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小木蟲論壇-學術科研互動平臺 » 材料區(qū) » 生物材料 » 前沿資訊 » 負載細胞的可注射性絲酸水凝膠
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負載細胞的可注射性絲酸水凝膠
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胞載水凝膠在組織工程和再生醫(yī)學領域中具有巨大的潛力。它們的主要功能是模擬細胞在體內所處的自然環(huán)境，為細胞提供三維（3D）的培養(yǎng)和控制方法。胞載水凝膠已被廣泛應用于各種領域，包括細胞傳遞、疾病建模以及為患者定制的工程組織的開發(fā)。理想的胞載水凝膠應具備以下特點：高生物相容性：以確保不會引發(fā)不良的免疫反應；良好的力學性能：其強度應與設計用于替代的特定組織相匹配；有效的物質傳輸能力：以確保營養(yǎng)物質和廢物能夠充分擴散；適當的可降解性：以允許新組織逐漸取代水凝膠結構。通過滿足這些標準，胞載水凝膠可以為細胞提供理想的生長環(huán)境，從而實現更有效的組織再生和醫(yī)學應用。 源自蠶繭的絲素蛋白是一種天然的蛋白質，因其卓越的機械性能、良好的生物相容性和可降解性而備受科學家們的青睞。絲素蛋白水凝膠是通過在特定化學或物理條件下，絲素蛋白自組裝而形成的。然而，之前的研究顯示，絲素蛋白水凝膠的形成通常需要在非生理條件下進行，如高溫、低酸度環(huán)境、有機溶劑、交聯(lián)劑等，或者需要經歷如渦流和超聲處理等處理方式。這些條件往往會導致細胞相容性的降低，從而限制了絲素蛋白水凝膠作為載有細胞的生物材料的應用。 正因為絲素蛋白具有上述獨特的特性，越來越多的科學家們開始關注其在胞載水凝膠領域的應用研究。西湖大學郭成辰研究員提出了一種基于絲酸的可注射的細胞負載水凝膠系統(tǒng)，絲酸是天然絲素蛋白的羧化衍生物，在生物醫(yī)學中表現出有前景的應用。研究成果以“Injectable Cell-Laden Silk Acid Hydrogel”為題于2023年11月29日在線發(fā)表在《Chemical Communications》（IF 4.9）上。 在這項工作中，作者首先利用一步修飾反應在絲蛋白上進行高效的羧基化改性，通過改變修飾反應條件，絲酸（SA）的羧基化修飾程度可以被精確控制，且最高的修飾程度可達9.5 %。隨后，將SA溶解在HEPES溶液（pH7.4，這是細胞培養(yǎng)基中使用的相同緩沖液）中，并在37 ℃下孵育，觀察到了SA水凝膠的自發(fā)形成。相比之下，未經改性的絲蛋白在相同的條件下并沒有表現出形成水凝膠的特性。SA水凝膠在完成凝膠化過程后，變得不透明，與絲素蛋白水凝膠類似。通過傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）進行檢測，發(fā)現酰胺I的峰值從1645 cm-1變?yōu)榱?620 cm-1，這表明在自組裝過程中形成了β-折疊結構。進一步觀察發(fā)現，β-折疊結構會轉化成半結晶結構，這就是導致SA水凝膠的光透射率降低的原因。實驗結果表明，SA的自組裝形成水凝膠需要在37 ℃下反應大約36小時。相比之下，在相同的條件下，絲素蛋白溶液的吸光度保持較低，這表明自組裝程度微乎其微。 作者研究了緩沖液和pH值對SA自組裝的影響。發(fā)現SA在各種緩沖液中均可自組裝，但pH值對其影響顯著。在弱酸性環(huán)境中，SA無法在三天內自組裝成水凝膠；而提高pH值可加速其自組裝過程，在弱堿性環(huán)境中約24小時內可完成凝膠化。此外，足夠的離子強度對SA的凝膠化是必要的，最佳的NaCl濃度為75-300 mM，與生理水平一致。圓二色光譜（CD）和傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）進一步證明了SA在溶膠-凝膠轉變過程中二級結構的變化。隨著自組裝的發(fā)展，219nm的帶開始出現并逐漸增強，表明二級結構向β-折疊結構的轉變。這些結果證實了SA的自組裝是由隨機線圈結構向β-折疊結構的結構轉變所致。 作者同時還研究了SA在溶膠-凝膠轉變過程中的流變性質。在最初的12小時內，SA保持溶液狀態(tài)，模量低于1 Pa。培養(yǎng)24小時后，模量增加到約100 Pa，表明發(fā)生了凝膠狀態(tài)。48小時后，儲能模量達到約1000 Pa的平臺期。值得注意的是，SA水凝膠的模量遠低于絲纖維蛋白水凝膠的模量，這可能是由于SA水凝膠中β-折疊結構含量較低。此外，SA水凝膠具有剪切稀化和可注射性，粘度在高的應變下降低，而在小的應變下迅速恢復到凝膠狀態(tài)。這使得SA水凝膠容易通過21號針頭擠壓出來。這些流變性質表明，SA水凝膠具有很好的生物相容性和可加工性，可用于細胞培養(yǎng)和生物打印等領域。 SA水凝膠在3D細胞培養(yǎng)方面具有巨大潛力，支持三種不同細胞系（L929，HUVEC和rBMSCs）的存活和生長。細胞在SA水凝膠中的存活率高達95%，同時支持細胞體積擴張、生長和增殖。注射測試表明，SA水凝膠能夠保護細胞免受剪切力的傷害，所有細胞系在注射后24小時的存活率均超過90%。因此，SA水凝膠有望成為細胞承載生物打印的生物墨水。 原文鏈接： https://doi.org/10.1039/D3CC04280D |
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