北京同仁医院张明珠和中科院动物所顾奇：微载体在软骨组织工程中应用的最新进展与挑战|BAM

近期，北京同仁医院张明珠教授和中科院动物所顾奇研究员在科爱出版创办的期刊Bioactive Materials上联合发表综述文章：微载体在软骨组织工程中的应用：最新进展与挑战。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，系统分析基于微载体的软骨再生设计原则，最后提出该领域的关键挑战并讨论展望未来研究方向。

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研究内容简介

图1. 基于各种微载体的软骨治疗平台

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2. 微载体的制造技术和应用

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3. 基于软骨损伤设计的智能微载体

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4. 微载体用于软骨组织工程的未来发展方向

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。

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论文第一/通讯作者简介

第一作者：丁声龙

首都医科大学附属北京同仁医院2020级外科学博士研究生，主要从事软骨修复材料的研发工作。

第一作者：刘鑫

中国科学院大学存济医学院2022届再生医学博士毕业生，中国科学院动物研究所博士后，主要从事再生血管化组织的研发工作。

通讯作者：张明珠

主任医师，教授，足踝外科中心主任，博士研究生导师。主持国家重点研发计划1项、国家自然科学基金3项和省部级项目6项等，入选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，中国研究型医院学会足踝医学专委会副主任委员，国际矫形与创伤外科学会（SICOT）中国足踝外科专业委员会副主任委员，白求恩基金会足踝外科专委会常委兼秘书长，中国医师协会骨科医师分会足踝基础与矫形学组委员，中华医学会糖尿病分会糖尿病足学组委员等职务。目前研究方向为骨与软骨再生医学研究，足踝外科基础与临床研究。获得华夏医学科技奖二等奖、上海市医学科技奖三等奖、美国骨矿研究学会年会（ASBMR）优秀学者奖和欧洲骨矿盐学会优秀学者奖等。相关成果发表在国际期刊Cancer Cell, Bioactive Materials,Biomaterials, Chemical Engineering Journal, Cell Reports, JBMR、NRR和Bone等30余篇。

通讯作者：顾奇

双博士（生物学与材料化学），中科院百人，基金委优青，现为中科院动物所研究员，中科院智造院工程实验室主任，北京干细胞与再生医学研究院兼聘研究员。致力于开发干细胞相关特异材料和生物打印平台；结合多技术体系体外再造复杂组织器官系统。首次完成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；开发一体化打印技术，解决多材料界面复合问题，实现大尺度血管化组织构建。主持多项科研项目，中科院A类先导“器官重建与制造”中生物墨水和打印装置方向负责人，科技部国合项目，基金委创新项目，院装备项目负责人等。研究成果发表于国际期刊Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Sci., Adv. Funct. Mater.等30余篇。

课题组主页：https://www.gulab.info/

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资助信息

该研究获国家自然科学基金，面上上面（82272473）；北京市自然科学基金委员会，面上项目（7212020）；北京市百千万人才计划（2020A43）等项目的支持。

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原文信息

Ding Sheng-Long^#, Liu Xin^#, Zhao Xiyuan, Wang Ketao, Xiong Wei, Gao Zi-Li, Sun Cheng-Yi, Jia Mingxuan, Li Cheng, Gu Qi*, Zhang Mingzhu*. 

Microcarriers in application for cartilage tissue engineering: Recent progress and challenges. 

Bioactive Materials, 17, (2022) 81-108.

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Bioactive Materials是一本高质量英文期刊，目前已经被SCIE、PubMed Central、Scopus、Embase收录。同时本刊还入选了2019年中国科技期刊卓越行动计划--“高起点新刊”项目。

2022年Bioactive Materials 获得影响因子16.874 ，在Materials Science，Biomaterials领域排名第一。

位于《2021年中国科学院文献情报中心期刊分区表》1区，TOP期刊。

CiteScore 2021: 14.3。