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灌流培养下软骨细胞与静电纺丝PCL支架构建组织工程软骨的实验探究

一、引言

1.1研究背景与意义

关节软骨作为关节的重要组成部分，对维持关节的正常功能起着关键作用。它具有低摩擦、高弹性和良好的抗压性能，能够有效地缓冲关节运动时产生的压力，减少关节面之间的磨损。然而，由于关节软骨自身的结构和生理特性，其一旦受损，自我修复能力极为有限。据统计，全球范围内关节软骨损伤的发病率呈逐年上升趋势，特别是在运动员、中老年人以及从事重体力劳动的人群中更为常见。这种损伤不仅严重影响患者的生活质量，导致疼痛、肿胀、活动受限等症状，还给社会带来了沉重的医疗负担。

传统的关节软骨损伤治疗方法，如微骨折术、骨软骨移植术等，虽然在一定程度上能够缓解症状，但都存在着各自的局限性。微骨折术通过在软骨缺损处钻孔，刺激骨髓间充质干细胞迁移至损伤部位，形成纤维软骨来修复缺损。然而，这种纤维软骨的生物力学性能远不如正常的透明软骨，长期效果不佳，容易导致关节退变加速。骨软骨移植术则是将自体或异体的骨软骨组织移植到损伤部位，虽然能够提供较好的生物力学性能，但存在供体来源有限、免疫排斥反应以及供区并发症等问题。因此，寻找一种更加有效的关节软骨损伤治疗方法迫在眉睫。

软骨组织工程技术的出现，为关节软骨损伤的治疗带来了新的希望。该技术通过将种子细胞、支架材料和生物活性因子有机结合，在体外构建具有生物活性的组织工程软骨，然后将其移植到损伤部位，以实现软骨的修复和再生。这种方法能够克服传统治疗方法的缺陷，有望为患者提供更加理想的治疗效果。

在软骨组织工程中，种子细胞的选择至关重要。软骨细胞作为软骨组织的主要细胞成分，具有合成和分泌软骨基质的能力，是构建组织工程软骨的理想种子细胞。然而，单纯的软骨细胞培养往往难以形成具有良好结构和功能的软骨组织，需要借助合适的支架材料来提供细胞生长和增殖的三维空间。静电纺丝聚己内酯（PCL）支架因其具有良好的生物相容性、可降解性和可控的微观结构，能够为软骨细胞的黏附、增殖和分化提供理想的微环境，成为近年来软骨组织工程领域研究的热点之一。

此外，灌流培养技术作为一种新型的细胞培养方式，能够为细胞提供更加均匀的营养物质和氧气供应，同时及时清除代谢产物，有利于细胞的生长和功能维持。将灌流培养技术应用于软骨细胞与静电纺丝PCL支架的复合培养体系中，有望进一步提高组织工程软骨的质量和性能。

本实验旨在通过将软骨细胞与静电纺丝PCL支架进行灌流培养，构建组织工程软骨，并对其生物学性能和力学性能进行深入研究。这一研究不仅有助于深入了解软骨组织工程的基本原理和机制，为软骨损伤的治疗提供新的理论依据，还具有重要的临床应用价值。通过开发出更加有效的组织工程软骨构建方法，有望为广大关节软骨损伤患者带来福音，提高他们的生活质量，减轻社会的医疗负担。

1.2国内外研究现状

在软骨细胞培养方面，国内外学者进行了大量的研究。早期的研究主要集中在软骨细胞的分离和体外扩增技术上，通过酶消化法等手段从软骨组织中分离出软骨细胞，并在传统的平面培养体系中进行扩增。然而，这种培养方式容易导致软骨细胞的去分化，使其失去合成软骨特异性基质的能力。为了解决这一问题，近年来的研究逐渐转向三维培养体系，如采用琼脂糖、藻酸盐等水凝胶作为支架材料，为软骨细胞提供更加接近体内环境的三维微环境。研究表明，三维培养体系能够有效地维持软骨细胞的表型，促进其合成软骨基质，如Ⅱ型胶原和蛋白多糖等。此外，一些研究还尝试在培养体系中添加生长因子，如转化生长因子-β（TGF-β）、胰岛素样生长因子-1（IGF-1）等，以进一步促进软骨细胞的增殖和分化。

在静电纺丝PCL支架应用于软骨组织工程方面，国外的研究起步较早。一些研究通过静电纺丝技术制备了不同结构和性能的PCL支架，并对其在软骨组织工程中的应用进行了探索。例如，有研究制备了具有纳米纤维结构的PCL支架，发现其能够促进软骨细胞的黏附和增殖，并且在体内外实验中都表现出了良好的软骨组织修复能力。国内的相关研究也在近年来取得了显著进展，不仅在PCL支架的制备工艺上不断创新，还对支架的表面修饰和功能化进行了深入研究。通过在PCL支架表面引入生物活性分子，如胶原蛋白、壳聚糖等，能够进一步提高支架的生物相容性和细胞亲和性，促进软骨细胞的生长和分化。

灌流培养技术在组织工程领域的应用也受到了广泛关注。国外的一些研究将灌流培养技术应用于软骨组织工程中，发现与传统的静态培养相比，灌流培养能够显著提高组织工程软骨的力学性能和基质合成能力。国内的研究也在积极探索灌流培养技术在软骨组织工程中的最佳应用条件，包括灌流速度、培养时间等参数的优化。一些研究还尝试将灌流培养与其他技术相结合，如生物反应器技术、3D打印技术等，以进一步提高组织工程软骨的构建