Near infrared (NIR) spectroscopy using a fiber optic probe shows great promise for the nondestructive in situ monitoring of tissue engineered construct development; however, the NIR evaluation of matrix components in samples with high water content is challenging, as water absorbances overwhelm the spectra. In this study, we established approaches by which NIR spectroscopy can be used to select optimal individual engineered hydrogel constructs based on matrix content and mechanical properties. NIR spectroscopy of dry standard compounds allowed identification of several absorbances related to collagen and/or proteoglycan (PG), of which only two could be identified in spectra obtained from hydrated constructs, at ∼5940 and 5800 cm-1. In dry sample mixtures, the ratio of these peaks correlated positively to collagen and negatively to PG. In NIR spectra from engineered cartilage hydrogels, these peaks reflected higher collagen and PG content and dynamic modulus values, permitting the differentiation of constructs with poor and good matrix development. Similarly, the increasing baseline offset in raw NIR spectra also reflected matrix development in hydrated constructs. However, weekly monitoring of NIR spectra and the peaks at ∼5940 and 5800 cm-1 was not adequate to differentiate individual constructs based on matrix composition. Interestingly, changes in the baseline offset of raw spectra could be used to evaluate the growth trajectory of individual constructs. These results demonstrate an optimal approach for the use of fiber optic NIR spectroscopy for in situ monitoring of the development of engineered cartilage, which will aid in identifying individual constructs for implantation. Impact statement A current demand in tissue engineering is the establishment of nondestructive approaches to evaluate construct development during growth in vitro. In this article, we demonstrate original nondestructive approaches by which fiber optic NIR spectroscopy can be used to assess matrix (PG and collagen) formation and mechanical properties in hydrogel-based constructs. Our data provide a cohesive molecular-based approach for in situ longitudinal evaluation of construct development during growth in vitro. The establishment of these approaches is a valuable step toward the real-time identification and selection of constructs with optimal properties, which may lead to successful tissue integration upon in vivo implantation.

中文翻译：

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基于水凝胶的工程软骨中基质发育的原位监测方法。

使用光纤探针的近红外（NIR）光谱显示了对组织工程构建体发育的无损原位监测的巨大前景；但是，由于吸水率会使光谱淹没，因此高含水量样品中基质成分的NIR评估颇具挑战。在这项研究中，我们建立了基于基体含量和机械性能可采用近红外光谱法选择最佳的单个工程化水凝胶结构的方法。干燥的标准化合物的NIR光谱可以鉴定出几种与胶原蛋白和/或蛋白聚糖（PG）有关的吸光度，在从水合构建体获得的光谱中，在〜5940和5800 cm-1处只能鉴定出两种。在干燥的样品混合物中，这些峰的比例与胶原蛋白正相关，与PG负相关。在来自工程软骨水凝胶的NIR光谱中，这些峰反映了较高的胶原蛋白和PG含量以及动态模量值，从而可以区分基质发育不良和良好的构建体。同样，原始近红外光谱中基线偏移的增加也反映了水合结构中基质的发展。但是，每周监测NIR光谱和〜5940和5800 cm-1处的峰不足以根据基质组成来区分单个构建体。有趣的是，原始光谱基线偏移的变化可用于评估单个构建体的生长轨迹。这些结果证明了使用光纤NIR光谱技术对工程软骨发展进行原位监测的最佳方法，这将有助于确定用于植入的单个构建体。影响陈述组织工程中的当前需求是建立非破坏性方法来评估体外生长过程中构建体的发育。在本文中，我们演示了原始的非破坏性方法，通过该方法，光纤近红外光谱可用于评估基于水凝胶的构建体中的基质（PG和胶原蛋白）形成和机械性能。我们的数据为体外生长过程中构建体发育的原位纵向评估提供了一种基于内聚分子的方法。这些方法的建立是朝着实时识别和选择具有最佳特性的构建体迈出的重要一步，这可能会导致体内植入后成功进行组织整合。影响陈述组织工程中的当前需求是建立非破坏性方法来评估体外生长过程中构建体的发育。在本文中，我们演示了原始的非破坏性方法，通过该方法，光纤近红外光谱可用于评估基于水凝胶的构建体中的基质（PG和胶原蛋白）形成和机械性能。我们的数据为体外生长过程中构建体发育的原位纵向评估提供了一种基于内聚分子的方法。这些方法的建立是朝着实时识别和选择具有最佳特性的构建体迈出的重要一步，这可能会导致体内植入后成功进行组织整合。影响陈述组织工程中的当前需求是建立非破坏性方法来评估体外生长过程中构建体的发育。在本文中，我们演示了原始的非破坏性方法，通过该方法，光纤近红外光谱可用于评估基于水凝胶的构建体中的基质（PG和胶原蛋白）形成和机械性能。我们的数据为体外生长过程中构建体发育的原位纵向评估提供了一种基于内聚分子的方法。这些方法的建立是朝着实时识别和选择具有最佳特性的构建体迈出的重要一步，这可能会导致体内植入后成功进行组织整合。在本文中，我们演示了原始的非破坏性方法，通过该方法，光纤近红外光谱可用于评估基于水凝胶的构建体中的基质（PG和胶原蛋白）形成和机械性能。我们的数据为体外生长过程中构建体发育的原位纵向评估提供了一种基于内聚分子的方法。这些方法的建立是朝着实时识别和选择具有最佳特性的构建体迈出的重要一步，这可能会导致体内植入后成功进行组织整合。在本文中，我们演示了原始的非破坏性方法，通过该方法，光纤近红外光谱可用于评估基于水凝胶的构建体中的基质（PG和胶原蛋白）形成和机械性能。我们的数据为体外生长过程中构建体发育的原位纵向评估提供了一种基于内聚分子的方法。这些方法的建立是朝着实时识别和选择具有最佳特性的构建体迈出的重要一步，这可能会导致体内植入后成功进行组织整合。我们的数据为体外生长过程中构建体发育的原位纵向评估提供了一种基于内聚分子的方法。这些方法的建立是朝着实时识别和选择具有最佳特性的构建体迈出的重要一步，这可能会导致体内植入后成功进行组织整合。我们的数据为体外生长过程中构建体发育的原位纵向评估提供了一种基于内聚分子的方法。这些方法的建立是朝着实时鉴定和选择具有最佳特性的构建体迈出的重要一步，这可能导致体内植入后成功地组织整合。