关节软骨损伤的有效修复一直是骨科临床亟待解决的难题。随着组织工程技术的发展，关节软骨修复技术中微组织的应用逐渐发挥着重要的作用，将微组织组装成理想的结构，植入后可以建立细胞连接和有效的物质交换，有利于细胞增殖、分化和功能表型的维持。为模拟软骨特异性基质，脱细胞软骨构建软骨源性微组织可以支持间充质干细胞的软骨发生，并且能够为种子细胞提供早期的修复微环境及适当的力学性能，是微组织中具有潜力的来源之一。

图1.细胞贴附在3D TableTrix® 微载体上进行三维培养

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与传统二维微组织培养相比，三维微组织培养表现出更大的优势。二维环境中培养忽略了微组织中细胞与细胞、细胞与基质间的相互作用，获取时需要物理分离贴壁层从而产生了不必要的机械损伤。而在三维培养过程中，可以更好地模拟组织样微环境并维持间充质干细胞的潜能，微组织内氧气和营养流动增加，细胞 - 细胞和细胞 - 基质相互作用增加，这对软骨的形成和再生至关重要，因此探索更有利于促进微组织软骨形成的三维培养方式对改进微组织培养策略及提高修复效果有重要意义。

原文链接：

https://www.cjter.com/CN/10.12307/2024.191

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Part 1

研究背景

目前的研究中，三维培养方式主要包括复合聚合物支架培养、微球静态培养、生物反应器动态培养等方式，其中微球静态培养可获取高密度的细胞聚集体，对于软骨再生发挥重要作用，而生物反应器动态培养中搅拌旋转式生物反应器是最具成本效益的生物处理系统之一，它可以有效增加营养供应并稀释代谢物，已显示出细胞增殖和细胞外基质合成速率的增加。

图2.基于3D FloTrix® microSPIN 6通道微型生物反应器

三维动态培养效果

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该研究将利用软骨源性微载体负载人源脂肪间充质干细胞构建软骨源性微组织，对比微球静态培养、3D FloTrix® microSPIN 6通道微型生物反应器（搅拌旋转式）动态培养方式对软骨形成的影响，以寻求一种有希望的方法进一步改善微组织修复效果。

Part 2

研究设计

图3.整体研究设计图

通过化学脱细胞方法和组织粉碎方法制备软骨源性微载体，对微载体进行一系列表征；通过三维静态培养法和3D FloTrix® microSPIN 6通道微型生物反应器三维动态培养法，将软骨源性微载体与人脂肪间充质干细胞结合构建软骨源性微组织，利用扫描电子显微镜、活死染色、RT-qPCR等手段检测两组微组织的细胞活力及成软骨能力。

Part 3

研究内容

在实验前期制备了软骨源性微载体的基础上，进行软骨微组织的三维动静态培养方式比较。

图4.三维动静态培养软骨源性微组织的

光镜及扫描电子显微镜照片

▲ 图 A 为光镜下两组微组织的表观形貌，三维静态组微组织聚合成球，表面细胞包裹；三维动态组微组织间相互聚合。B 为扫描电镜下两组微组织的微观形貌，三维静态微组织表面细胞紧密贴附，形态不明显；三维动态微组织表面可见细胞形态舒展，细胞与细胞和基质间广泛连接； 红色箭头表示细胞与细胞间连接，蓝色箭头表示细胞与基质间连接。

图5.三维动静态培养软骨源性微组织

 1d、3d、5 d 活死染色

▲ 随时间增加，三维静态微组织表面细胞数量明显增加，形态不能辨认；三维动态微组织在培养 1 d 时即表现细胞与基质间建立连接，培养 3d、5d时微组织与微组织间连接融合；标尺=100μm；红色圆圈表示微组织中，部分微载体的位置，微载体提供基质支持；橙色箭头表示细胞与基质间建立连接。

图6.三维动静态培养软骨源性微组织成软骨分化后

软骨形成相关基因的mRNA相对表达

▲ SMT 为三维静态微组织，DMT 为三维动态微组织。

Part 4

研究结论

本研究中3D FloTrix® microSPIN 6通道搅拌旋转式生物反应器三维动态培养的软骨源性微组织，相比于三维静态培养具有更好的细胞活性，操作简单且促进软骨形成能力更好。在机械和生物效能两个维度提供了更适宜软骨再生的微环境，有望为实验及临床研究构建微组织提供更有效的方式，为深入研究修复软骨损伤的微组织奠定基础。

Part 5

研究应用材料及设备

3D TableTrix® 微载体

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① 更仿生：由数万颗弹性三维多孔微载体组成，孔隙率>90%，粒径大小可控于50-500μm区间， 均一度≤100μm，形成真正的3D仿生培养。

② 资质全：该产品已获得2项CDE药用辅料资质，登记号为【F20200000496；F20210000003】，3项FDA原料药及药用辅料资质，登记号为【DMF：037798、035481；MF：29721】

③ 易收获：特异性降解技术裂解微载体，收获相较于传统方式更高效更温和。

④ 更安全：拥有权威机构出具的裂解残留检测、细胞毒性、热原反应、遗传毒性、体内免疫毒理学相关质量评价报告以及溶血性、皮下注射局部刺激性、主动全身过敏性、腹腔注射给药毒性等安全性评价报告。

⑤ 易放大：通过3D培养方式，结合华龛生物3D细胞智造平台全线产品可以实现全自动封闭式大规模细胞培养，实现千亿量级细胞收获。

⑥ 更优质：通过3D多孔可降解微载体+ 动态培养技术，进行三维培养，优势显著——培养细胞体积更小、迁徙能力更强，同时具备更卓越的免疫调节和组织修复潜能。

3D FloTrix® microSPIN 

6通道微型生物反应器

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① 六位平行：可同时进行6种工艺条件探索验证，极大缩短研发周期。

② 多模式搅拌：循环搅拌，匀速搅拌，间速搅拌。

③ 十种工艺编程：可预设十种工艺，实现一键操作，便捷高效。

④ 自定义多孔位联动：支持孔位关联功能，实现平行过程控制。

⑤ 高精度控制：转速最小稳态误差控制在±1rpm以内，保证实验结果稳定性。

⑥ 抗磁场干扰技术：自主研发的抗磁场干扰技术，使每个孔位运行时互不干扰。

⑦ 复合散热设计：高导热材质，独立散热风道，维持细胞生长稳态环境。

⑧ 迷你机型：整体高度仅75mm，占用体积0.05m3，一台170L培养箱可放置4台microSPIN反应器，可同时进行24组对照实验。

⑨ 人性化设计：扁平数据线设计，更易从夹缝中穿出；30度倾角视窗设计，便于站立观察。

作者介绍

第一作者：刘伟，山东第一医科大学 ( 山东省医学科学院 )与解放军总医院联合培养硕士，主要从事软骨损伤和组织工程修复研究。

通讯作者：亓建洪，博士，教授，山东第一医科大学 ( 山东省医学科学院 ) 运动医学与康复学院。

共同通讯作者：彭江，博士，研究员，解放军总医院第四医学中心骨科医学部研究所。