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可调控脂肪来源干细胞成骨分化的生物支架材料

时间:2019-12-23 21:00  阅读: 次  来源:好文学  作者:admin  评论:- 小 + 大

  摘    要: 背景:脂肪来源干细胞获取便捷且具有显着的成骨分化能力,被认为是骨缺损修复的理想种子细胞。然而骨组织工程学的研究进展揭示,生物支架材料改性能够直接调控干细胞的成骨分化。目的:综述能够调控脂肪来源干细胞成骨分化效果的各种生物支架材料。方法:由第一作者通过检索中国知网、万方、维普、Pub Med、Embase和Web of Science数据库2016年1月至2019年5月发表的相关文献,检索词为“脂肪干细胞,支架材料,成骨,金属,钛;Adipose derived stem cells,scaffold,osteogenic,metal,Ti”,最终选取符合标准的文献62篇。结果与结论:用于骨组织工程的支架材料分为无机材料、天然高分子材料、合成高分子材料3类,无机材料包括羟基磷灰石、磷酸三钙、生物活性玻璃、钛金属、镁金属,天然高分子材料包括胶原、丝素蛋白、壳聚糖,合成高分子材料包括聚己内酯、聚乳酸、聚乙醇酸及其共聚物-聚乳酸-羟基乙酸共聚物。设计能与细胞相互作用以指导其生物反应和骨分化的材料研究一直层出不穷,但如何营造更安全、更合理、更贴近生物体内的细胞的生长微环境仍然面临着很多困难。对生物支架材料的改性能够直接调控干细胞的成骨分化,同时成骨诱导之外的血管化及植入后的感染也是需要关注的问题。

  关键词: 脂肪来源干细胞; 支架材料; 成骨分化; 骨组织工程; 羟基磷灰石; 磷酸三钙; 胶原; 3D打印;

  Abstract: BACKGROUND: Adipose-derived stem cells are easy to access and have strong proliferative capacity, which are considered as ideal seed cells for bone defect repair. The bone tissue engineering research progress reveals that bioscaffold material modification can directly regulate the osteogenic differentiation of stem cells. OBJECTIVE: To review various biological scaffold materials that can regulate the osteogenic differentiation of adipose-derived stem cells. METHODS: The first author searched the articles in CNKI, WanFang, VIP, PubMed, Embase and Web of Science databases published from January 2016 to May 2019. The search terms were “adipose derived stem cells, scaffold, osteogenic, metal, Ti” in Chinese and English, respectively. Finally 62 eligible articles were selected. RESULTS AND CONCLUSION: Scaffold materials for bone tissue engineering are classified into inorganic materials(hydroxyapatite, tricalcium phosphate, bioglass, titanium, and magnesium), natural polymer materials(collagen, silk fibroin, and chitosan) and synthetic polymer materials(polycaprolactone, polylactic acid, polyglycolic acid and poly(lactic-co-glycolic acid)). The studies on materials that interact with cells to guide their biological response and bone differentiation are increasing. But how to create a safe, rational, and close to the micro-environment of cell growth in vivo is a challenge. Modification of bioscaffold materials can directly regulate osteogenic differentiation of stem cells. Moreover, vascularization and post-implantation infections are issues of concern.

  Keyword: adipose-derived stem cells; scaffold materials; osteogenic differentiation; bone tissue engineering; hydroxyapatite; tricalcium phosphate; collagen; three-dimensional printing;

  文章快速阅读:

  文章特点—

  (1)种子细胞和支架材料的选择是骨组织工程的核心问题;

  (2)脂肪来源干细胞因其获取便捷和显着的成骨分化能力等优势,被认为是骨缺损修复的理想种子细胞;
 

可调控脂肪来源干细胞成骨分化的生物支架材料


 

  (3)文章详细综述了能够调控脂肪来源干细胞成骨分化效果的各种生物支架材料,旨在为新型生物支架材料的研发和临床转化提供理论支持。

可调控脂肪来源干细胞成骨分化的生物支架材料

  文题释义:

  脂肪干细胞的优势:脂肪来源干细胞具有以下特点:高增殖能力和分泌活性;兼具多向分化潜能;通过其免疫调节能力,能够提高移植后的愈合效果;来源丰富,可在自体或异体上迅速提取,以上优势使其成为骨组织工程的理想种子细胞。

  骨组织工程支架材料的分类:主要分为3类,无机材料、天然高分子材料、合成高分子材料,无机材料包括羟基磷灰石、磷酸三钙、生物活性玻璃、钛金属、镁金属,天然高分子材料包括胶原、丝素蛋白、壳聚糖,合成高分子材料包括聚己内酯、聚乳酸、聚乙醇酸及其共聚物-聚乳酸-羟基乙酸共聚物。

  0.  引言Introduction

  由于肿瘤、损伤、炎症、先天性畸形等导致的骨组织缺损,严重影响了患者生活质量,临床常用的修复技术主要是自体和同种异体骨移植,但均存在移植骨形态匹配度差、感染及免疫排斥等问题。骨组织工程技术的飞速发展为解决这一问题提供了新的方向。种子细胞和支架材料的选择是骨组织工程的核心问题。脂肪来源干细胞具有高增殖能力和分泌活性;兼具多向分化潜能;通过其免疫调节能力,能够提高移植后的愈合效果;来源丰富,可在自体或异体上迅速提取[1],因此是骨组织工程的理想种子细胞。

  理想的骨修复支架材料应该具备以下特性:良好的生物相容性及生物安全性;与骨形成速度相匹配的生物降解率;具有足够的孔隙,以保证细胞长入和营养物质运输,并在支架内部进行血管化过程;能实现形态重塑,以保证临床不同病例所需的外部形态;良好的成骨诱导性;良好的机械性能和理化特性。为了创设性能优越的支架材料,研究者进行了众多的相关研究。用于骨组织工程的支架材料分为3类:无机材料、天然高分子材料、合成高分子材料,见表1。文章重点就不同支架材料对脂肪来源干细胞诱导成骨的研究进行综述。

  表1 支架材料的分类和特点

表1 支架材料的分类和特点

  1、 资料和方法Data and methods

  1.1、 资料来源

  以“脂肪干细胞,支架材料,成骨,金属,钛;Adipose derived stem cells,scaffold,osteogenic,metal,Ti”为关键词,在中国知网、万方、维普、Pub Med、Embase和Web of Science数据库搜索2016年1月至2019年5月发表的相关文献。

  1.2、纳入与排除标准

  纳入标准:关于支架材料改性促进脂肪干细胞成骨分化的研究;关于脂肪干细胞联合支架材料修复骨缺损的研究。

  排除标准:研究中支架材料只承担支架作用而无成骨诱导作用的研究;重复性研究。

  1.3、 数据提取

  共检索到文献319篇,其中中文文献127篇、英文文献192篇,排除与研究目的相关性差及内容陈旧、重复的文献257篇,纳入62篇符合标准的文献进行综述,见图1。

  图1 文献检索流程

图1 文献检索流程

  1.4 、质量评价

  符合纳入标准的62篇文献中,文献[1]探讨了脂肪干细胞在骨组织工程的优势;文献[2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31]探讨了改性无机材料对脂肪干细胞成骨分化的研究进展;文献[32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47,48,49,50]探讨了改性天然高分子材料对脂肪干细胞成骨分化的研究进展;文献[51,52,53,54,55,56,57,58,59,60]探讨了改性合成高分子材料对脂肪干细胞成骨分化的研究进展;文献[61,62]探讨了材料空间结构的研究进展。

  2、 结果Results

  2.1、 无机材料

  无机材料具有良好的生物相容性,机械强度较高,但柔韧性和亲水性较差、材料较脆,并且在机体里降解速度缓慢。因此,无机材料只能充当填充材料,而不能独立作为骨组织工程支架材料用于负重成骨的研究。

  2.1.1、 羟基磷灰石

  羟基磷灰石是最常见的生物活性材料,其化学式为Ca10(PO4)6(OH)2,是骨缺损修复及相关替代材料的主要研究方向。羟基磷灰石的主要优点是具有较好的生物相容性、骨传导性、可降解性,缺点为脆性大、拉伸性较差。

  羟基磷灰石可以通过其骨传导性能和良好生物相容性特性诱导骨再生。纳米结构羟基磷灰石具有更大潜力,因为其能够释放Ca2+和PO43-以诱导干细胞成骨分化[2]。然而由于脆性特征,该材料的应用受到限制。聚合物材料可以通过增加韧性和弹性对羟基磷灰石进行改性。WANG等[3]研发了多孔纳米羟基磷灰石和马来酸酐接枝的聚(甘油癸二酸酯)复合支架,支架平均孔径150-300μm,接种人脂肪来源干细胞后的RUNX2、骨钙素、骨胶原1A1等成骨相关因子表达显着增高,证明该材料能诱导脂肪来源干细胞成骨分化。SATTARY等[4]构建聚已内酯/胶原/纳米羟基磷灰石/维生素D3支架,碱性磷酸酶活性及茜素红染色及成骨基因骨胶原1、碱性磷酸酶、RUNX2高表达,证实该支架可增强脂肪来源干细胞成骨分化的能力。AMJADIAN等[5]将脂肪来源干细胞接种到左旋聚乳酸/纳米羟基磷灰石/地塞米松/明胶复合支架上,可以刺激碱性磷酸酶活性及成骨基因碱性磷酸酶、骨形态发生蛋白2、RUNX2成骨基因的表达,从而促进脂肪来源干细胞成骨分化。由于纳米结构羟基磷灰石具有良好的细胞相容性,会使大多数细胞黏附在其表面,最终导致软硬组织粘连。为避免此情况,MA等[6]构建了羟基磷灰石纳米带/聚乳酸Janus膜,在没有生长因子的条件下可以促进碱性磷酸酶活性,增加RUNX2、骨桥素、骨钙素成骨基因表达,从而促使脂肪来源干细胞的成骨分化,体内实验显示聚乳酸可发挥屏障作用,避免骨与邻近软组织的术后粘连。

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关键词:脂肪来源干细胞 支架材料 成骨分化 骨组织工程 羟基磷灰石 

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