組織工程化軟骨基質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的相關(guān)研究.pdf

1、軟骨組織由于自身修復(fù)能力弱，其缺損修復(fù)一直是目前臨床治療的一大難題。組織工程軟骨的研究為修復(fù)關(guān)節(jié)軟骨的病變開辟了新途徑，目前已有在體外成功構(gòu)建組織工程化軟骨，并修復(fù)動物體內(nèi)關(guān)節(jié)軟骨缺損的文獻報道。但是軟骨組織工程的優(yōu)勢和最終目的是在體外構(gòu)建具有良好生物功能的軟骨，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)以造福更多患者。在組織工程軟骨進入生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)化和大規(guī)律臨床使用之前，很多關(guān)鍵問題尚未解決，其中主要的問題有：1.組織工程化人工軟骨與正常人軟骨在生化結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能上

2、有何異同點，其形成過程與轉(zhuǎn)歸與正常軟骨發(fā)育過程是否相似?2.在體外形成人工軟骨是否能最終達到臨床所需的力學(xué)性能，其結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)是什么?3.體內(nèi)外微環(huán)境及力學(xué)刺激對于人組織工程軟骨組織生化結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響如何?這些基本理論都是在進入臨床實踐與組織工程軟骨產(chǎn)業(yè)化之前需解決的問題，且目前未見這些問題的系統(tǒng)文獻報道。
　　 帶著上述問題，我們應(yīng)用組織工程技術(shù)建立了一系列體內(nèi)外實驗，主要研究體內(nèi)、體外形成的組織工程化軟骨力學(xué)性能及其與基質(zhì)

3、組成、結(jié)構(gòu)的相關(guān)性，比較其與正常軟骨組織在形態(tài)和功能上的差距，并深入探討了體外構(gòu)建軟骨力學(xué)性能較弱的生化結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和改善要點，主要內(nèi)容包括以下幾方面：
　　 1.體內(nèi)外環(huán)境對人組織工程化軟骨力學(xué)特性的影響
　　 方法收獲流產(chǎn)后人胚胎軟骨細胞，在體外擴增后接種第二代細胞于聚羥基乙酸/聚乳酸(Polyglycolic acid/Polylactic acid，PGA/PLA)材料上，構(gòu)建四周后分為體內(nèi)、體外兩組。分別于分組6周

4、和12周后取材并進行大體觀察、組織學(xué)和力學(xué)性能檢測，并與正常軟骨相比較。結(jié)果利用第二代人胚胎軟骨細胞體外構(gòu)建組織工程軟骨后，能在體內(nèi)外均形成透明軟骨組織。體內(nèi)植入軟骨12周后軟骨外觀近似天然成人軟骨，壓縮彈性模量達到成人關(guān)節(jié)軟骨的84％；而體外形成的軟骨，外觀類似胎兒軟骨，彈性模量僅為正常成人的7.3％。小結(jié)人組織工程軟骨體外構(gòu)建后植入動物體內(nèi)能促進其形態(tài)和功能的成熟，體現(xiàn)了從幼稚軟骨到成熟軟骨轉(zhuǎn)變過程，類似正常胎兒軟骨發(fā)育。體內(nèi)外環(huán)境

5、中形成的組織工程軟骨力學(xué)性能有顯著性差異。
　　 2.組織工程化軟骨力學(xué)性能的生化結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)
　　 方法體外構(gòu)建人組織工程軟骨并分別在體內(nèi)外培育，取材后進行組織學(xué)、細胞外基質(zhì)成分定量分析、電鏡觀察等檢測，比較體內(nèi)外人工軟骨及天然軟骨在基質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)上的差異，最后做力學(xué)性能與各特異性基質(zhì)成分的相關(guān)性分析。結(jié)果體外形成的人工軟骨在基質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)上與體內(nèi)形成軟骨及天然軟骨差異顯著，而體內(nèi)植入12周后的人工軟骨從超微結(jié)構(gòu)、ECM含

6、量及基因表達方面均接近成人軟骨。各種定量檢測中，總膠原含量、Ⅸ型膠原含量、交聯(lián)吡啶諾林(Pyridinoline，PYR)含量、膠原直徑與力學(xué)性能的變化顯著相關(guān)(p＜0.05)。小結(jié)體外組織工程軟骨抗壓力學(xué)性能不足的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)主要是軟骨中總膠原含量、IX型膠原及膠原交聯(lián)含量不足從而導(dǎo)致膠原纖維結(jié)構(gòu)異常。其中PYR和Ⅸ型膠原含量不足以有效聯(lián)結(jié)膠原分子形成粗大膠原纖維可能是最重要的機制。
　　 3.體外力學(xué)刺激對組織工程化軟骨結(jié)構(gòu)和力

7、學(xué)特性的影響
　　 方法將人軟骨細胞-材料復(fù)合物分為體外離心培養(yǎng)、體外靜態(tài)培養(yǎng)組，6周后觀察兩實驗組成軟骨情況，并檢測力學(xué)性能及與力學(xué)性能相關(guān)指標(biāo)的變化。結(jié)果體外構(gòu)建的人工軟骨在規(guī)律離心力持續(xù)作用6周后，力學(xué)性能明顯增強(p＜0.01)，同時可見各型膠原蛋白基因表達增強，總膠原含量、IX型膠原含量及PYR含量等都較靜態(tài)培養(yǎng)組高(p＜0.01)。透射電鏡下膠原纖維較靜態(tài)培養(yǎng)組連接更為纖長和緊致，近似胎兒關(guān)節(jié)軟骨。小結(jié)離心力刺激能通

8、過增加與力學(xué)性能密切相關(guān)的總膠原、IX型膠原及PYR等細胞外基質(zhì)的合成，改善其膠原纖維結(jié)構(gòu)，最終促進體外培養(yǎng)工程化軟骨的力學(xué)性能。
　　 綜上所述，本研究結(jié)果明確人組織工程化軟骨與正常人軟骨在形成過程、結(jié)構(gòu)與功能的異同處，闡明體內(nèi)外環(huán)境和力學(xué)刺激對組織工程化軟骨基質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響，詳盡探討了體外組織工程化軟骨力學(xué)性能較弱的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。這些問題的解決將有助于指導(dǎo)和優(yōu)化體外構(gòu)建技術(shù)，改善體外形成的組織工程化軟骨結(jié)構(gòu)和生物功