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为解决软骨组织工程难题，研究人员利用微流控技术构建仿生芯片，获生物力学性能优良的软骨组织，有望用于疾病建模1215。
在人体的关节中，软骨就像一层 “减震垫”，默默承受着日常活动带来的压力和摩擦，保护着关节，让我们能够自由活动。然而，当软骨受损时，它的修复能力却十分有限。传统的软骨组织工程在修复软骨损伤方面面临诸多挑战，比如难以模拟出软骨复杂的微环境，细胞的生长和分化也不尽如人意。开发一种能有效修复软骨损伤的方法，成为了医学领域亟待解决的难题。
为了攻克这一难题，来自 Global Medical Education & Research Foundation、Koneru Lakshmaiah Education Foundation Deemed to be University、Gleneagles Hospitals 的研究人员 Upasna Upadhyay、Siddhartha Maredupaka 等人展开了深入研究。他们的研究成果发表在《npj Biomedical Innovations》上，为软骨组织工程带来了新的希望。
研究人员运用了多种关键技术方法。首先是微流控技术，它能够模拟体内环境，为细胞提供更接近真实情况的生长条件。通过微流控系统，研究人员可以精确控制培养介质的流动和压力，还能实现对细胞的动态培养。其次，他们对复合水凝胶进行了优化和表征，利用不同比例的海藻酸钠和壳聚糖制备复合水凝胶，并通过改变戊二醛交联剂的浓度来调整其性能。此外，研究人员还对微流控装置中的细胞进行了多种检测分析，包括细胞增殖检测、细胞活力检测、组织学染色、基因表达分析以及蛋白质分析等，全面评估了构建的软骨组织的性能。
下面来看具体的研究结果：
- 复合水凝胶配方优化：通过压缩测试，研究人员发现增加海藻酸钠（1% - 2%）和戊二醛交联剂（0.5% - 1%）的浓度，能提高复合水凝胶的抗压强度。其中，2% 海藻酸钠、2% 壳聚糖按 2:3 比例混合，添加 1% 戊二醛的水凝胶表现最佳，其杨氏模量（E）为 0.18MPa，拉伸强度为 0.4MPa，这些性能均在天然关节软骨的参考范围内3。
- 优化复合水凝胶的表征：扫描电子显微镜（SEM）成像显示，优化后的复合水凝胶微孔结构适宜，有利于细胞附着和增殖。其孔径长度和宽度分别为 13.4±2.5μm 和 5.46±0.42μm。水凝胶的溶胀比在第 3 天逐渐增加，第 4 天达到最大值 100.8%，随后开始下降，第 6 天达到饱和，这为水凝胶在微流控通道中的分层提供了重要依据45。
- 微流控系统：微流控装置设有上下两个通道，分别模拟天然关节软骨的表层和中层。通过精确控制压力和流速，实现了介质的动态灌注。上通道承受 150mbar 的高剪切压力，模拟表层；下通道承受 50mbar 的低剪切压力，模拟中层，成功构建出了结构类似天然关节软骨的组织6。
- 体内表征 OOAC 关节组织构建体：
- 细胞生长和形态：通过相差显微镜、增殖测定和 SEM 观察发现，组织构建体呈现出细胞从中心向周围生长的互连网络结构。上、下通道交点处分别呈现出表层和中层的细胞形态，且细胞增殖活跃789。
- 细胞活力和组织学：细胞活力检测显示，在 OOAC 培养 21 天时，90% 的细胞存活，证明了复合水凝胶和生物墨水的生物相容性良好。组织学染色结果表明，构建体具有软骨结构特征，如 H&E 染色显示细胞聚集，阿尔辛蓝染色显示硫酸化糖胺聚糖（GAGs）积累，Masson 三色染色显示胶原沉积10。
- 共聚焦显微镜表征：共聚焦显微镜检测发现，不同区域的细胞外基质（ECM）成分标记物表达不同。表层和中层的 II 型胶原表达增加，I 型胶原表达减少，聚集蛋白聚糖在中层表达较高，层粘连蛋白在中层的表达高于表层，这表明优化后的复合水凝胶和生物墨水有助于构建透明软骨11。
- 基因表达：基因表达分析表明，生物墨水能促进软骨细胞和 MSCs 诱导的软骨细胞中 II 型胶原和层粘连蛋白的基因表达，推动细胞向软骨生成方向发展12。
- 蛋白质分析：蛋白质分析显示，生物墨水培养条件下，COL2A1、聚集蛋白聚糖和层粘连蛋白的表达上调，而 COL1A1 的表达下调，进一步证实生物墨水有利于透明软骨的形成13。
- 拉伸强度测量：拉伸强度测试结果显示，MSCs 诱导的软骨细胞构建体在添加生物墨水后，拉伸强度达到 1.01MPa，更接近天然关节软骨的力学性能14。
在研究结论和讨论部分，研究人员指出，开发关节软骨替代品需要综合考虑多种因素，如高抗压强度、良好的生物相容性和高剪切应力承载能力。本研究通过优化复合水凝胶配方和微流控工艺参数，成功构建出了具有良好力学性能和生物相容性的关节软骨仿生组织。这种仿生组织在结构和功能上更接近天然软骨，有望用于药物测试和疾病建模，为未来软骨损伤的治疗提供了新的方向和策略。
这项研究为软骨组织工程带来了创新性的突破，为解决软骨损伤修复的难题提供了新的思路和方法，对推动医学领域的发展具有重要意义。
