北京同仁医院张明珠教授课题组《Bioact. Mater.》综述：微载体在软骨组织工程中的应用 - 最新进展与挑战

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微载体通常是指由天然或合成材料制成的1μm~1000μm微粒，已经广泛用于再生医学和组织工程。例如细胞培养、扩增、递送、生物研究建模、生物传感器和医学植入物。与支架、水凝胶或薄膜相比，微载体的一个重要优势是它们为细胞生长、促进粘附和维持细胞分化表型提供了大的比表面积。研究表明使用3D微载体可以明显提高细胞产量，维持软骨表型。微载体用于软骨修复有多种形式：直接作为可注射载体输送细胞或者药物，与水凝胶支架或者3D生物打印结合（图1）。

图1. 基于各种微载体的软骨治疗平台。

近日，首都医科大学附属北京同仁医院张明珠教授和中科院动物所顾奇研究员在Bioactive Materials在线发表了题为“Microcarriers in application for cartilage tissue engineering: Recent progress and challenges”的综述（10.1016/j.bioactmat.2022.01.033）。该综述首先介绍微载体的常用制备方法及材料选择，重点总结了微载体自2015年来在软骨组织工程中应用的最新进展，然后分析基于微载体用于软骨再生的设计原则，最后对未来研究方向以及挑战进行了系统的分析和讨论。首都医科大学附属北京同仁医院博士生丁声龙，中科院动物所博士生刘鑫为论文的共同第一作者，北京同仁医院张明珠教授和中科院动物所顾奇研究员为共同通讯作者。该工作得到国家自然科学基金委员会和北京市人才局的支持。迄今为止，已经开发了许多方法用于制造微载体。作者在文中详细介绍几种经典常用的制备方法，包括乳液固化、微流体、模具方法及其他技术方法等（图2）。选择合适的制备方法、平衡反应条件、装置价格和生产效率以满足不同需求是极其重要的。总的来说，这些制备方法中的每一种都有自己的特点和要求，每种高分子材料都有自己特定的性质和特点。在选择这些技术中的任何一种来制造用于组织工程应用的微载体时，应考虑特定要求。随后作者讨论了选择合适的物理、化学性质的材料来制备微载体的重要性。在这部分作者详细介绍了以合成聚合物，多糖，蛋白质以及细胞外基质为主体的微载体的理化性质以及应用特点。

图2. 微载体的制造技术和应用

在软骨组织工程中，有两种策略：一种方法是制备复杂的支架以模拟天然软骨组织的结构特征、机械性能和生物学功能。另一种是开发合适的生物材料，作为软骨细胞生长、增殖和分化的3D微环境，以生成软骨组织。在这部分，作者总结了微载体作为载有细胞/药物/因子的递送平台的优势，与生物支架以及3D打印技术相结合以实现软骨再生。环境响应型的智能微载体在软骨修复的应用目前越来越受到研究人员的重视，这些智能微载体可以响应各种外部因素，如磁场、温度、pH值、光和机械力等物理或生化刺激，进而发生化学/物理性质的可逆转变（图3）。通过刺激响应性微载体载药，不仅减少了药物浪费，提高了药物利用率，而且提高了治疗的安全性。

图3. 基于软骨损伤设计的智能微载体

尽管目前微载体的研究引起广泛的关注，但是如何开发集成多种功能的智能微载体是未来主要确实。针对软骨修复而言，作者提出基于环境响应，基因递送，润滑，生物传感和生物打印功能的微载体的研究将会打开该领域的新篇章（图4）。但同时作者总结了微载体从基础研究走向临床研究以及临床应用，仍然面临诸多挑战。首先，需要建立标准化的微载体库，这些面临种子细胞的标准化的筛选及培养，质量评估等问题。其次需建立高质量的运输系统以及细胞冻融技术来快速满足临床需求。最后，微载体的临床治疗需要多学科，多种技术的协作，诸多临床问题亟待解决。

图4. 微载体用于软骨组织工程的未来发展方向

全文链接：

https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2022.01.033

通讯作者简介：

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张明珠教授，北京同仁医院足踝外科主任，博士生导师

研究方向：生物材料修复骨与软骨损伤，足踝外科基础与临床研究。主持国家自然科学基金和省部级课题8项，入选上海市医苑新星“优青”和“杰青”医学人才培养计划、上海市优秀学术带头人计划和北京市百千万人才计划，获得上海市优秀青年医师和上海市银蛇奖。目前担任中华医学会中华足踝医学教育学院秘书长，中华医学会骨科分会足踝外科学组青委会副主任委员，中国医师协会骨科分会足踝基础与矫形学组委员等职务。

顾奇研究员，博士生导师

现为中国科学院动物研究所生物制造研究组组长。2017年毕业于澳大利亚伍伦贡大学获得材料化学博士学位，博士毕业论文被评为优秀毕业论文，2017年国家优秀留学生。实验室主导首次完成了人神经干细胞和人多能性干细胞的3D打印，在三维体系下完成干细胞的原位功能分化，推进了干细胞3D打印领域的进展。目前致力于干细胞相关特异性材料的开发与合成，生物打印平台设计；通过干细胞、生物材料及3D/4D打印的结合进行组织器官的体外再造。

张明珠教授课题组热忱欢迎具有化学、材料、高分子等专业背景的博士加入，博后按照国家及医院的有关规定，享受中级职称待遇，与科室主治医师同工同酬，并享受医院相关科研奖励，为博士后缴纳相应社会保险和住房公积金，提供博士后公寓按政策解决北京市户口。联系方式：

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