[发明专利]工程化机械功能性人类软骨和其制备方法

说明书

关于联邦政府赞助研究的声明

本发明是在由国家卫生研究院授予的授权号为DE016525和EB002520的政府支持下完成。政府具有本发明中的某些权利。

技术领域

本公开涉及组织工程化领域，并且更具体地涉及组织工程化机械功能性人类软骨。

背景技术

随着世界人口老龄化，多年来膝盖和髋关节置换术估计增加多倍。此外，肌肉骨骼损伤(例如运动损伤)正在增加，在过去十年中，儿科人群增加了一倍以上。

在体外由患者的细胞产生功能性组织将通过提供由于损伤、疾病或老化而损失或损坏的组织的生物替代物而彻底改革再生医学。对胚胎发育和干细胞生物学的日益增长的理解极大地影响了支架设计、细胞操作以及调节干细胞分化和组织形成的因子(生物化学和物理)的合并的组织工程改造方法。

组织工程改造是软骨再生特别感兴趣的，因为软骨因其无血管性仅展现出极小的内源性愈合能力。软骨疾病的标志特征包括机械特性的损失、胶原蛋白降解、蛋白多糖合成减少以及细胞性降低。修复局灶性软骨病变的方法包括激光焊料焊接、经由骨膜移植物进行的自体移植细胞/组织转移、镶嵌式成形术以及用于软骨再生的自体软骨细胞植入法。虽然这些选择可暂时缓解症状，但它们也会带来长期的问题。

在软骨组织工程改造中，已将支架材料与原代牛软骨细胞一起用于工程改造具有接近于天然组织的特性的软骨。然而，当与人类间充质干细胞(hMSC)一起使用时，这些方法产生了非正常软骨组织，人类间充质干细胞是临床应用的优选细胞来源。

工程改造组织(或甚至器官)的生物替代物变得越来越可信，但仍然面临重大障碍。软骨为组织工程师的主要关注点，因为它是仅含有一种细胞类型的无血管组织，并且最初被认为是一个容易的目标。举例来说，由从患者的膝盖收获并且在培养物中扩增的自体软骨细胞进行的软骨修复提供了细胞治疗产品。然而，从患者的膝盖收获自体软骨细胞与关节炎的发病和风险相关。不同的细胞来源(诸如骨髓或脂肪hMSC)将引起很高的临床兴趣，因为它将避免从膝盖收获组织。

此外，已使用自体和同种异体hMSC作为营养因子的来源，以在临床试验中诱导软骨再生。这些方法中没有一个能产生机械功能性人类软骨。迄今为止，由hMSC产生的软骨的组成和机械特性仍然低于由软骨细胞实现的组成和机械特性。因此，仍然需要机械功能性软骨组织的有效组织工程改造。

发明内容

在第一方面，提供一种包括具机械功能性的工程化人类软骨的医疗装置。工程化软骨展现出天然人类软骨的特性。举例来说，但不限于，工程化软骨具有>800kPa的杨氏模量(Young’s module)和<0.3的平衡摩擦系数。在其他实施方案中，工程化人类软骨具有生理分层特性、刚度或摩擦学特性。

在一个实施方案中，将工程化人类软骨附着至骨基底。在此方面，医疗装置为植入物。在一些实施方案中，工程化人类软骨为解剖学形状的，并且可用于置换或修复骨骼。在此方面，医疗装置和/或工程化软骨可为临床尺寸的，例如厘米尺寸。骨基底可为髁突的关节表面。可例如通过使患者的髁突成像并采用例如3D打印技术将髁突配置成对应于患者的解剖学人类髁突。因此，医疗装置可为针对特定患者的个性化骨软骨组织构建体。在另一个实施方案中，可将工程化软骨用于诸如注射笔等递送装置中，用于局部递送至骨缺损处。

在另一方面，主题涉及解剖学支架。支架包括脱细胞骨基质；和凝集间充质体。在一个实施方案中，凝集间充质体形成设置于骨基底上的致密细胞层。凝集间充质体的致密细胞层和骨基底形成分层结构。

在一些实施方案中，脱细胞骨基质为多孔的，并且凝集间充质体分散在多孔基质中。换句话说，凝集间充质体渗入多孔骨以形成构建体。

在另一方面，提供一种产生骨软骨构建体的方法。该方法包括培养人类间充质干细胞以形成凝集间充质体，然后使凝集间充质体融合或附着于骨基底上。

附图说明

参考附图提供对本文所描述的主题的各个方面、特征以及实施方案的详细描述，以下简要描述附图。图式为说明性的，并且未定按比例绘制，为清楚起见，将一些组件和特征放大。图式说明本主题的各个方面和特征，并且可整体或部分地说明本主题的一个或多个实施方案或实施例。