DOI: 10.1021/acsami.9b17266
在骨软骨界面内，细胞和细胞外基质梯度为稳态组织功能提供了生物力学和生化生态位。产后关节负荷对于这种组织梯度的发展至关重要，导致以深度依赖的方式形成由软骨的浅、中、深部区域以及软骨下骨构成的功能性骨软骨组织。在这方面，一种新颖的可变核-壳电纺技术被用来在动态压缩载荷下在三维支架内产生空间控制的应变梯度，从而实现局部应变幅度依赖性的多表型干细胞分化。人间充质干细胞在具有线性或双相机械梯度的电纺丝支架中培养，该梯度经过工程计算和实验验证。细胞/支架构建体在成骨介质中以支架深度依赖的方式承受不同强度的动态压缩应变，频率为1 hz，每天2小时，持续42天。在压缩性较大的区域观察到了软骨生成标记（ACAN，COL2A1，PRG4）的空间表达上调和糖胺聚糖沉积。相反，成骨标记物（COL1A1，SPARC，RUNX2）和钙沉积被下调以响应高局部压缩应变。动态力学分析表明仅在动态培养条件下才能维持工程机械梯度，从而确认了生物力学梯度在发展和维持组织梯度中的强大作用。这些结果表明，人间充质干细胞的多表型分化可以通过调节局部的机械微环境来控制，为骨软骨组织中梯度结构的重建提供了一种新的策略，有助于体内损伤关节的成功再生和体外界面组织模型的建立。
图1.具有各种中空芯层尺寸的核-壳微纤维支架的机械性能。用以下核（PEG）：壳（PCL）流速比（mL / hr）合成的电纺核-壳微纤维的代表性横截面SEM图像：（A）0:11，（B）1:10，（C）2：9，（D）3：8，（E）4：7，（F）5：6和（G）6：5（比例尺= 5 µm）。静电纺丝后，PEG芯层被PBS浸出。（H）每个条件下，整体和中空芯层的尺寸。（I）由不同芯层合成的3毫米厚的电纺支架的代表性压缩应力-应变图，如（A）-（G）中所示的壳流速。（J）通过调节芯层：壳流速比，随着中空芯层尺寸的增加，电纺支架的平衡模量表现出降低的机械性能。
图2.具有相对于支架厚度的中空芯尺寸梯度的微纤维支架的合成和表征。 通过在静电纺丝过程中动态改变芯和壳的流速（A和B），以在中空芯的尺寸上产生线性（A和C）或双相（B和D）梯度，来合成由变化的中空芯尺寸组成的整体式支架， 从而获得机械性能。（A和B）逆向控制核壳流速，同时保持总合并流速为11 mL / hr。（C和D）电纺支架的垂直横截面扫描电镜图像，显示中空芯尺寸以线性梯度（C）或双相梯度（D）以深度依赖方式（插图）连续变化，且总纤维直径相对均匀（比例尺：整体视图和插图分别为1 mm和10 µm）。
图3.线性和双相应变梯度的计算模型及其实验验证。利用COMSOL多物理场的计算模型来预测在压缩载荷下由（A）线性或（B）双相堆芯尺寸梯度产生的应变梯度。通过数字图像相关（DIC）技术将模型预测与实验测量值进行比较，以跟踪（C）线性和（D）双相梯度的压缩应变的局部变化。
图4.由相对基因表达确定的工程线性应变梯度支架中人间充质干细胞的成骨或成软骨分化。通过qRT-PCR测定成骨标记物（COL1A1，ON（SPARC）和RUNX2）和成软骨标记物（ACAN，COL2A1和 PRG4）。每种基因表达相对于细胞的表达标准化后，再接种到支架中。*和**分别表示p <0.05和p <0.01（n = 6）。
图5.由相对基因表达确定的工程化双相应变梯度支架中人间充质干细胞的成骨或成软骨分化。通过qRT-PCR测定成骨标记物（COL1A1，ON（SPARC）和RUNX2）和软骨形成标记物（ACAN，COL2A1和 PRG4）。将每种基因表达相对于细胞的表达标准化后，再接种到支架中。 *和**分别表示p <0.05和p <0.01（n = 6）。
图6.在各种梯度条件下培养的细胞/支架构建体的代表性组织学图像，显示出不同的细胞外基质组成。将培养了49天的具有线性或双相梯度的细胞/支架构建体进行组织学成像（钙茜素为茜素红，糖胺聚糖为阿尔辛蓝）以评估空间调节的细胞外基质沉积（比例尺：250 µm）
图7.通过动态细胞培养维持应变梯度。通过动态细胞培养（B和D）维持工程应变梯度持续49天，而静态培养（A和C）导致梯度损失。
图8.具有各种工程梯度配置和培养持续时间的细胞/支架构建体的动态力学分析。通过在长达49天（n = 6）的不同时间点测量压缩模量来评估细胞/支架梯度构建体的机械性能。
