人关节软骨源性海绵的制备和评估

doi:10.3969/j.issn.1673-8225.2010.41.005

摘要/Abstract

摘要：

背景：关节软骨损伤后的修复是目前骨科领域的难点之一，组织工程的发展应用为关节软骨损伤的修复展示了诱人前景，然而理想的支架却是组织工程软骨的成功构建的关键。
目的：制备人关节软骨源性海绵，为组织工程软骨提供合适的新型支架。
方法：应用人关节软骨制备人关节软骨源性海绵。应用扫描电镜观察对人关节软骨源性海绵进行大体和微观观察，观察人关节软骨源性海绵在紫外线照射前后的抗离散情况，并采用压汞法测定其孔径和孔隙率。
结果与结论：人关节软骨源性海绵的抗离散性能良好，孔径大小在100~200 μm，孔隙分布均匀，孔隙率为92%。结果表明人关节软骨源性海绵具有良好的结构和孔隙率，可作为软骨组织工程支架。

关键词: 关节软骨, 海绵, 支架, 组织工程, 胰蛋白酶

Abstract:

BACKGROUND: The repair of articular cartilage remains one of the most challenging topics in orthopedic research. Tissue engineering may be a promising way to restore functional hyaline cartilage of joints. Scaffold is one of the main elements in tissue engineering.
OBJECTIVE: To prepare human articular cartilage-derived sponge so as to provide a novel cartilage tissue engineering scaffold.
METHODS: Human articular cartilage-derived sponge was prepared using human articular cartilage. Human articular cartilage derived sponge was investigated by scanning electron microscope. Its porosity was detected by mercury intrusion porosimetry, and average pore diameter was determined by using scanning electron microscope image analysis system.
RESULTS AND CONCLUSION: Human articular cartilage-derived sponge presented with good anti-discreteness, with 100- 200 μm pore diameter and 92% porosity. Human articular cartilage derived-sponge possessed the characteristics that afford it as a potential scaffold for cartilage tissue engineering.

中图分类号:

R318

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参考文献

引言

材料方法

讨论

目前，已有多种生物材料被制备成不同结构的支架，按照来源不同，可将其分为合成高分子材料和天然材料两大类。与合成材料相比，天然材料的生物相容性良好，有利于种植其上的软骨细胞的生长和增殖^[4] 。因此，研制新型拟生态的支架材料是组织工程支架材料的趋势之一。国外有人把硫酸软骨素与I型胶原或壳聚糖复合^[4-5] ，模拟软骨基质富含糖胺多糖的环境，结果发现这类支架有利于软骨细胞保持表型、细胞增殖和基质合成。软骨特异性细胞外基质成分如Ⅱ型胶原和糖胺多糖，不论体外或体内，在调节软骨细胞表型和支持软骨发生方面都起关键作用，Ⅱ型胶原是对软骨细胞的发生、分化和迁移具有重要的诱导作用^[5] ，有利于关节软骨的再生，而糖胺多糖可促进软骨细胞的黏附和扩增^[6-8] 。人关节软骨源性海绵是关节软骨源性微载体聚集而成，关节软骨源性微载体以Ⅱ型胶原为主，含有少许糖胺多糖^[9] ，与软骨细胞有体外相容性良好^[10] ，因此，人关节软骨源性海绵应是非常理想的组织工程软骨支架。
从材料科学和工程学角度来看，组织可被认为由细胞和细胞外基质组成的细胞合成物。细胞外基质不仅为软骨细胞的增殖、代谢、基质合成和组织形成提供了立体环境，还为细胞信号传导和细胞间相互作用起媒介作用，而细胞合成它们独特的细胞外基质。在组织工程中，人工细胞外基质，即临时支架，可作为模板引导新生组织的生成，为细胞生长提供适宜的微环境，有利于种子细胞的黏附生长，维持细胞的分化状态，不影响细胞的增殖^[6] 。支架的设计应主要考虑载体材料的构型。如孔径尺寸、孔隙之间的连通性、材料内部的表面积等等。基质材料上的开孔有利于水分、无机盐以及其它营养物质和细胞代谢产物的运输和交换，从而更有利于细胞的正常生长和生理代谢^[3] 。因此，为了进行多层细胞的体外培养，如何制备三维多孔结构的细胞载体已成为材料科学研究的热点。
支架的孔径尺寸和孔隙率是评定支架好坏的标准之一，如果孔径尺寸太小，细胞难以进入支架内部，仅仅在材料表面生长，表面细胞密度过高，细胞分泌基质后，迁移受限，不利于细胞的进一步扩增。如果孔径太大，细胞加载困难，大部分细胞将流失，细胞在孔内缺乏支撑或依附，无法均匀生长^[5] 。作者曾成功制备人关节软骨脱细胞基质，但其孔隙率太低^[11] 。关节软骨源性海绵的孔径大小在100~200 μm，孔隙分布均匀，孔隙率为92%，符合理想的组织工程支架的要求。
为增强关节软骨源性海绵的力学性质，有必要对其进行进一步交联。增强材料交联方法通常有两种，一种是使用物理方法，如紫外线交联法；另一种为化学方法，如戊二醛交联法^[12] 。戊二醛是一种化学固定试剂，对细胞的毒性很大，考虑到残留的戊二醛所可能引起的细胞毒性，近年来人们已逐渐转向研究其它的交联方法^[12-14] 。研究已经证实紫外线照射交联法可以降低胶原的降解速率、提高力学性能^[15] 。基于以上原因，本实验选择了紫外线照射交联法。把关节软骨源性海绵在紫外线灯下直接照射8 h即可，该方法安全、方便、价廉。经抗离散实验证实经过紫外线照射交联的关节软骨源性海绵的抗离散性能得到明显增强。
综上所述，本实验成功制备了人关节软骨源性海绵，其具有良好的结构和孔隙率，可作为软骨组织工程支架。在随后的实验中，本课题将研究人关节软骨源性海绵构建组织工程软骨的可行性。　　

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