流体流动引起的剪切应力可改善组织工程的软骨
体外组织工程通常没有纳入血管系统，而是依赖于静态培养，限制了可溶性因子的转移，并消除了流体诱导的机械信号。组织工程旨在创造可植入的生物材料，用于修复和再生受损组织。这限制了对营养物质的获取并且缺乏机械信号。
为了研究如何利用流体流动来增强新组织的特性，研究团队选择了自组装的新软骨作为模型。在这一系列实验中，研究人员设计并开发了一种新的装置，通过使用轨道振动器产生振荡的流体运动，将剪切应力施加到新软骨。当流体流过新软骨时，新软骨保持在固定的位置，在新软骨结构的表面上产生剪切应力。该团队还确定了一种优化的对新软骨的FIS应力加载方案，并研究了一种参与改善细胞外基质特性的细胞信号通路。
图 1 阐明流体诱导剪切应力作用的一系列研究概述
（b）体外组织工程研究使用牛和人类细胞，以验证FIS应力导致新软骨密度和力学特性增强的假设。
（c）在无胸腺小鼠的体内的研究，以验证FIS应力刺激的新软骨在植入后向固有值重塑的假设。
（d）RNA测序，然后进行通路分析，以阐明FIS应激激活的机械转导通路。
此外，该团队设计了一种能够在直径 5mm 的自组装新软骨结构上诱导 FIS 应力刺激的装置
在一系列的六项研究中，该团队研究了使用流体诱导的剪切应力来增强使用自组装过程的组织工程软骨的形成。
在第一项研究中，设计了 FIS 应力装置并使用计算流体动力学来预测装置中产生的 FIS 应力范围，确定了 FIS 应力装置可以对新软骨结构施加不同范围的剪切应力，跨越多个数量级：0-0.01 Pa、0.07-0.15 Pa、0.05-0.21 Pa、0.37-0.70 Pa 和 0.25-0.85 Pa。
在第二项研究中，发现在0.05-0.21 Pa的最佳FIS应力下，新软骨的力学和生化性能优于对照组和其他剪切应力试验组。
在第三项研究中，采用了最优的FIS应力加载条件，并与生物活性剂相结合，以改善新软骨的生化和力学性能。
在第四项研究中，将新软骨结构植入无胸腺小鼠体内，发现它们在体内向固有特征重塑和成熟。
在第五项研究中，成功地将最佳 FIS 应力刺激加载条件转化为人类软骨组织培养。
在第六项研究中，阐明了人类和牛软骨细胞的初级纤毛上的复合物，该复合物对流体流动敏感，可能是观察到的改善的原因。
在这项实验中，该团队报道了一种剪切应力加载装置的设计和使用，该装置成功地将流体流动引起的剪切应力应用于组织工程软骨，增强了压缩、剪切、拉伸、结构和生化特性。该装置能够诱导跨越 0-0.85 Pa 的 FIS 应力，可能适用于基于支架和无支架的新组织培养，包括组织工程骨、肌肉、肌腱、韧带和纤维软骨。
这项工作具有重要意义，因为它全面研究了流体诱导的剪切应力如何通过基于初级纤毛的机械传导来改善新软骨形成。重要的是，该团队证明了应用FIS应力的大小可以被调节，从而在组织工程结构的机械、结构和生化特性方面获得巨大的改善。
参考文献：Salinas EY, Aryaei A, Paschos N, Berson E, Kwon H, Hu JC, Athanasiou KA. Shear stress induced by fluid flow produces improvements in tissue-engineered cartilage. Biofabrication. 2020 Aug 10;12(4):045010. doi: 10.1088/1758-5090/aba412. PMID: 32640430; PMCID: PMC8020626.
原文链接：https://pubmed-ncbi-nlm-nih-gov.proxy.library.carleton.ca/32640430/
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