研究人员在组织工程方面取得进展

每次你走路、跑步或拿起一杯咖啡时，你的关节都在工作。对于数百万患有骨关节炎(一种退行性关节疾病)的人来说，这些简单的动作会让他们感到难以置信的痛苦。

骨关节炎影响着超过6600万美国人，每年大约花费3030亿美元来治疗这种疾病。

康涅狄格大学生物医学工程副教授Syam Nukavarapu正在开发新颖组织工程技术可以从根本上改善这种情况的治疗。他还在材料科学和工程领域担任联合职务骨科手术在Uconn的医学和牙科医学学院。

目前有两种主要骨关节炎治疗：微折痕手术和组织更换使用自体移植物（来自自己的组织）或同种异体移植物（来自另一个的组织）。微折衷手术在底层中产生微小的骨折，刺激细胞以产生新软骨。这通常会产生机械劣等的新组织，并且随着时间的推移会导致进一步变性。自体移植物或同种异体移植物用供体组织替换受损或患病的组织，如果供体不易获得，这可能是一个问题。该方法还涉及疾病传播和移植失效的担忧随着时间的推移。任何治疗都没有理想或保证。

Nukavarapu修复关节组织的组织工程方法是一种很有前途的新治疗方法，包括制造人造骨软骨或“骨软骨”移植物，可以植入体内促进新组织的形成和修复。

科学家们已经找到了利用组织工程原理产生各种组织类型如皮肤或骨骼的方法。但是当处理复杂的组织时，这就变得更具挑战性了，比如关节，它由覆盖着一层软骨的骨骼组成，这是两个连接在一起的不同组织，被称为“组织-组织”界面。

设计用于支持骨骼和软骨再生的移植物以及界面是一个巨大的工程挑战。

Nukavarapu说:“在复杂的组织修复中，最大的问题不仅仅是再生，而是组织与组织界面的整合。”

尽管存在这一挑战，Nukavarapu和他的实验室（组织工程科学和技术实验室，测试实验室）正在取得成功。他们最近发表了关于12月2020年12月界面组织工程梯度移植平台的研究生物医学材料。Deborah Dorcemus，Nukavarapu的实验室和当前的博士学位，聘用了一场宁静的博士。学生，是共同作者。这种方法的新颖性导致了一个成功的专利，铺平了未来的应用程序。

通过此奖项，测试实验室将使用可生物降解的材料设计和开发脚手架平台，具有所需的配置和几何形状。在该设置中，可以操纵局部生物材料刚度和微环境，以精确控制干细胞的分化为特定的细胞类型。

Nukavarapu的工程移植物的梯度结构逐渐从更多孔的软骨层转变为致密骨层。这似乎是比以前的设计更有效的方法，因为它提供了结构性灵活性和机械整合，同时容纳单个接枝结构中的两个不同的组织类型。软骨层填充有凝胶以模拟软骨组织的结构和物理性质，其自然柔软柔软。

“我们为局部微观结构和软骨修复的性质提供了理想的机械环境，”Nukavarapu说。

该支架的另一个关键特征是能够在空间上提供募集和/或刺激细胞的生长因子物质 - 在这种情况下，引起软骨和骨组织的细胞。

Nukavarapu在整个梯度结构中掺入骨特异性生长因子，这将产生骨骼和凝胶内的软骨生生长因子，这将产生软骨层。到目前为止，结果表明，生长因子在结构中适当地局部地局部地局部化，该结构具有用于接近复杂组织工程的空间生长因子分布的支架，例如接头。

虽然这项技术很有希望，Nukavarapu的实验室继续开发用于组织工程的新的生物材料策略。他的实验室已经证明了能够调节细胞行为的生物材料刚度和地形特征（微型和纳米尺寸）的作用。

这项研究推动了他新的NIH资助的补助金，其中Nukavarapu和他的实验室正在研究如何在组织工程策略中使用物理和结构性提示来控制细胞功能和再生。

通过此奖项，Nukavarapu及其实验室将使用具有所需配置和几何形状的可生物降解的材料设计和开发脚手架平台。在该设置中，可以操纵局部生物材料刚度和微环境，以精确控制干细胞的分化为特定的细胞类型。

该项目的目标是在三维环境中实现几何和物理线索，以设计复杂组织工程的合成移植物。具体来说，骨、软骨和骨-软骨界面的发育。

这些工作将利用增材制造方法来创建具有精确微观结构、刚度和环境的支架结构。生物打印等制造方法的可重复性将使Nukavarapu和他的团队在界面工程领域发现新的领域。

该项目将通过开发新的图像模态来推动组织工程的前沿，以将生物材料刚度和几何形状相关，具有再生组织质量及其功能。达到干细胞的Niche-刺激干细胞产生特定组织类型所需的条件 - 可以提供骨关节炎治疗的歧管改善。

Nukavarapu说:“我们正试图将组织工程提升到一个新的水平。”“如果我们成功了，我们可以为组织工程实施一个以生物材料为中心的范例。”

在这方面，Nukavarapu正在与康州大学健康研究人员Sangamesh Kumbar和Vinayak Sathe合作。

最终，在美国国立卫生研究院新基金的支持下，新的移植系统可以促进新的骨关节炎治疗方法的发展，这将使行走或跑步，也许拿起你最喜欢的咖啡，变得更容易。

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