软骨组织工程生物反应器的应用:进步,限制,和未来的观点

文摘

组织工程(TE)为关节软骨再生带来了新的希望,TE可以提供本地组织的结构和功能的替代品。TE的基本元素包括支架、种子细胞,生化和生物力学刺激。然而,也有一些TE的局限性;最重要的是,静态细胞培养支架不能模拟生理环境所需的发展自然软骨。最近,生物反应器被用来模拟物理力学环境的开发过程中关节软骨。本文旨在提供一个概览的概念,分类,应用生物反应器为软骨TE强调各种生物反应器系统的设计。

1。介绍

关节软骨的再生(AC)的一个挑战在再生医学由于其再生能力差(1,2]。自然的交流是一个复杂的层次结构与四层:无血管的表面区域,中间地带,深区,钙化区(3]。这些区域有不同的生化成分、软骨细胞表型和生理特征直接相关的机械负荷的影响和生理环境(4,5]。目前临床治疗策略主要包括关节镜清创,微裂缝,和自体骨软骨移植,在一定程度上可以促进组织恢复,但再生组织的质量和长期的修复效果不令人满意1,6,7]。

对AC再生组织工程带来了新的希望,因为它可以提供本地组织的结构和功能的替代品(8,9]。组织工程的基本要素包括支架、种子细胞,生化和生物力学刺激10,11]。根据种子细胞的存在,支架可分为细胞支架和支架(游离12]。有很多研究三维多孔生物可降解支架结构对软骨细胞或间充质干细胞(MSC)播种(13,14]。然而,有许多的局限性梗塞部位支架,其中最重要的是,静态细胞培养支架不能模拟生理环境所需的发展自然软骨(15]。例如,除了提供氧气和营养不均,缺乏相关的机械刺激引起增殖和分化和减少导致细胞不均匀分布。最佳AC修理、梗塞部位的组织工程支架应在结构上和功能上类似于正常的交流,和周围的生理环境,它们会影响软骨形成应该建模(16,17]。环境包括静水压力;流体剪切力;微重力;声波;磁场;和生化条件,如pH值、二氧化碳,和警察乙水平;温度;和生长因子。因此,传统的细胞培养技术不能满足交流组织工程的需求,和复杂的生物反应器最近被用来模拟物理力学环境影响软骨形成(3,18,19]。生物反应器是强大的动态文化模型系统,可以应用化学、机械、电气、和/或磁刺激研究的基本机制相关的生理条件下细胞功能在种子细胞和促进组织的正确发展20.,21]。

本文的目的是总结的生物反应器应用于关节软骨组织工程(问题)。详细介绍了常见的类别和生物反应器的重要设计原则。此外,我们将讨论生物反应器之间的组合和一些技术,如3 d打印技术和微载体。随后,我们考虑问题的挑战和未来前景生物反应器。

2。常见的生物反应器

理想的生物反应器应该有一些必要的功能,包括促进种子细胞的扩张,促进营养和氧气的交换,并提供适当的物理化学刺激(16,19]。目前,最常见的类型的生物反应器是转轮的玻璃瓶,旋转血管壁和灌注系统(19]。此外,随着问题的发展,一些新型生物反应器提供非接触生物力学加载设计,如磁生物反应器和超声生物反应器。这些生物反应器的应用程序(如表所示1)旨在模拟复杂的生理和生物力学环境在交流3]。

2.1。转轮烧瓶(SFs)

一个科幻小说是一个圆柱形的文化系统,包括两个武器用来移除树桩和底部搅拌系统混合培养基(图1(一))19,22]。支架主要是挂在瓶的顶部用针或线程。科幻生物反应器可以创建流体对流和流体动力学,提高养分效率的交付和播种的细胞支架。此外,大量研究表明,SFs可用于AC交流组织形成组织工程和细胞功能19,23]。例如,Yoon等人用SFs文化软骨形成人类ADSCs (hADSCs),这是诱导对球体和大规模chondrogenic分化形成。结果表明,chondrogenic体外分化和随后chondrogenic形成体内hADSCs球形文化系统是增强与单层培养。因此,科幻小说被发现促进hADSCs chondrogenic分化实验,及其功能的大型文化交流组织工程细胞也被验证(24]。在另一项研究中,徐等人应用SFs与软骨细胞海藻酸凝胶珠的播种。建议3 d动态文化可以提供一个合适的系统支持软骨细胞的分化和再分化23]。

尽管SFs存在一些优势的媒介与静态文化相比,交付的程度远远不够,产生的剪切力液体也可以影响细胞。

2.2。旋转壁血管(RWVs)

RWVs由一对同心圆柱体:旋转外缸保持支架或细胞和内缸静态和用于气体交换(图1(b))19,22]。与转轮烧瓶,RWVs创建一个微重力环境,并提供控制氧气运输,以及低剪切力和动荡。例如,朱镕基等人开发了一个cell-hydrogel软骨构建在动态RWV。结果表明,RWVs的传质效率大于静态培养条件的实现最终的平衡(25]。在另一项研究中,Nordberg等人研究了如何模拟微重力和环静水压力调节软骨细胞内稳态,特别关注这些机械刺激LRP4/5/6表达的影响,这已被证明是必不可少的骨形成和吸收之间保持平衡。他们模拟大鼠软骨肉瘤细胞(RCS)颗粒循环静水压力下(1赫兹,7.5 MPa, 4小时/天)或模拟微重力RWV生物反应器。实验结果表明,RCS粒子的增长是由机械刺激,LRP4/5/6在软骨细胞的表达影响下环静水压力或微重力26]。然而,当细胞的密度和规模达到一定级别后,细胞之间的碰撞,内部和外部的墙壁RWV是不可避免的。碰撞可能产生大的剪切应力,可能会破坏细胞组织工程。

2.3。灌注生物反应器

如上所述,SFs和RWVs并不能够有效地注入介质脚手架。克服所描述的局限性,流灌注用于AC的再生。灌注生物反应器使用泵系统来满足介质直接支架。其中大部分是由泵、文化媒体水库,油管电路和灌注筒,支架(图1(c))20.,21]。灌注筒是最重要的一个组件,需要定制根据支架,使介质的属性可以被直接注入支架,而不是流动。此外,支架也需要有高度连接孔。最近,许多灌注生物反应器开发并应用于组织工程软骨。例如,Theodoridis等人准备了一个多孔3 d打印的PCL支架和种子脂肪msc。然后,支架在一个静态的文化和灌注生物反应器培养,结果表明,动态文化青睐chondrogenic分化,取得了比静态文化渗透的细胞在支架(27]。此外,Pigeot等人用灌注生物反应器文化人类间充质干细胞(hMSCs)播种在胶原海绵和显示大量apoptosis-devitalized肥厚性软骨细胞外基质(ECM)可以使用生物反应器系统工程(28]。

2.4。磁性生物反应器

上面提到的三个生物反应器主要在宏观范围内使用机械刺激,如静水压力、剪切力、拉伸力和压缩力,直接应用到组织或细胞的支架来指导行为。刺激和缺点的限制是小范围的开放文化条件。因此,微尺度mechanobiological等技术研究了磁力。最近的研究发现,磁场影响细胞,组织,和整个生物体,包括透明软骨的细胞外基质的形成,牛软骨细胞增殖,蛋白多糖的合成(29日,30.]。磁场生物反应器是有利的,因为他们可以满足无菌培养条件的要求由非接触式文化(31日,32]。其中大部分是由一个或一组永磁体,影响细胞的行为通过静态或动态磁场的优点(图1(d))。此外,先进的磁生物反应器设计根据物理原理描述平移和旋转运动的磁性粒子,铁磁流体,设计和材料在磁场33]。例如,布兰迪等人构建一种新型高通量生物反应器磁力刺激。验证试验表明,该生物反应器为研究人员提供了一个独特的平台研究电的联合效应现象和机械刺激(32]。在另一项研究中,然而,Dikina等人研究一个变量的永久磁铁磁场生物反应器由用于scaffold-free文化、高密度hMSC表,结果表明,生物反应器并没有增强软骨形成的电池只表。因此,应该进行更多的研究来验证软骨形成的增强能力以应对磁场(31日]。

2.5。超声生物反应器

超声波刺激也被证明在某些情况下影响细胞生长。特别是,低强度连续超声(美国)可以调节chondrocyte-specific基因的表达(34,35]。传统的超声生物反应器是实现通过添加一个超声处理系统。随着技术的发展,各种超声生物反应器设计。萨勃拉曼尼亚等人设计了一个代表US-assisted生物反应器(图1(e))。他们放置板持有人保留six-well板与支架上方的传感器阵列。操纵一个定制的分配器允许超声(美国)信号的所有井压力相同配置文件。这个装置是用于刺激软骨细胞的维护。测试表明,该生物反应器对细胞增殖有积极影响,软骨细胞的生存能力,和选择标记基因表达(36]。在另一项研究中,Thakurta等人放置在同一US-assisted chondrocyte-seeded支架生物反应器,它提供的共振频率(~ 5.0 MHz)。结果表明,COL2A1 / COL1A1比率,信使rna能,Sox-9的表达升高而控制(34]。

hADSCs:人类脂肪干细胞;RCS:老鼠的软骨肉瘤细胞;hBM-MSCs:人类骨骨髓来源间充质基质细胞;PCL:聚已酸内酯。

3所示。考虑种子细胞生物反应器的设计

作为一个动态和静态相结合的三维细胞培养装置,生物反应器可以模拟软骨体内的微环境,并提供适当的外部条件建设的组织工程软骨通过调节种子细胞的生物物理因素。在本节中,在不同的生物物理因素和生物反应器的最新发展的详细描述设计元素方面的氧气浓度、机械刺激和非接触物理刺激(如表所示2),这将为生物反应器的设计提供一定的参考。

3.1。氧气

软骨已经暴露于相对较低水平的氧气在胚胎发育的初始阶段。因此,研究已经进行软骨形成氧张力的作用。众多研究表明,软骨体外的生化成分更类似于自然组织培养在缺氧条件下(37,38]。因此,它是必要的,以确定生物反应器设计的标准化的氧浓度。越来越多的证据表明,低氧张力(促进细胞增殖的39),提高chondrogenic分化能力(40),并增加迁移能力(41),但抑制成骨分化(42]。然而,并非所有的软骨细胞从缺氧中获益。肯恩等人表明,缺氧,而有利于articular-derived软骨形成,是有害的对于auricular-derived软骨形成在同等条件下(43]。

Gruenloh等人发现低氧(3.0%氧气)治疗促进人类胚胎干细胞的体外迁移(hESC) H9 (H9-MSCs),细胞迁移效率显著强于为证,在常氧条件下(5.0%二氧化碳/环境O2) (44]。Boyette等人发现缺氧治疗(5%氧气)的人类SDSCs阻止衰老感应,就是2.70 -fold-lower ( )P16的表达水平低氧tension-tissue工程软骨(LOT-TEC)。他们还发现,缺氧促进细胞增殖和增强chondrogenic分化(40]。迈耶等人通过直接比较表明,低氧条件比动态压缩更强有力的prochondrogenic刺激(45]。相比之下,有报道称严重缺氧的负面影响骨髓间充质干细胞的增殖和分化(BM-MSCs)。这可能是因为警察乙太低,BM-MSCs必须放慢他们的差异化通过分子机制46]。这就是为什么我们需要选择更准确的氧张力条件生物反应器模拟关节内的环境。

毫无疑问,氧浓度文化是一个非常重要的参数。通过控制氧气生产浓度在生物反应器中,细胞的命运可以控制在所需的方向。

3.2。机械刺激

机械刺激起着重要的作用在生物反应器的种子细胞的基因表达。种子细胞在支架不能达到相同的生物力学和组织学特性自然交流组织没有机械刺激。在本节中,机械刺激是分为三种类型:静水压力(HP),剪切和压缩力量(CFs)(图2)根据不同压力范围和方向机械负载的问题。此外,我们总结了机械转导机制和生物反应器的设计适用于不同的机械刺激交流组织工程。最后,一些最新的研究进展进行了探讨。

3.2.1之上。静水压力

关节腔内的滑液膝关节和髋关节不仅提供了必要的营养物质,还可以润滑关节表面。在人类的日常活动,交流受到的表面组织和细胞在液体环境中流体剪切力和惠普。因此,体液中不可或缺的生物力学条件的建设问题。Vunjak-Novakovic等人提出,生物反应器中的水动力条件可以提高ECM的插科打诨和胶原蛋白的分泌软骨细胞形态和规范,组织工程软骨的机械和机电属性(47]。

惠普是最常见的机械刺激的液体环境。内源性AC熊断断续续的惠普,这是人类运动过程中产生。组织和细胞受到压缩部队在惠普的统一的范围和多个方向。惠普在交流的范围大约是5 - 6 MPa在散步,可以达到18 MPa在跑步和跳48]。此外,惠普频率伴随人类行走节奏,通常不超过1 Hz [49]。因此,在HP-related生物反应器的设计,惠普的范围和频率应控制在高于正常生理范围内尽可能多。因为惠普基本上不剪切或变形组织,惠普ECM的伤害是最小的所有机械刺激关节。近年来,惠普的研究一直是一个热门话题领域的组织工程软骨,它被认为是最重要的机械负荷(50]。惠普越来越被研究者公认为一个有效的方法培养和刺激软骨细胞单层、三维(3 d)工程结构,以及外植体(51]。

对于惠普生物反应器的设计,主要有两种方法,应用HPs细胞:外植体和结构。在外植体,惠普传送液体压力通过压缩的气相介质。自加压介质中的氧张力变化的气体被压缩,有一些限制惠普在外植体的施工方案。结构的其他方法只适用于高压液相通过压缩,这可以防止氧的溶解度在中改变,在压缩期间的压力不会改变。这种方法不能用于检查惠普对问题在不同氧含量的影响。构造方法通常涉及连接一个充满液体的腔活塞在一个可控的液压机通过软管(51]。惠普这两种不同类型的应用程序都有自己的优点和缺点,和研究人员可以选择一个或另一个基于惠普实验是否需要结合氧气分压的变化。

通过元分析,霍德等人得出的结论是,静态惠普的反应时间超过2周在生理范围内的介质和高软骨(≤5 - 10 MPa)是一种理想的组织工程化软骨条件产生大量的蛋白聚糖(52]。在另一项研究中,陈等人发现,惠普的刺激为0.12 MPa 1 h /天4天可以显著改善BMSC分泌软骨基质的功能在兔子BMSC /脉冲重复频率(富含血小板纤维蛋白)构造过程中软骨细胞分化[53]。同样,循环惠普(0.5赫兹,5 MPa, 4 h 1周/天)被发现显著改善hBMSCs chondrogenic分化能力的软化骨基质支架(54]。惠普是一个机械载荷,可以很容易地应用于大型建设工程软骨由于其均匀影响软骨组织。然而,惠普的机械刺激是正常生理分层软骨不够多样的形式通过加载类型。现有HP惠普生物反应器有初步整合技术对不同条件对软骨和软骨形成,和研究人员可能专注于细胞行为的规定在惠普未来的研究。进一步具体审查水压力量的作用在调节细胞行为是由刘et al。55]。

3.2.2。剪切

剪切负载交流平行表面生成的液体或固体培养基在正常生理活动。软骨组织压缩时,有一个潜在的流体剪切力在细胞膜中排放大量的水。然后,删除压缩力,排放水返回到原来的位置由于渗透压变化和产生相应的流体剪切应力(又56,57]。此外,近端和远端滑动的关节,如膝关节股骨髁和胫骨高原,产生直接剪切力。一般来说,建议连续剪切力对AC体内有害。软骨表面逐渐磨损和降低,诱导OA的可能性增加在剪切力的持续应用。与上面的不同,在组织工程领域,剪切刺激已经被研究人员提高体外问题结构属性。过去的研究已经表明,剪切力可以增加软骨基质成分(58,59),促进拉伸性能(58,改变整合素的表达60],减少摩擦系数在适当的大小和频率的刺激(61年]。振荡剪切流体是一种常见的加载方法和直接剪切生物反应器,使问题有相似的结构和力学性能是天然软骨(62年,63年]。通过搜索和总结相关的研究文章软骨组织工程和计算机建模、皮尔斯等人得出的结论是,计算建模可以帮助更好地描述液体生物反应器的剪切应力,提高支架的结构,并通过进一步控制组织工程软骨的力学性能建模的增长,发展和运动的细胞(64年]。

Nazempour等人设计了一个生物反应器系统,结合剪切应力和振荡静水压力(形成)。结果表明,呕吐和胶原蛋白的分泌软骨细胞明显高于静态文化,和效果更好的机械刺激都同时应用。此外,1整合素表达水平低和x类型胶原蛋白基因被发现。剪切力和形成可能对软骨保护作用由于弹性模量的增加来衡量综合载荷下原子力显微镜(59]。剪切荷载仅适用于软骨的表面,平行方向对应的形成表面横向交流;因此,有一个重大缺陷的建设问题单独使用剪切力机械刺激援助。生产高质量的工程软骨,必须附加额外的机械载荷。近年来,大部分的改进生物反应器设计多轴加载,提供新的见解软骨细胞的反应和chondrogenic干细胞特定类型的加载(特别是剪切)。

剪切生物反应器的设计,根据所需的介质性质的传播剪切载荷在软骨组织层面,剪切剪切被分为流体诱发剪切和组织。流体剪切力生物反应器模拟负载细胞和组织在滑液的流动和细胞间液在体内。搅拌系统在液体环境中,如旋转烧瓶和直接灌注系统,应用高剪切力,而RWVs应用低剪切力(65年]。Bonnevie等人发现,高剪切力与线粒体功能障碍密切相关,细胞凋亡,细胞死亡66年]。机械应力在低切生物反应器通常小于0.1 Pa,证明增加细胞外基质含量和软骨形成不破坏细胞(58,67年]。用压缩力同步剪切力之间的组织通常发生在正常的生理活动。Schatti等人设计了一个生物反应器,利用剪切和动态压缩的组合。结果表明,压缩或剪切本身并不能引起人类BM-MSCs分化成软骨。在动态压缩剪切叠加组合导致chondrogenic基因表达显著增加。增加sGAG和胶原蛋白被发现只有机械组合组(68年]。

3.2.3。压缩力

交流,作为一个mechanoactive组织,每天进行压缩。在人类运动的过程,压缩力的作用下,两个关节表面的相对碰撞共同导致变形的软骨组织。大小、频率和概要文件的压力是压力载荷在生物反应器研究的重要参数。交流的平均压力的承载组织膝关节大约是0.5 - -7.7 MPa。生理压缩下,AC的平均形状变量可达大约1/8的厚度(69年,70年]。软骨组织包括特定的软骨细胞和细胞外基质成分序列生理压缩。目前,大多数研究机械刺激和生物反应器与压缩力。研究表明,压缩有利于软骨细胞移植ECM的合成组件(71年,72年),促进干细胞的增殖72年,增加细胞/支架[的压缩模量73年]。其他研究也指出,机械刺激可以诱导干细胞的移植和软骨细胞的条件下间歇压缩(74年,75年]。安德森等人搜索PubMed数据库来识别相关出版物2017,发现几乎没有标准化的研究工作领域的动态压力诱导软骨形成。在大多数的研究搜索,动态加载被发现对chondrogenic基因表达有积极影响,生物力学模量、蛋白多糖含量,与它对胶原蛋白含量的影响(76年]。庄等人发现,20%压缩可以增强人类的生物合成的活动从骨关节炎关节软骨细胞,这表明动态压缩同样有效的静态压缩从骨关节炎软骨细胞的生物合成77年]。

对于压缩生物反应器的设计,反应堆提供受控的环境评估软骨压缩的影响。压缩负荷生物反应器设计,它是必要的,以确定压缩状态(动态或静态压缩)以及其应变振幅、持续时间和频率。通过改变压力和持续时间,陈等人确定最优动态文化条件的软骨细胞冷冻凝胶支架循环动态压缩载荷下1 Hz如下:20%应变和3 h / d刺激时间。此外,机械刺激的可行性和有效性,推动对asc chondrogenic分化对asc通过coculture软骨细胞和体外被证实(78年]。

3.3。非接触物理刺激

3.3.1。电磁场(EMF)刺激

电磁场(电磁辐射)是另一个细胞和组织的文化的外在因素。由于压电透明软骨细胞外基质的天然关节软骨可以电磁振荡转换成机械振动,反之亦然(79年]。正如上面提到的,最近的研究发现,电磁辐射会影响软骨细胞增生和关节软骨细胞细胞外基质形成(29日,79年]。基于磁场如何改变随着时间的推移,电磁辐射可分为静态磁场(smf)和脉冲电磁辐射(PEMFs)。SMF有恒定的磁场,而PEMFs有一定的脉冲频率。Ciombor等人使用软化骨基质(DBM)诱导软骨内骨化模型显示PEMFs刺激的影响。结果表明,低频电磁场可以增强chondrogenic分化在软骨内骨化模型(80年]。相反,威尔莫特等人暴露大鼠关节的软骨层PMEF 75赫兹的频率。结果表明,电磁场对软骨组织的文化有一个负面影响(81年]。除了频率、电磁场的强度也是一个重要参数。Štolfa等人发现0.6吨静态磁场(SMF)增加代谢活动在人类软骨组织(82年),而谢长廷等人认为,一个高强度SMF[3特斯拉(T))减少人类软骨细胞细胞增殖和诱导细胞凋亡83年]。此外,许多研究表明,中等强度的smf(1吨1 T)可以增加细胞的增殖84年,85年]。例如,Jaberi等人研究了中等强度的影响永久磁场(40 mT)软骨修复动物模型。结果表明,中等强度SMF (40 mT)增强软骨损伤的修复在兔子30.]。

简而言之,对磁性生物反应器的设计,至关重要的是确定类型,强度和频率的电磁场促进细胞的行为在一个有利的方向。

3.3.2。超声波刺激

超声(美国)的广泛应用在工业和生物医学领域,其与活细胞和组织已经进行了广泛的研究。由我们双向调节细胞,在体外研究表明,高强度我们可以通过裂解诱导细胞死亡,坏死或凋亡[86年,87年]。因此,我们使用时需要考虑很多因素,如细胞死亡模式的预测和控制的强度,获取生物效应,我们需要最大程度和减少副作用。最近的研究表明,低强度超声连续(刘)对软骨的新陈代谢有着至关重要的影响,软骨修复、文化的软骨细胞和间充质干细胞(msc)。例如,张等人研究了脉冲刘家(1.5兆赫)对软骨细胞的影响文化。结果表明,刘家二增加胶原蛋白的表达,抑制软骨细胞肥大的发展88年]。

刘家也被广泛应用于交流组织工程软骨细胞的3 d文化相结合和msc。例如,Hasanova等人使用低强度超声分散(5.0 MHz, 0.14 mW /厘米²)刺激牛软骨细胞播种在三维(3 d) chitosan-based支架和评估chondrocyte-specific基因的表达水平。总之,它建议我们刺激可以调节软骨细胞的增殖和特定基因的表达的3 d矩阵(89年]。因此,基于LIDUS积极的生物效应及其应用软骨组织工程领域,我们可以设计和开发一个理想的超声生物反应器。

很多:低氧张力;惠普:静水压力;hMSCs:人类间充质基质细胞;hBMSCs:人类骨髓间充质基质细胞;对asc:脂肪基质细胞;脉冲重复频率:富含血小板纤维蛋白;CPP:钙多磷酸盐;rBMSCs:大鼠骨髓基质细胞;CS:壳聚糖;科幻:丝绸纤维蛋白; n-HA: nano-hydroxyapatite; pBM-MSCs: porcine bone marrow-derived mesenchymal stem/stromal cells; PEMFs: pulsed electromagnetic fields; SMF: static magnetic field; LIUS: low-intensity continuous ultrasound.

4所示。应用现有的生物反应器结合其他新兴技术

4.1。3 d打印(3 dp)生物反应器

当前生物反应器系统面临问题的定制能力有限,成本高,缺乏力量的测量能力。似乎可行的设计和制造低成本定制生物反应器系统使用3 d打印技术。我们可以使用3 d打印技术建立一个文化,保持细胞和组织工程中,使用自定义控制问题。

阿比盖尔等人开发了一个3 dp伸展与潜在应用生物反应器为多个组织。集团开发定制软件独立控制三个执行机构和监控称重元素加载高通量实验和评估组织的力学性能在发展。体外研究和机械评估结果表明,3 dp技术是一种可行的可定制的平台发展,低成本、多功能机械生物反应器系统(90年]。

4.2。生物反应器使用微载体

传统的瓶或多层细胞培养的一个限制是它的低表面体积比,这通常会导致一个可用的细胞数量不足。然而,在组织工程软骨再生领域,有一些种子细胞,如synovial-derived间充质干细胞(SF-MSCs) [91年),缺乏组织。其具体chondrogenic分化为软骨再生潜力也很重要(92年]。因此,有必要在coculture增殖系统生产实验和临床可用的数量的msc。范Wezel介绍了微载体培养系统在1967年(93年]。微载体的生物反应器的组合可以提高细胞增殖,同时减少时间,成本,和手动操作,显著改善相对可重复性。微载体可以提高细胞粘附和暂停细胞在文化系统中,大大增加了培养细胞的数量91年,94年]。早在1997年,贝克等人cocultured牛软骨细胞和Cytodex-3 RWV微载体。这个实验显示的三维环境coculture系统扮演了一个角色在增长,分化和ECM牛软骨细胞的形成95年]。微载体的另一个优点是,cell-implanted微载体可以直接转移到现场维修,避免收集细胞的步骤和种植在支架上96年]。林等人报道,可生物降解聚(epsilon-caprolactone)微载体结合生物反应器大大增加生产hMSCs和细胞分泌因子(97年]。

生物反应器和微载体coculture系统不仅可以降低成本而且也促进更高效的液态氧交换和维护细胞外环境。此外,该系统可以调节细胞的氧气分压和pH值环境作用于细胞的机械负荷。因此,该系统可以有效地管理和规范组织工程细胞。

5。结论和未来的角度

生物反应器用于改善软骨组织工程的质量通过导入生理环境因素存在于自然的交流,如氧气和pH值、营养输送,机械负荷。组织工程生物反应器的潜力是清楚,虽然刺激通过各种机械载荷的作用指导细胞行为是有争议的。此外,应用了各种新技术和策略结合生物反应器,不仅大大提高反应器的效率,最终使高质量的组织工程软骨的建筑和文化。

尽管如此,进一步的研究需要阐明所需的特定的生化和生物力学因素发展的细胞,组织或器官。理论研究的结果和参数对生物反应器的设计是不可或缺的,这有利于充分了解软骨生长和分化的调节机制才能产生成功策划组织最好的特色。最重要的是,基本的机械生物学也应该探索增强这一成就。此外,也有一些新的想法生物反应器,如体内生物反应器的提议,它提供了一种有前途的方法来提供体内软骨工程条件。最后,结合组织工程和先进技术不仅是组织工程的发展趋势,而且生物反应器的发展方向。我们相信在软骨组织工程生物反应器的应用,特别是体外的定制建设工程软骨,将发挥重要的作用在临床个性化治疗和预后软骨损伤修复。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

作者的贡献

FLW LPX设计手稿和写的部分。LH写手稿的一部分其他作者的见解。YZ, GCJ概念化和生成表1和2。赵天元,陈伟,廖Zhiyao,彭宇,曹阜阳概念化和生成数据1和2。隋,刘Shuyun,郭圈椅修改和定稿的手稿。所有作者阅读和批准最终的手稿。傅身子和李Pinxue贡献同样这项工作,co-first作者。

确认

这项工作得到了中国国家重点研发项目(2019号yfa0110600)和中国国家自然科学基金(81772319)。

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