华盛顿州立大学的一个研究团队正在致力于创造一种与天然软骨相似的人工软骨，其配方可以在制作过程中进行调整。该研究人员包括康奈尔大学的合作者，他们在《ACS生物材料科学与工程》杂志上报告了他们的工作。
"我们的工作为设计能够生成三层软骨结构的系统奠定了基础，"该研究的通讯作者、基因和琳达·沃伊兰德化学工程与生物工程学院的教授伯尼·范维(Bernie Van Wie)说。
修复软骨的挑战
在美国日益老龄化的人口中，膝盖、肩膀和臀部问题日益增多。随着人们年龄增长和关节周围软骨退化，最常见的治疗方法是止痛药或侵入性关节置换手术，后者需要漫长的恢复时间——在美国每年的费用约为1400亿美元。软骨没有血管，因此，与身体其他受伤部位不同，它无法自我修复。
近年来，研究人员从患者身上采集细胞，在独特的胶原基质支架上体外培养软骨，这些支架可以改善组织合成和润滑，但所得材料较软——类似于鼻子或耳朵中的海绵状软骨。因此，其使用仅限于非常小的修复。
膝盖和臀部的天然软骨是一种非常薄的材料，厚度约为2-4毫米，由三层组成。附着在骨头上的软骨非常坚硬，具有垂直纤维，而中间层则吸收关节中的冲击力。最后，表面层具有润滑性、光滑且可弯曲，非常适合膝关节和髋关节的弯曲。
开发用于软骨生长的生物反应器
在他们的概念验证工作中，华盛顿州立大学的研究人员开发了一种生物反应器，该反应器使用骨髓中的干细胞来生长具有位置依赖性特性的软骨。研究人员使用表面剪切力（一种物理力）来促使干细胞以特定方式生长。当流体通过锥形生物反应器时，表面剪切力的量会变化，这促使细胞产生在一个位置更灵活而在另一个位置更坚硬的软骨。
"我们在反应器中创建了一个梯度，因此根据你所在的位置，我们可以获得不同类型的软骨，"范维说。
研究人员能够证明，他们可以根据施加在细胞上的力来生产具有不同特性和强度的软骨，其中一些区域更接近模仿天然软骨的三层结构。
添加反馈机制以获得更好的结果
作为该项目的一部分，研究人员还在开发一种独特的反馈机制。生产软骨的一个问题是，有时干细胞最终会变成骨细胞而不是制造软骨的细胞。研究人员正在添加荧光蛋白，因此如果细胞正在制造骨质材料，一种蛋白会闪红光，可以采取纠正措施来抑制不需要的基因。如果反应器正常工作，另一种蛋白会为软骨生产闪绿光。
"因此，我们的目标不仅是制造这种三层软骨，而且是在过程继续的同时进行纠正性反馈，"范维说。"这不像我们有一个配方并希望它能起作用——相反，我们提供了一个可以在实时过程中即时纠正的配方。"
研究人员目前正在研究将干细胞置于压力下如何影响其生长和转化。除了软骨之外，这项工作还可能在其他组织工程领域有应用，例如韧带、心肺、肾脏、肝脏或神经组织。
更多信息：Terreill J. Robertson等人，《渐变流体剪切环境对间充质基质细胞软骨生成命运的影响》，《ACS生物材料科学与工程》(2025)。DOI: 10.1021/acsbiomaterials.5c01183
由华盛顿州立大学提供
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