电镜观察细胞在支架上的生长情况,然后与单纯PHBV支架同时植入兔膝关节软骨缺损区继续培养4、8、12周后取材,分别行大体、组织学、Ⅱ型胶原免疫组化观察。进行Wakitani评分,观察其体内修复关节缺损效果。结果:电镜观察示软骨细胞在支架上黏附、增殖良好并能分泌细胞外基质,组织学观察示PHBV支架浅层有新生软骨组织形成,于4周后开始形成透明软骨样结构且表面基本平整与宿主整合良好,组织学切片上可见类软骨形成并分泌甲苯胺蓝异染的软骨基质和软骨特异性Ⅱ型胶原。结论:PHBV可以作为软骨组织工程支架材料,能够用于再生修复软骨的缺损。