基于血管化活性人工骨的体内生物反应器研究

The research, development and application of tissue engineering were largely constrained by the performance of the bioreactor, and building a bioreactor which can help to promote the vascularization and histogenesis of carrier material effectively have already become the world-concerned “bottleneck" step . In our research group’s previous study, we have proposed the new term "in vivo bioreactor” and our preliminary studies have shown that the fascia tissue has a rich blood supply, strong permeability, and rapid ion-exchange properties, and has the basic elements needed to construct a in vivo bioreactor. But in vivo bioreactor’s construction principle has not been fully clarified, unified assessment standard is not yet clear and the efficiency of vascularization and histogenesis on the carrier materials have not yet been studied deeply. Our group combined the cyst cavity constituted by fascial tissue with three-dimensional dynamic perfusion system, and built a in vivo bioreactor at the basis of precise control about perfusion flow. By studying the in vivo bioreactor’s effect on the biological behavior of mesenchymal stem cell which is the key multipotent differentiated cell, as well as the effect on vascularization and histogenesis of the materials, We will clarify the construct principle about in vivo bioreactor, and formulate a unified assessment standard, know its biological mechanism and effectiveness on the vascularization and the organization of the carrier materials, and provide a theoretical basis for the proposition of a scientific and rational in vivo bioreactor design concept and precise parameter system.

组织工程的研究、发展以及应用很大程度上被生物反应器的性能所制约，而构建能够促进材料有效血管化和组织化的生物反应器已成为学术界关注的“瓶颈”环节。本课题组在前期研究中已经提出“体内生物反应器”这一名词，初步研究显示筋膜组织具有丰富的血运、强大的通透性以及快速的离子交换性能，具备构建生物反应器的基本要素，但体内生物反应器的构建原理尚未完全明朗化，统一的评定标准尚未明确，以及对载体材料血管化和组织化的效能尚未深入探究。本课题组以筋膜组织构成的囊腔与三维动态灌注系统相结合，在精确控制灌注流量的基础上构建体内生物反应器。通过研究其对骨髓间充质干细胞这一多向分化关键细胞的生物学行为的影响，以及对材料血管化和组织化效应的影响，从而阐明体内生物反应器的构建原理，制定统一评价指标，明确其影响载体材料血管化和组织化的生物学机制和效能，为提出科学合理的体内生物反应器的设计理念和精确参数体系提供理论基础。

临界尺寸骨缺损的修复重建仍是临床上的难题。骨组织工程作为骨缺损修复的新兴策略面临着血管化不足的问题。随着人们对异位成骨及血管再生机制了解的不断深入，体内生物反应器作为体内构建血管化组织工程骨的策略应运而生。然而，负载细胞的支架材料植入体内构建体内生物反应器时，同样面临支架内部细胞如何存活的问题。为了解决上述问题并借鉴于体外灌注式生物反应器原理，我们提出一种新型生物反应器设计，即灌注型筋膜囊体内生物反应器。细胞支架复合物植入机体后，由便携式灌注泵提供介质灌注，维持细胞存活并提供静水压及流体剪切力，以促进再生血管化组织工程骨。课题组通过自行设计的体外灌注式生物反应器三维动态灌注培养细胞支架复合物来筛选最佳灌注流速。0.01mL/min灌注流速最有利于支架上骨髓间充质干细胞的存活、增殖及成骨分化。根据体外最佳灌注流速，c通过输液港连接电子输注泵可对植入筋膜囊内的细胞支架复合物进行灌注，DMEM低糖培养基以0.5mL/h的灌注速度灌注细胞支架复合物2周（每天灌注6小时），未观察到感染、积液、渗漏等并发症，灌注效果良好。通过对比研究发现，相较于单纯筋膜囊体内生物反应器，灌注型筋膜囊体内生物反应器明显促进了细胞支架复合物的成骨及血管化。灌注型筋膜囊体内生物反应器构建的血管化组织工程骨成骨的量、血管数目、血管体积等均明显大于单纯筋膜囊体内生物反应器。综上所述，灌注型筋膜囊体内生物反应器是有效构建大体积血管化组织工程骨的一种有前途的新策略。将体内再生微环境与体外三维动态灌注相结合，不仅为细胞支架复合物提供了其赖以生存的体内微环境，而且通过提供营养和流体力学刺激促进了支架内部的细胞存活、增殖和分化。本研究为新一代生物反应器设计指明了方向，在补充并优化体内生物反应器构建原理的同时，为提出科学合理的灌注型体内生物反应器的设计理念和精确参数体系提供了理论基础。