华盛顿州立大学
华盛顿州普尔曼——华盛顿州立大学研究团队正致力于开发一种与天然软骨高度相似的人工软骨，其独特配方可在制备过程中实时校正。
包括康奈尔大学合作者在内的研究人员已在《ACS生物材料科学与工程》期刊发表此项成果。
"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，"该研究通讯作者、基因和琳达·沃伊兰德化学工程与生物工程学院教授伯尼·范维表示。
在美国老龄化人口中，膝、肩、髋关节问题日益凸显。随着年龄增长，活动关节周围软骨逐渐退化，当前主要采用止痛药或需漫长恢复期的侵入性关节置换手术进行治疗——美国每年为此承担约1400亿美元的医疗费用。由于软骨缺乏血管系统，与人体其他受伤组织不同，它无法实现自我修复。
近年来，研究人员已能从患者体内提取细胞，在体外特殊胶原基质支架上培养软骨，这些支架可增强组织合成与润滑性能，但所得材料质地偏软——类似于鼻耳部位的海绵状软骨，因此仅适用于微小损伤修复。
膝髋关节的天然软骨是一种厚度仅2-4毫米的超薄材料，由三层独立结构组成：附着于骨骼的底层具有垂直纤维结构极为坚硬；中间层负责吸收关节冲击力；表层则具备润滑、光滑且柔韧特性，非常适合膝髋关节的屈伸运动。
华盛顿州立大学科学家使用骨髓干细胞开发了人工软骨。（华盛顿州立大学照片）
在概念验证研究中，华盛顿州立大学团队开发出一种生物反应器，利用骨髓干细胞培养具有位置特异性的软骨组织。研究人员采用表面剪切力（一种物理作用力）引导干细胞定向生长。当流体通过锥形生物反应器时，表面剪切力随之变化，促使细胞在特定区域生成更柔韧的软骨，而在其他区域形成更坚硬的结构。
"我们在反应器中创建了梯度环境，使不同位置生成不同特性的软骨，"范维解释道。
研究团队成功证明，通过调控施加于细胞的力学刺激，可生成具有不同特性与强度的软骨区域，部分区域已接近天然软骨的三层结构特征。
作为项目组成部分，研究人员还开发了独特反馈机制。软骨制备过程中的常见问题在于干细胞可能错误转化为骨细胞而非软骨细胞。为此，团队引入荧光蛋白监测系统：当细胞生成骨质材料时，特定蛋白会发出红光，研究人员即可采取措施抑制错误基因表达；若反应器正常运行，另一蛋白则会为软骨生成发出绿光。
我们并非仅提供固定配方并寄望其奏效——而是开发出能在实时过程中动态校正的制备方案。
伯尼·范维，教授
华盛顿州立大学
"我们的目标不仅是制造三层软骨结构，更是在制备全程实施纠正性反馈，"范维强调，"我们提供的是能在实时过程中动态校正的制备方案。"
目前，研究人员正深入探究压力环境对干细胞生长转化的影响。除软骨外，该技术在韧带、心肺、肾脏、肝脏及神经组织等其他组织工程领域也展现出广阔应用前景。
近期获得博士学位的特里尔·罗伯逊担任《ACS生物材料》论文第一作者。除范维外，华盛顿州立大学研究成员还包括沃伊兰德化学工程与生物工程学院的董文吉、大卫·蒂森、帕坎帕特·蓬迪波诺特和内森·卡利什，机械与材料工程学院的阿尔达·戈曾和亚历克·舒勒，以及兽医学院分子生物科学学院的瑞安和伊沃娜·德里斯克尔。团队还与康奈尔大学生物工程学院的拉里·博纳萨尔和萨勒曼·马坦开展合作。该研究获得美国国家科学基金会"定向分化编码可重复细胞和类器官"（RECODE）项目资助。
【全文结束】
