三维细胞培养在骨组织工程中的应用

生物医用材料

中华骨科杂志!""#年!月第!#卷第!期$%&’()*+%,-，./0*12*3!""#，4,56!#，7,6!

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综述

三维细胞培养在骨组织工程中的应用

唐开

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党耕町

增加细胞数量，增强细胞分裂能力。在三维载体上培养骨髓细胞，能够为细胞生长提供最适宜的环境，维持骨髓细胞长

6］

。三维细胞培养系统培养骨髓期存活［

组织工程学是"#世纪$#年代中后

有利于血管组织长入，也能为成骨性细胞表面的力学感受受体提供最佳的压力和张力。

三、三维成骨性细胞的培养

不同来源的成骨性细胞与不同材料的三维立体结构载体在体外共同培养，构成成骨性细胞@载体复合物的三维细

B］

利用胶原凝胞培养系统。A&’,=%&+2等［

期提出和建立起来的一门新兴的交叉学科。骨组织工程的建立和发展，为探索和寻求理想的骨移植替代材料开辟了新的研究领域。三维细胞培养已在骨组织工程中得到广泛的应用。成骨性细胞与载体复合在体外共同培养，是骨组织工程构建的起始和关键。为了促进成骨性细胞与载体的结合，更好地发挥成骨性细胞的功能，许多学者采用了各种具有生物活性的材料来制备载体，对载体材料本身的理化性质、材料的表面性状、载体的几何形状和空间结构及细胞%载体复合物体外共同培养的环境都进行了改进。在此基础上建立起来的三维细胞培养方法能够最有效地移植功能细胞，保持旺盛的细胞活性，最大程度地发挥细胞的功能。

一、三维细胞培养

三维细胞培养是指将具有三维结构不同材料的载体与各种不同种类的细胞在体外共同培养，使细胞能够在载体的三维立体空间结构中迁移、生长，构成三维的细胞&载体复合物。根据培养方式的不同可分为静止三维细胞培养和动态三维细胞培养。体内大多数组织细胞存体外三维的培养环境比二维的培养环境更有利于细胞功能的保持和发挥。如果应用组织工程替代和修复体内具有三维结构的组织和器官，就需要三维细胞培

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在三维载体上培养人的椎间’()*+(等［

间叶干细胞，可有效地促进骨髓间叶细胞向软骨细胞分化，并可以保持软骨细

7］

。目前三维细胞培养胞的显型稳定性［

系统已广泛应用于体内各种组织器官的组织工程细胞&载体复合物的构建。

二、骨组织工程三维结构载体骨组织工程需要制备形态各异，结构类似于小梁骨的三维结构载体，具有开放的孔隙和高度的孔隙间连接。三维立体空间结构的载体能够为成骨性细胞的黏附、增殖、生长和功能发挥提供一个最佳的微环境，同时也能够为新骨组织的形成提供空间和支架。高度的孔隙间连接为成骨性细胞黏附生长提供了较大的空间，细胞也可向多个方向生长，避免发生细胞间的“接触抑制”现象，有利于成骨性细胞的增殖和生长，获得最大的

8］

。载体中较高数量的成骨性细胞数量［

胶载体培养来自骨髓的细胞，发现三维的胶原网络能有效地刺激成骨性细胞的分化。在三维结构多聚体载体上培养成骨细胞，C!周时形成的组织结构类似正常的骨组织。载体产生和保持的空间有

C"］

。利于骨原始细胞的迁移、增殖和分化［CC］

用三维多孔天然骨矿物载体培DE&5等［

养人的小梁骨成骨样细胞，能有效促进细胞的生长，增加细胞外基质合成，形成类似天然骨的三维结构。

（一）静止性三维细胞培养

由于重力作用，静止培养时细胞多聚集到载体的底部和载体之外，载体内部黏附生长的细胞数量很少，导致载体

C!］

内部移植细胞数量的不足。F=%21G等［

细胞，可以有效地促进细胞与细胞间连接，增加信号因子扩散和细胞外基质的合成。多孔立体空间结构有利于氧气和营养物质的传输和代谢产物的排出，保植到体内后，能够提供足够的空间以利于血管组织向载体内部生长，保证了细胞的存活和功能的发挥。三维载体的空间结构、孔隙大小和孔隙率直接影响骨

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等［的研究表明，孔的力学强度。931:3+4

研究发现，静止培养!?%仅有一部分种

C#］

种植植的细胞保持在载体中。H,53等［

细胞到三维载体中静止培养，载体内部的最大细胞数量占最初种植细胞数量的其余I9:的细胞均在载体的底部。!9:，

载体中细胞的数量对体外和体内骨组织的形成起关键的作用，静止细胞培养方法限制了载体内部细胞的数量，从而影响骨组织的形成。除了细胞数量的限制外，还限制了细胞生长的深度。将骨髓细胞在三维载体上培养，仅在外表层产生矿化的组织，在载体的内部很少或没有

C?］

。组织学观察发现大量的骨组织生成［

在于三维的组织结构中，许多研究发现，持了载体内部细胞旺盛的代谢活性。移

养方法所构建的细胞&载体复合物。组织向载体内部生长的速度和载体本身盘细胞，发现能够保持椎间盘细胞的形

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态，促进细胞功能的发挥。进行-../等［

隙大小平均7<<!8最适于骨组织载体内部生长，孔隙率占9":!;":即能很好地保持载体的力学强度；孔隙小于#""虽然较!8不利于骨组织载体内部生长。大的孔隙可以进一步提高骨组织载体内生长速度，但是在孔隙增大和增多的同

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认为体内获得骨生长的最佳</’’&=等［

软骨细胞的三维培养，可以促进软骨细

5］

研胞增殖和细胞外基质合成。0123+4等［

细胞增殖和矿化组织仅存在于载体表面载体的中心部位仅C!"!!9"!8范围内，

C!］

。尽管三维结构的有极少数量的细胞［

究表明，三维细胞培养系统能够有效地促进造血干细胞的活性，在无细胞因子

但是，采存在时仍能保持造血干细胞长期存活，时也降低了载体的力学强度。近期，载体适合于骨组织工程的应用，

用静止细胞培养方法则不利于细胞向载体内部生长，培养液很难扩散渗透到载

作者单位：,<<<$5!北京大学第三医院骨科

孔隙范围是!""!?""!8。这种孔隙范围