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Double-edged role of mechanical stimuli and underlying mechanisms in cartilage tissue engineering

软骨 机械转化 组织工程 软骨发生 细胞外基质 静水压力 细胞生物学 再生(生物学) 机械生物学 骨关节炎 生物医学工程 间充质干细胞 化学 解剖 生物 病理 医学 物理 替代医学 热力学
作者
Yao Jia,Hanxiang Le,Xianggang Wang,Jiaxin Zhang,Yan Liu,Jiacheng Ding,Changjun Zheng,Fei Chang
出处
期刊:Frontiers in Bioengineering and Biotechnology [Frontiers Media]
卷期号:11: 1271762-1271762 被引量:50
标识
DOI:10.3389/fbioe.2023.1271762
摘要

Mechanical stimuli regulate the chondrogenic differentiation of mesenchymal stem cells and the homeostasis of chondrocytes, thus affecting implant success in cartilage tissue engineering. The mechanical microenvironment plays fundamental roles in the maturation and maintenance of natural articular cartilage, and the progression of osteoarthritis Hence, cartilage tissue engineering attempts to mimic this environment in vivo to obtain implants that enable a superior regeneration process. However, the specific type of mechanical loading, its optimal regime, and the underlying molecular mechanisms are still under investigation. First, this review delineates the composition and structure of articular cartilage, indicating that the morphology of chondrocytes and components of the extracellular matrix differ from each other to resist forces in three top-to-bottom overlapping zones. Moreover, results from research experiments and clinical trials focusing on the effect of compression, fluid shear stress, hydrostatic pressure, and osmotic pressure are presented and critically evaluated. As a key direction, the latest advances in mechanisms involved in the transduction of external mechanical signals into biological signals are discussed. These mechanical signals are sensed by receptors in the cell membrane, such as primary cilia, integrins, and ion channels, which next activate downstream pathways. Finally, biomaterials with various modifications to mimic the mechanical properties of natural cartilage and the self-designed bioreactors for experiment in vitro are outlined. An improved understanding of biomechanically driven cartilage tissue engineering and the underlying mechanisms is expected to lead to efficient articular cartilage repair for cartilage degeneration and disease.
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