Protocol
모든 실험은 스탠포드 대학 인간 피험자의 지침에 따라 수행 기관 심사위원회 프로토콜을 승인했다.
1. 관절 연골 세포의 분리
- 슬관절 전 치환술시 폐기 조직에서 연골을 얻기 이전 8 설명한 바와 같이 해부.
- 시각적으로 매끄러운 표면에 대한 연골 샘플들의 내측 또는 외측 대퇴골을 선택 및 연골 하골에 영향을주지 않고 4~5mm 연골 생검을 제거하기 위해 메스 통해 연골의 표면에 절개를.
- 정제 콜라게나 제와 O / N 처리와 조직의 효소 분해하여 세포 외 기질에서 연골 세포를 분리합니다. 37 ° C에서 연골 세포 성장 미디어 콜라게나 II (125 U / ㎖) 및 콜라게나 IV (160 U / ㎖)의 1의 비율 : 1을 사용합니다.
- 다음 날, 70를 통해 해리 세포를 포함하는 조직 분해를 필터링mm 크기의 나일론 메쉬 기공. 5 분 동안 600 XG에 DMEM / F12와 원심 분리기 20 ㎖로 2 회 세척 할 것.
- 10 % 소 태아 혈청 (FBS)이 보충 된 DMEM / F12 재 현탁액 25 μg의 / ㎖ 아스코르브 산, 2 mM L- 글루타민, 항생제 다음 1 × 106 세포 / 60mm 배양 접시의 밀도로 격리 연골 판형 (100 U / ㎖ 페니실린, 100 μg의 / ㎖ 스트렙토 마이신, 0.25 μg의 / ㎖ fungizone). 이전에 생체 모방 히드로 겔에 캡슐에 37 ° C에서 접시를 유지하고 고밀도 단층로 기본 연골 세포 배양을 유지한다.
2. 생체 모방 하이드로 겔의 제조
참고 :이 방법은 허용 된 폴리 (에틸렌 글리콜 디 아크릴 레이트) (PEGDA, MW 5,000g / 몰), DPBS에 콘드로이틴 설페이트 - 메타 크릴 레이트 (CS-MA)를 함유하는 하이드로 겔의 생체 모방 합성. 광개시제의 첨가는 광 활성화 가교 결합을 가능하게한다. 최종적인 하이드로 겔 조성물이 7 %가 체중이 포함T / 볼륨 (W / V) PEGDA의 3 % CS-MA의 V / W 및 광개시제의 V / W 0.05 %.
- 메타 크릴 레이트 그룹과 CS 폴리머를 기능화하여 CS-MA를 합성.
- MES의 1.952 g 및 탈 이온수 200 ㎖의 염화나트륨 5.84 G (DiH 2 O)을 용해하여 50 mM의 2 morpholinoethanesulfonic 산 (MES) 및 0.5 M 염화 나트륨 (NaCl을)의 완충 용액을 준비합니다. 완충 용액에 콘드로이틴 설페이트 나트륨 염 5 g의 용해.
- (: EDC = 1 : 2의 몰비 NHS)로 0.532 g (4.62 mmol)의 N- 히드 록시 숙신이 미드 (NHS) 및 1.771 g (9.24 밀리몰), 1- 에틸 -3- (3- 디메틸 아미노 프로필) 카르 보디이 미드 히드로 클로라이드 (EDC)를 추가 5 분을위한 솔루션 및 교반.
- 용액을 24 시간 동안 실온에서 반응을 유지한다 (2 : 1 : EDC : AEMA NHS = 1의 몰비) 0.765 g (4.62 밀리몰)의 2- 아미노 에틸 메타 크릴 레이트 (AEMA)를 추가한다.
- 투석 튜브 (12 ~ 14 kDa의 MWCO)를 사용하여 4 일 동안 탈 이온수에 대한 투석 (diH 2 O)에 의한 혼합물을 정화.
- P 필터0.22 μm의 필터를 통해 urified 솔루션 및 건조기, 진공 O / N에서 솔루션을 포함하는 개방형 튜브를 놓습니다. 모든 튜브는 빛으로부터 보호되어 있는지 확인합니다. 빛과 습기로부터 보호 -20 ° C에서 용해 된 폴리머를 저장합니다.
3. 세포 캡슐화
- (셀 - 라덴 3D 하이드로 겔을 펀칭에 대한) PCR 필름과 원통형 막대를 압력솥과 자외선 아래에서 조직 문화 후드에서 0.2 μm의 필터링 된 70 % 에탄올에 침수에 의해 주문 제작 원통형 겔 금형을 소독.
- 기포 또는 누수를 방지하기위한 간극없이 멸균 PCR 막을 겔 몰드의 하부를 밀봉. 멸균 150mm 판에 보관하십시오.
- 종래의 하이드로 겔의 생체 모방 전지 밀봉에 날, 콜라게나 제 II에서 O / N 처리 및 콜라게나 제 IV 용액 고밀도 연골 세포 단층을 해리. 콜라게나 VI 각 연골 세포 성장 미디어 콜라게나 II 125 U / ㎖와 160 U는 / ㎖를 사용하여37 ° C에서.
- 50 ㎖ 튜브를 가지고 추가 5 % 중량 / 부피 (w / v)의 폴리 (에틸렌 글리콜 디 아크릴 레이트) (PEGDA, MW = 5,000g / 몰), w 3 % / V 콘드로이틴 설페이트 - 메타 크릴 레이트 (CS-MA)를, 및 DPBS에 V 광개시제 / W 0.05 %. 솔루션을 혼합하여 따로 보관 유지하는 튜브를 소용돌이. 빛으로부터 튜브를 보호합니다.
- , 50 mL의 팔콘 튜브에 세포를 수집 해리 5 분 동안 460 XG에 카운트 원심. 흡 인물은 모든 셀 관으로부터 미디어 및 15 × 106 세포 / ml의 밀도로 세포를 다시 일시 중단 상기 혼합 겔 물질을 추가한다. 공기를 피하는 형성 거품 동안 30 회 철저하게 섞는다.
- 피펫 (72) 사용자 정의 만든 원통형 겔 금형에 셀 하이드로 겔 현탁액 또는 단독으로 하이드로 겔의 μL 및 5 분 동안 3 mW의 / 평방 미터에 자외선 (365 nm 파장)에 대한 노출을 통해 겔화를 유도한다. 더 셀 내용 일부 하이드로 겔 솔루션을 준비합니다. 미래의 생화학 적 및 기계적 시험에 대한 음성 대조군 이러한 구조를 사용합니다. MeasuUV 강도 측정기 UV 광의 세기 재. 강도를 조정하기 위해, UV 광원 겔화시 하이드로 겔 지지체 사이의 거리를 변경.
참고 : 하이드로 겔 (CS)를 포함하기 때문에, 무 세포 기여 만 휴대 개그를 표현하기 위해 세포 함유 하이드로 겔의 생화학 개그 내용에서 제외됩니다. - 오프 쉽게 껍질의 필름을 잘라 메스를 사용하여 조심스럽게 제거합니다. 원통형 막대의 도움으로, 비중 합 젤 느슨한 세포를 씻어 살균 DPBS 5 ㎖로 6 웰 플레이트에 젤을 밀어.
- 문화 아니라 각으로 연골 세포의 성장 매체의 1.5 ml에 포함 된 24 웰 플레이트의 세포 함유 하이드로 겔. 우물에 세척 하이드로 겔을 전송하는 일회용 주걱을 사용합니다.
- 생존 / 세포 독성 키트를 사용하여 라이브 죽은 염색 24 시간 후 캡슐에 의해 세포 생존 능력을 평가합니다. 문화 신선한 연골 세포 촉진제로 변경 3~6주의 세포 함유 하이드로 겔과 빈 하이드로 겔2 일마다 분석을 위해 수확 전에 미디어 WTH.
4. RNA 추출 및 유전자 발현 분석
- 조심스럽게 미디어를 기음과 세포 - 라덴뿐만 아니라 빈 제어 하이드로 겔에 멸균 PBS 1X했습니다.
- 멸균 주걱의 도움으로, 깨끗한 1.5 ㎖의 에펜 도르프 튜브에 각각의 하이드로 겔을 전송하고 각 튜브에 트라이 시약 250 μL를 추가합니다. RNA를 분리 제조업체의 지침을 따르십시오.
- RNA 분리 및 정량 사용 각 샘플에서 그것의 1 μg의 이후 대용량 cDNA를 역 전사 키트를 사용하는 cDNA로 반전 전사를 수행합니다.
- 정량 PCR에 관심의 유전자의 발현의 시험에의 TaqMan 유전자 발현의 배열을 사용합니다. 내부적 GAPDH 유전자 발현 수준을 정상화.
- PCR 조건 : 10이어서 우라실 DNA 글리코와 이전 증폭 물을 불 활성화하여 50 ℃에서 2 분의 인큐베이션을 포함60; 95 ° C에서 배양 분당의 Taq 중합 효소를 활성화합니다. 이어서 95 ° C에서 15 초로 구성된 PCR 사이클의 마흔을 수행하고, 60 ℃에서 1 분.
5. 생화학 적 분석
- 각 셀 하이드로 겔 구조를 들어 DNA와 다음과 같은 황산 글리코 사 미노 글리 칸 (sGAG) 생산을 정량화.
- 조심스럽게 미디어를 기음과 세포 - 라덴뿐만 아니라 빈 제어 하이드로 겔에 멸균 PBS 1X했습니다. 빈 튜브를 달아 티슈 페이퍼에 그것을 블로 팅 후 내부의 하이드로 겔을 넣고 하이드로 겔의 중량 젖은 무게를 기록한다.
- 효소 소화에 대한 별도의 1.5 ㎖의 에펜 도르프 튜브에 -20 ° C에서 각각의 하이드로 겔을 동결 이상 (GAG에 대한) (DNA에 대한) Picogreen 분석 및 디메틸 메틸렌 블루 분석을 실행하는 소화 제품의 나누어지는을 사용합니다.
- 하이드로 겔의 효소 소화 papainase 솔루션을 준비합니다.
- 제 phosphat 나트륨 7.1 g을 칭량하여 PBE 버퍼를 준비전자 이염 (나 2 HPO 4) 및 에틸렌 디아민 테트라 아세트산이 나트륨 염 (EDTA-나 2) 1.6 g을. , DH 2 O 500ml에 녹이고 6.5로 pH를 조정하고 0.22 mm 필터를 통해 정화 된 용액을 필터.
- PBE 완충액 20ml에 -L- 시스테인 0.035 g을 녹인다. 솔루션 및 멸균 파파인 효소의 100 μl를 필터링합니다.
- 준비 분석을 수행 할 때, -20 ° C에서 튜브를 타고 얼어 붙은 하이드로 겔을 준비 파파인 솔루션의 300 μl를 추가합니다. 박격포와 유 봉 젤 크러시와 모터 유봉과 잘 섞는다.
- 추가 파파인 용액 500 μL에 볼륨을 가져와. 제어 겔에 대해 동일한 절차를 수행한다. 16 시간 3,9 60 ° C에서 품어. 소화 하이드로 겔을 포함하는 용액 따라서 DNA와 개그 정량에 사용 할 수 있습니다. 제조자의 PR 다음 표준 람다 파아지 DNA와 Picogreen 분석법을 이용 DNA 함량을 측정otocol.
- 1,9- 디메틸 메틸렌 블루 (DMMB) 표준 10 상어 콘드로이틴 설페이트와 염료 결합 분석법을 이용하여 황산 GAG 함량을 정량화. 해당 젖은 무게 GAG의 양을 분할함으로써 GAG 함량을 결정한다.
6. 기계적 시험
- 10 N 하중 셀이 장착 5944 인스 트론 시험 장치를 이용하여 일축 압축 시험을 수행한다.
- 체외 배양의 바람직한 일 후, 세포 - 하이드로 겔 지지체와 무 세포 제어 하이드로 겔에 압축 시험을 수행한다.
- RT에서 PBS 욕에서 시험편을 담그고 하중 조건 하에서 연골 조직에 의해 경험 생리 변형 때문에 15 % (11, 12)의 최대 변형률 1 % 스트레인 / sec의 속도로 압축하는 것은 10 내지 20 %의 것으로보고되었다 (13, 14).
- 3 차 다항식을 사용하여 변형 곡선과 곡선 맞춤 대 스트레스를 만듭니다. COMPR 결정15 %의 변형률 값의 곡선에 맞게 방정식에서 (메모리) 접선 계수.
Representative Results
PEG 및 CS 부분 (그림 1)를 포함하는 생리 활성 하이드로 겔은 인간의 관절 연골 세포의 2,3,5,7의 문화와 성숙을위한 이상적인 플랫폼을 나타냅니다. 다양한 연령 및 질환 상태에서 연골 세포는 배양 한 방법 및 그 표현형, 유전자 발현 및 생성 된 연골 조직의 생화학 적 및 기계적 성질에 대해 분석 할 수있다. 세 연골 세포 샘플, juvenile- 6개월, adult- 34년 및 osteoarthritic- 74년는 3D 생체 모방 히드로 겔 문화 3 주 후에 수확했다. 유전자 발현이 정상 연골, 청소년 및 성인 둘 분석, 연골 세포 및 유전자 Col2a1 Col6a1의 발현 증가를 보였다. Col6a1 (도 2)의 발현을 유지 유리한 생체 모방 환경에서 배양 표현형 불구 연골의 손실을 표시하는 동안 반대로, 병든 연골 Col2a1의 극적인 감소를 나타내었다.
CS-PEG 하이드로 겔은 또한, 연골 세포가 증식하는 동적 환경 역할 PEG 및 CS의 기존 매트릭스를 소화하고 그들의 pericellular 및 세포 외 기질, 성숙한 연골 조직의 주성분을 침착. 체외 배양 3 주 후 연골 세포의 확장, 이러한 능력을 감안할 때이 Picogreen 염료와 DNA의 정량에 의해 추정 할 수있다. 세포의 세 그룹의 비교 분석은 OA 연골 세포는 배양 1 일째에 비해 극적으로 감소 발휘하면서 청소년 및 성인 인구의 셀 밀도는 변하지 것을 보여준다. DNA 함량의 감소는 장기 배양 (도 3) 중에 가능한 세포 사멸을 시사 다른 OA 연골 위해 아니지만 관찰되었다. 분비 매트릭스는 배양 3 주 후에 종료점 단계 DMMB 염료 결합 분석하여 설페이트 화 - GAG 함량으로 정량 하였다. GAG 컨텐츠 recor 같은 하이드로 겔의 습윤 중량을 기준으로 규격화DED 효소 소화와 무 세포 기여 전에 뺀다. 도 4에 도시 된 바와 같이, 연골 세포는 하이드로 겔의 3 차원 배양 3 주 동안 GAG 유사한 상당한 양의 증착.
물리적 골격의 존재는 일축 압축 시험의 2,3를 통해 샘플의 생체 역학적 특성의 평가를 할 수 있습니다. 무 세포 하이드로 겔은 압축 계수의 감소를 겪는 동안, 세포 - 라덴 구조는 문화 3 주 (그림 4) 후 압축 계수를 유지했다. 표현형, 여기에 설명 된 생화학 및 생 역학적 분석 평가 및 엔지니어링 연골에 대해 서로 다른 연골 세포 인구의 잠재력을 이해 때문에 유용하다.
3D의 연골 세포의 막 다른 1. PEG-CS 생체 모방 하이드로 겔 그림스트럭처. 연골 세포는 폴리 (에틸렌 글리콜 디 아크릴 레이트) (PEGDA) 콘드로이틴 설페이트 - 메타 크릴 레이트 (CS-MA) 및 주문 제작 겔 원통형 금형에 캐스팅을 포함하는 혼합물에 재현 탁된다. 자외선 노출 후, 젤은 금형에서 수집 및 세포 생존 라이브 죽은 염색 24 시간 후 캡슐에 의해 평가된다 응고. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3D 생체 모방 하이드로 겔에서 배양 된 연골 세포에서 연골 유전자의 2 식입니다. 3D 생체 모방 히드로 겔 문화 3 주 후에 청소년, 성인 및 OA 연골 세포로 연골 마커 Col2a1 및 Col6a1의 정량적 유전자 발현. 값이 1 일 때 오류 B에서 유전자 발현 수준으로 정상화된다ARS는 평균 ± SD 나타냅니다. * P는 <양측 '학생의 t 분포'에 의해 결정되는 바와 같이, 0.05. Smeriglio 등에서 수정. (2) 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
3D 생체 모방 하이드로 겔에서 배양 된 연골 세포 그림 3. DNA 콘텐츠. 3D 생체 모방 히드로 겔 문화 3 주 후에 청소년, 성인 및 골관절염 연골 세포에서 Picogreen 분석에 의한 DNA 정량. 값은 하루 1에서 DNA 수준으로 정상화되는 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
<BR /> 그림 4. 개그 콘텐츠 측정 및 1 일에서 3 차원 생체 모방 히드로 겔 문화 3 주 후에 인간의 연골 세포의 일축 압축 시험. 1 일에서 연골 세포와 문화 3 주 후에 DMMB 분석에 의해 (A) 개그 정량 3D 생체 모방 하이드로 겔. 값은 무게 (전주) 적시에 정규화 및 μg의 / G로 표시됩니다. 하루에 1에서와 3D 생체 모방 히드로 겔 문화 3 주 후에 무 세포 및 세포 함유 하이드로 겔의 (B) 압축 계수 (kPa의). 보려면 여기를 클릭하십시오 이 그림의 더 큰 버전.
Discussion
이 프로토콜에보고 된 바와 같이, 3D 하이드로 겔은 일반적으로 단층 배양 물 (15)가 발생 섬유 연골 세포로 세포의 탈분화 과정을 회피 배양 연골 세포 표현형을 유지할 수있다. 또한, chondrocytes- 하이드로 겔 구조의 장기 문화는 연령과 질병에 관련된 고유 세포 기능을 유지하는 유리한 환경을 밝혔다.
3D 생체 모방 하이드로 겔의 사용은 몇 가지 장점을 갖는다. 우선, 콘드로이틴 설페이트의 포함 (CS), 관절 연골에서 발견되는 주요 성분은, chondroitinase 분비하여 하이드로 겔 매트릭스를 분해 및 세포 외 매트릭스 5, 16 새로 합성 된 연골 누워 세포를 가능하게한다. 또한, CS는 도시 된 관절염 관절의 항 염증 특성을 가지고있다. 하이드로 겔은 또한 생체 모방 연골 복구 세포 전달을위한 발판 재료로서 사용될 수 있고, 화학적으로 변형 될 수있다좋은 생체 조직 (17, 18)를 통합 촉진한다.
PEG-CS 하이드로 겔의 사용은 장기간의 연골 세포의 배양 및 생화학 적 및 기계적 성질의 평가를 허용한다. 여기에서 우리는이 플랫폼은 연골 엔지니어링을위한 최적의 세포 유형을 정의하기 위해 차별화 된 연골 세포의 다양한 소스의 비교 분석에 유용 할 수 방법을 보여줍니다. 흥미롭게도, 하이드로 겔에 캡슐화 된 연골 세포는 자신의 고유 능력에 따라 가능한 유지 및 증식. 하이드로 겔 조성물 지지체는 사실상 건강한 소아 및 성인 연골 세포의 성장은도 2에 도시 된 바와 같이. 기술 된 하이드로 겔의 조성과 구조는 연골 조직의 형성을 촉진하는 글리코 사 미노 글리 칸에 의해 평가 기능 외 기질의 증착 (GAG로 나타낸 바와 ) 정량.
추가적인 장점은 연골 - 하이드로 겔 구조이다새로 형성된 연골 조직의 기계적 특성에 대해 평가 될 수있다. 일축 압축 시험 비교를 위해 무 세포 하이드로 겔에서 수행되어야합니다. 하이드로 겔은 사실 때문에 CS 부분의 강성 극한 강도를 갖는다. (변형 속도 / s 1 %에서) 5-20%의 일축 압축 변형은 하중 조건 하에서 연골 조직에 의해 경험 생리 균주 보낸 연골 조직 (11, 12)의 기계적 시험에 적용될 수는 10-20 인 것으로보고되었다 % (13, 14). 기계적 시험에 세포 - 라덴과 무 세포 모두 하이드로 겔의 응답은 문화 엔드 포인트에서 평가 하였다. 설명 된 예에서는 OA 연골 세포를 포함하는 구조체의 하부의 강성 대조적 성인 및 청소년 연골 함유 구조체의 강성을 비교 관찰 위에. 셀 하이드로 겔 구조의 기계적 특성의 기능적 특성의 평가를 허용세포 성숙 능력에 대한 심층적 인 분석을 제공 형성 조직.
결론적으로, 연골 조직을 생성하기 위해 다른 연골 세포 모집단의 잠재력을 연구하는 3D 생체 모방 하이드로 겔의 사용은 광범위하게 적용될 수있다. 여기에 기술 된 시험 관내 연구 이외에도, 세포 함유 구조체의 생체 내 이식 생리 컨텍스트에서 세포 성숙 및 재생 가능성을 연구하기 위해 구상 될 수있다. 추가적인 생체 모방 인자 하이드로 플랫폼의 추가 수정은 연골 세포의 증식 및 성숙을 최적화하기 위해 구상 될 수있다.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| juvenile chondrocytes (Clonetics Normal Human Chondrocyte Cell System ) | Lonza | CC-2550 | |
| adult chondrocytes (Clonetics Normal Human Chondrocyte Cell System) | Lonza | CC-2550 | |
| poly(ethylene glycol diacrylate) | Laysan Bio | ACRL-PEG-ACRL-1000-1g | |
| 2-morpholinoethanesulfonic acid | Sigma | M5287 | |
| photoinitiator | Irgacure | 2959 | |
| sodium chloride | Sigma | S9888 | |
| chondroitin sulfate sodium salt | Sigma | C9819 | |
| N-hydroxysuccinimide | Sigma | 130672 | |
| 1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)-carbodiimide hydrochloride | Sigma | E1769 | |
| 2-aminoethyl methacrylate | Sigma | 516155 | |
| dialysis tubing | Spectrum Laboratories | 132700 | |
| Collagenase 2 | Worthington Biochemical | LS004177 | |
| Collagenase 4 | Worthington Biochemical | LS004189 | |
| DMEM/F12 media | HyClone, Thermo Scientific | SH3002301 | |
| live/dead assay | Life Technologies | L3224 | |
| Tri reagent | Life Technologies | AM9738 | |
| Quant-iT PicoGreen dsDNA Assay Kit | Invitrogen | P11496 | |
| Sodium phosphate dibasic | Sigma | S3264 | |
| Ethylenediaminetetraacetic acid disodium salt | Sigma | E5134 | |
| L-Cysteine | Sigma | C1276 | |
| 1,9-dimethylmethylene blue | Sigma | 341088 | |
| Instruments | |||
| UV light equipment - XX-15LW Bench Lamp, 365 nm | UVP | 95-0042-07 | |
| Instron 5944 testing system | Instron Corporation | E5940 |
References
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