骨组织工程中研究水凝胶微球的特征

背景:水凝胶微球由于其多孔性和可注射性等在递送细胞和生物活性因子/药物、构建组织修复支架等生物医学领域展现独特优势,具有广阔的应用前景。目的:综述基于水凝胶微球的骨组织工程最新研究进展,讨论基于水凝胶微球的骨组织工程研究面临的关键问题和挑战。方法:应用计算机检索PubMed和中国知网数据库收录的相关文献。英文检索词为“hydrogels,microparticles,microspheres,microcarriers,bone,bone defect,bone repair,bone healing,bone tissue engineering”,中文检索词为“水凝胶,微球,微粒,骨组织工程,骨缺损,骨修复,骨再生”。检索文献时限为2002-2022年,最终纳入127篇文献进行综述。结果与结论:①目前,不同的水凝胶微球材料已被开发用于骨组织工程策略并取得了较好的效果,如搭载细胞或生物活性因子/药物的水凝胶微球、作为生物支架的水凝胶微球、刺激响应性水凝胶微球、生物矿化水凝胶微球、与其他生物材料结合的水凝胶微球等。②基于水凝胶微球的骨组织工程修复策略主要通过促进干细胞的招募与成骨分化、调节损伤局部炎症微环境以及促进损伤部位血管生成等机制来调控骨修复。但目前的研究没有深入探索基于水凝胶微球的骨组织工程诱导内源性干细胞招募与分化,以及水凝胶微球的理化性质对炎症微环境的调控,且水凝胶微球的体内长期不良反应尚未探明,批量生产存在困难,因此,未来的研究需要在机制探索和技术路线上加强深入,从而为开发能够用于临床转化的水凝胶微球材料提供合理参考。

基于微流控技术的光敏水凝胶微球的制备及应用

具有较高比表面积的微球结构可以作为药物缓释载体,水凝胶由于其良好的生物兼容性,在药物释放、癌症治疗方面表现突出。利用微流控技术,通过流体剪切制备形貌均一的水凝胶液滴,再通过紫外光固化可得到粒径均一、呈单分散的光敏水凝胶载药微球粒子,利用紫外分光光度计监测盐酸阿霉素进行体外释放过程。

水凝胶复合载辛伐他汀蛋白微球对成骨细胞增殖分化的影响

背景:牙周炎患者逐年增加,采用传统的牙周治疗方法并不能恢复牙周软硬组织,因此需要制备出一种药物缓释材料辅助治疗牙周炎,恢复牙周破坏的软硬组织。目的:制备装载辛伐他汀的牛血清白蛋白微球复合水凝胶材料,检测其对辛伐他汀的双重缓释作用,并进一步研究此释药复合材料对成骨细胞黏附、增殖的影响。方法:①采用去溶剂法制备载辛伐他汀的牛血清白蛋白微球,采用透射电镜、扫描电镜观察微球的形态,测量其粒径,采用酶标仪检测载药微球的包封率、载药率及体外药物释放;②将载药微球负载到明胶水凝胶中,采用酶标仪检测水凝胶的体外药物释放,扫描电镜观察复合材料的形态;利用该水凝胶浸提液培养MC3T3-E1细胞,采用CCK-8法检测细胞增殖,碱性磷酸酶试剂盒检测细胞碱性磷酸酶的表达。结果与结论:①透射电镜显示,载药微球呈光滑的圆球形,较为分散,未见明显聚集,微球粒径也较为均匀,80%的微球粒径在0.2-0.8μm之间;扫描电镜显示,载药微球光滑,呈圆球形,分散性较好,粒径分布较为均匀,粒径在0.2-0.8μm之间;②载药微球的包封率为68.9%-87.5%,载药率为0.95%-1.21%;③载药微球中辛伐他汀的释放曲线是温和的持续释放过程,载药水凝胶中辛伐他汀的释放曲线为前期释放速度快后期缓慢的持续释放过程,其中载药水凝胶比载药微球能更快释放并达到药物的作用浓度,在后期缓慢释放维持药物的作用浓度;④扫描电镜显示,载药水凝胶呈多孔条状结构,适合成骨细胞的黏附和生长,在水凝胶表面可以看到圆球形的载药微球;⑤载药水凝胶可促进MC3T3-E1细胞的增殖与碱性磷酸酶表达;⑥结果表明,缓释辛伐他汀微球水凝胶复合材料具有良好的生物相容性,能够促进成骨细胞的增殖与成骨分化。

一种口服骨靶向微/纳水凝胶微球制备及对雌性去势小鼠骨质量影响的研究

目的制备新型口服骨靶向微/纳水凝胶微球,并了解其对雌性去势小鼠骨质量的影响。方法以多面体低聚倍半硅氧烷作为纳米平台,通过点击化学合成具有骨靶向性能的纳米颗粒,然后基于气体微流控和离子交联技术制备新型口服骨靶向微/纳水凝胶微球。采用活/死细胞染色评估微/纳水凝胶微球的生物相容性。选用18只8周龄雌性C57BL/6小鼠,随机分为去卵巢组(A组)、空白水凝胶微球组(B组)和微/纳水凝胶微球组(C组),每组6只。各组连续干预8周后收集小鼠股骨标本,采用微型计算机断层扫描(Micro-CT)分析骨小梁参数,利用三点弯曲测试评估股骨生物力学性能。结果骨靶向纳米颗粒具有均匀的球形形貌,平均粒径为40.6 nm;微/纳水凝胶微球呈球形形貌,表面粗糙,平均粒径为250.8μm;活/死细胞染色结果提示微/纳水凝胶微球具有良好的生物相容性。Micro-CT显示,C组小鼠的骨密度、骨体积分数、骨小梁数目均显著高于A组和B组小鼠,差异有统计学意义(P<0.05),C组小鼠的骨小梁间隙显著低于A组和B组小鼠,差异有统计学意义(P<0.05)。三点弯曲测试显示,C组小鼠的最大载荷和断裂能显著高于A组和B组小鼠,差异均有统计学意义(P<0.05)。结论新型口服骨靶向微/纳水凝胶微球具有良好的生物相容性,其负载的骨靶向纳米颗粒显著提高雌性去势小鼠骨质量,为绝经后骨质疏松症治疗提供了新的策略。

基于水凝胶微球建立胰腺癌原代细胞的3D培养模型

目的·利用水凝胶微球和新鲜胰腺癌组织原代细胞构建模拟肿瘤微环境的体外培养新模型。方法·记录水凝胶微球的形态分布情况,倒置荧光显微镜下观察并拍照,通过Image J软件计算微球的直径,统计得到粒径分布图。肾上皮细胞(293T)、胰腺癌细胞(8988)、正常胰腺上皮细胞HPNE均在DMEM完全培养基中生长,当细胞长满到80%~90%时传代。DMEM培养基和微球浸提液培养293T细胞,通过CCK-8法检测2种培养基培养的293T细胞的增殖曲线,探究水凝胶微球的生物相容性。在超净工作台中剪碎新鲜胰腺肿瘤组织,用透明质酸酶和胶原蛋白酶Ⅰ裂解胰腺癌肿瘤组织,在37℃水浴锅中间隔振荡消化为单细胞。水凝胶微球与胰腺细胞在DMEM完全培养基中共培养3 d,半数细胞用4%多聚甲醛固定,鬼笔环肽和DAPI染色,普通荧光显微镜下观察微球的形态和细胞分布;剩余一半细胞用于悬浮细胞和黏附细胞计数。水凝胶微球与原代细胞在培养基中共培养7 d,用免疫荧光法观察基于水凝胶微球建立的胰腺癌原代细胞体外培养模型中的细胞组成。用石蜡包埋胰腺癌组织,随后进行石蜡组织切片,苏木精-伊红染色组织切片,用显微镜观察胰腺癌组织结构。结果·水凝胶微球大小均一,微球粒径约200μm,293T细胞的增殖曲线表明水凝胶微球具有良好的生物相容性。水凝胶微球与胰腺细胞系共培养结果表明水凝胶微球表面具有较强的细胞亲和力,能够为胰腺细胞提供支撑点,使其黏附在微球表面正常生长。水凝胶微球与消化后的胰腺癌新鲜组织单细胞共培养成功建立胰腺癌体外3D培养模型。该模型具有与胰腺肿瘤组织相似的细胞组成,包含胰腺导管上皮细胞、相似比例的肿瘤干细胞、内皮细胞、成纤维细胞等。结论·基于水凝胶微球建立的胰腺癌原代细胞3D培养模型具有胰腺癌肿瘤微环境的重要特征。

蛋白质复合水凝胶微球的制备及其药物缓释行为

以大豆分离蛋白(SPI)的氢氧化钠溶液为水相,石油醚为油相,丙烯酸为单体,采用反相微悬浮聚合制备蛋白质/高分子复合水凝胶微球.通过扫描电子显微镜进行复合凝胶微球表征.探讨了大豆分离蛋白与丙烯酸的不同配比对复合水凝胶微球制备的影响,并以苯扎氯铵为模拟药物,考察了复合水凝胶微球对苯扎氯铵的缓释行为.研究表明:调整单体加入量可使微球直径控制在1~5mm范围;微球表面粗糙,内部孔洞结构明显;微球的苯扎氯铵吸附效果较高,单体投入量1.2mL时吸附效果最好,达到26.92mg/g,总计释放率可达约75%.结果表明,水凝胶微球的直径可控,在药物缓释领域具有一定的应用价值.

不同条件对SA/GT/CS三元复合水凝胶微球溶胀性能的影响

将海藻酸钠／明胶共混液滴入含有CaC12的壳聚糖醋酸溶液中，制备出SA／CS／GT三元复合水凝胶微球。改变SA／GT的质量配比、盐离子浓度、温度，考察不同条件下对复合微球溶胀度的影响。结果表明：当SA：GT质量比为10：0．6、10：0．8，CaC12浓度为3％～4％，所成微球的溶胀性能较好；随温度的升高，溶胀度不断增大。

以水凝胶微球装载罗哌卡因改善切口痛的有效性及安全性

目的:评价以微流控法制备的明胶水凝胶微球用于装载罗哌卡因治疗切口痛的有效性及安全性。方法:通过微流控技术制备水凝胶微球,利用共轴剪切作用获取甲基丙烯酰化明胶(GelMA)液滴,待循环冷冻后经紫外光固化得到水凝胶微球。通过共孵育将罗哌卡因装载入水凝胶微球,用光学显微镜及扫描电子显微镜观察微球表面特征,以透析法检测其体外释放速率。将L-929和SH-SY5Y细胞分别分为0.9%氯化钠溶液对照组(Ctr组)、水凝胶微球组(GelMA组)、罗哌卡因组(R组)、水凝胶微球罗哌卡因组(Gel-R组),用CCK8法和Calcein/PI活/死染色法分别检测细胞的增殖和存活情况。将SD大鼠随机分为空白对照2组(Ctr 2组)、微球2组(GelMA 2组)、罗哌卡因2组(R 2组)、水凝胶微球罗哌卡因2组(Gel-R 2组),行为学采用切口痛模型,以vonfrey法测定大鼠机械痛阈值。取大鼠足底切口处及心、肝、肾组织,以HE染色法检测组织相容性。结果:以微流控技术制备的水凝胶微球有形状圆润、粒径分布集中的特点,且具有疏松多孔的结构,具备装载并缓慢释放罗哌卡因的功能。细胞实验中,CCK8法结果提示Gel-R 2组毒性低于R组(P<0.05)。活/死染色结果显示,在培养的5 d时间里,R组较其他组出现更多死亡细胞。行为学结果提示,Gel-R组在整个切口愈合过程中均表现出镇痛作用。HE染色法显示,各切口处组织没有明显组织损伤及炎症反应,脏器未见明显病理表现。结论:以微流控法制备的明胶水凝胶微球具有形貌整齐、结构完整的属性,并在动物模型和细胞实验中验证了其可以延长罗哌卡因作用时间,且具有良好的生物相容性。

双网络微球水凝胶对Cu^(2+)的吸附行为研究

工业的迅速发展导致水体环境污染问题也愈加严重,针对重金属废水的处理极为迫切。以海藻酸钠微球为基质,合成出海藻酸钙和聚丙烯酰胺双网络结构的NH2-SA/PAM微球水凝胶。通过扫描电镜、红外光谱、X射线光电子能谱(XPS)等手段表征可知,该凝胶具有多孔网络结构,具有大量的羟基、氨基等活性位点,能实现离子在凝胶内部的快速扩散。通过对Cu^(2+)的吸附实验可知,NH2-SA/PAM微球水凝胶具有较好的吸附性能,基于Langmuir模型,在30℃下qmax为265.31mg/g,在100min内便达到吸附平衡的80%,通过均相表面扩散模型(HSDM)其凝胶内部的扩散系数Ds为2.83×10^(-11)m/s。该NH2-SA/PAM对Pb^(2+)、Cd^(2+)、Zn^(2+)、Mn^(2+)、Ni^(2+)和Cu^(2+)均有较好的吸附性能,其分配系数与离子电负性具有较大关系。此外,通过XPS对NH2-SA/PAM吸附Cd^(2+)前后样品进行分析,发现凝胶主要通过氨基和羟基对Cd^(2+)进行配位吸附。以上实验说明NH2-SA/PAM微球水凝胶在处理水体中重金属污染方面有着巨大的潜力。

缓释抗菌微球复合型组织工程材料水凝胶的制备及性能评价

背景:氧化羟丙基甲基纤维素-透明质酸钠水凝胶体系具有良好的力学性能、生物相容性与降解性,可作为组织工程支架对受损组织起保护支撑作用,也可作为药物载体实现局部缓释作用。目的:制备缓释抗菌微球复合型组织工程材料水凝胶,研究其理化性能、生物学性能、骨诱导性能和抗菌性能。方法:以聚乳酸乙醇酸共聚物、壳聚糖和透明质酸钠为材料,通过乳液法制备出具有多层结构的多孔微球载体,并对酸万古霉素进行负载,制备出抗菌缓释微球;以氧化羟丙基羧甲基纤维素和胺化透明质酸钠为基质制备成可注射水凝胶,并将不同质量浓度的抗菌缓释微球(0.1,0.2,0.3 g/m L)添加到水凝胶中,制备出载抗菌缓释微球的可注射水凝胶,对其理化性能(成胶时间测定、溶胀性能、降解性能)、生物学性能(细胞毒性、细胞溶血性)及成骨性能(碱性磷酸酶活性及诱导成骨基因RUN-x2、骨形态发生蛋白2、骨钙蛋白、Ⅰ型胶原蛋白表达水平)、抗菌性能进行检测及评价。结果与结论:(1)3种载抗菌缓释微球水凝胶具有良好的成胶性能与较小的溶胀比;体外降解扫描电镜结果显示,水凝胶具有稳定的自身降解性能;(2)细胞毒性实验显示,当抗菌缓释微球添加量≤0.2 g/m L时,水凝胶无明显的细胞毒性(7 d内细胞的相对增殖率均大于80%);溶血实验显示,3种载抗菌缓释微球水凝胶的细胞溶血率小于2%,无明显细胞溶血;(3)3种载抗菌缓释微球水凝胶均可提高MG-63细胞中成骨基因RUN-x2、骨形态发生蛋白2、Ⅰ型胶原、骨钙蛋白含量及碱性磷酸酶的生成;(4)3种水凝胶均可持续、长期地抑制金黄色葡萄球菌的生长,并且随着抗菌缓释微球添加量的增加水凝胶的抗菌能力增强;(5)结果表明,制备的可注射载抗菌微球水凝胶具有良好的缓释抗菌及成骨、骨诱导能力,同时具备较好的生物组织相容性、可降解性。

SA／GT／CS复合水凝胶载药微球的制备与药物释放性能研究

将海藻酸钠/明胶/盐酸四环素共混液滴入含有CaCl_2的壳聚糖醋酸溶液中,制备出SA/GT质量配比分别为10/0.6、10/0.8、10/1.0的SA/CS/GT复合水凝胶载药微球,考察了模拟肠液和胃液中不同原料配比对载药性能的影响。结果表明,在配比为10/0.8下微球具有最大载药量,模拟肠液中水凝胶微球释放药物周期较长。因此, SA/CS/GT三元复合水凝胶微球由于其良好的控制释放和降解性能,将是口服释药系统的一种优良载体。

硒-高分子复合微球的微凝胶模板法制备研究

采用反相悬浮聚合法合成了聚丙烯酰胺(PAM)高分子微凝胶,以其为模板,在室温条件下,以硒代硫酸钠(Na2SeSO3)作为硒源,制备得到了Se-PAM无机-有机复合微球材料,利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)等手段对复合微球的形貌、无机物硒晶形结构等进行了表征。

基于自组装行为的微球复合水凝胶制备及性能

以超支化的聚乙烯亚胺和烯丙基缩水甘油醚通过环氧开环反应制备了具有温敏性的聚合物,该温敏性聚合物在水溶液中表现出相转变行为,当达到临界温度时能够自组装形成微球。以该微球为交联剂、丙烯酰胺为单体原位在室温下制备出一种微球复合水凝胶(MCH)。力学性能测试表明,制备的微球复合水凝胶具有优异的力学性能,断裂伸长率达到2800%。流变行为分析表明,该凝胶是一种黏弹性材料,其网络结构兼具物理和化学双重交联。此外,凝胶还表现出良好的形变能力,循环拉伸测试表明其结构中存在明显的能量耗散机制。

非冻结水对微球复合水凝胶机械性能的影响

本文旨在用DSC的方法研究水凝胶结合水的能力与韧性的关系。分别以甲基丙烯酸丁酯(BMA)或甲基丙烯酸六氟丁酯(HFBMA)和烯丙基胺为单体,制备了2种核壳纳米微球(BMA微球和HFBMA微球)。再以其作为大分子引发剂和交联剂,制备了微球交联复合水凝胶(BMA-H凝胶和HFBMA-H凝胶)。通过差示扫描量热仪(DSC)、傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)和透射电子显微镜(TEM)等技术手段研究凝胶的结构和性能。结果表明,HFBMA-H凝胶具有更好的机械性能,其拉伸强度和断裂伸长率分别可达280 k Pa和3960%,远高于BMA-H凝胶(101 k Pa,2700%)。通过对2种复合凝胶体系内不同状态的水进行分析,发现HFBMA-H凝胶的非冻结水的质量分数明显高于BMA-H凝胶,这种非冻结水的增塑作用对于凝胶机械强度的提升具有重要影响。

辐射一步法制备聚丙烯酰胺/聚苯乙烯纳米微球复合水凝胶

利用辐射乳液一步法将聚苯乙烯引入到水凝胶中,合成载有聚苯乙烯纳米微球的复合水凝胶。利用傅里叶变换红外光谱和X射线光电子能谱表征了材料的化学结构;扫描电子显微镜分析表征复合水凝胶的表面结构;通过对水和生理盐水的吸收能力来评估复合材料的吸附能力。实验结果表明,辐照形成的聚苯乙烯纳米微球被成功地复合到水凝胶的框架结构上,获得的复合水凝胶具有优异的吸水和吸盐水性能。

交联微球复合PAAm高强度水凝胶制备

通过将利用反向悬浮聚合自制的高交联度聚丙烯酸-丙烯酰胺(PAA-AM)网络微球均匀分散在溶有丙烯酰胺单体的水溶液中,经复合引发体系过硫酸铵和亚硫酸氢钠引发水溶液聚合,制备了一种具有复合网络结构的高性能水凝胶聚丙烯酰胺(PAAm)。通过控制变量法分别研究了微球添加量、交联剂用量、引发剂用量、反应温度、反应时间等反应条件对PAA-AM交联微球复合PAAm水凝胶压缩强度的影响。结果表明,在微球添加量为0.15%,交联剂用量为0.15%,引发剂用量为0.06%,反应温度为35℃,反应时间8 h条件下制备得到的水凝胶具有最高的压缩强度,可达12.716 MPa。

反相微乳液聚合制备聚丙烯酰胺水凝胶微球研究

以油酸/Span20/OP10为复合乳化剂,柴油为连续相,采用反相微乳液聚合制备了聚丙烯酰胺水凝胶微球.通过微乳面积等值图、拟三元图确定出体系中乳化剂最佳比例为w(油酸)∶w(Span)∶w(OP10)=41∶31∶28;在最佳聚合点处,油相、乳化剂相、水相分别占体系质量的34.62%,15.38%,50.00%.应用冷冻蚀刻透射电子显微镜、扫描电子显微镜及动态光散射分别对聚合前后的微乳液体系进行表征,可以看出聚合前微乳液中存在大量反胶束(团)(10nm以下)及溶胀胶团(约50nm)结构,聚合后得纳米级水凝胶微球,前后尺寸相差不大.同时测定油酸/Span20/OP10复合乳化剂水溶液与桩西原油之间的界面张力并与反相微乳聚合常规乳化剂的结果进行对比,发现前者界面张力较低,能够起到驱油用表面活性剂的作用.

原位聚合法制备壳聚糖/聚丙烯酸水凝胶磁微球及其性能表征

为了避免制备过程中有机试剂对水凝胶磁微球生物安全性的影响,采用原位聚合法,在水溶液体系中制备了壳聚糖/聚丙烯酸(CS/PAAc)水凝胶磁微球。首先将壳聚糖(CS)包覆于纳米磁微球(Fe3O4)表面,随后加入丙烯酸单体,使其在壳聚糖磁微球上吸附并且原位聚合,然后经戊二醛交联得到了CS/PAAc水凝胶磁微球。用红外光谱、扫描电镜对合成的水凝胶磁微球进行了结构表征和形貌观察,并且进行了热重分析、元素分析、磁性能测试和粒度分析;研究了pH对水凝胶磁微球溶胀性能的影响。结果表明CS/PAAc水凝胶磁微球具有较好的球形结构,大小在500nm左右;Fe3O4含量约为73%,具有良好的顺磁性质,磁饱和强度为45emu·g-1;呈现出良好的pH敏感性,当pH=3时,CS/PAAc水凝胶磁微球的溶胀率达到最小。

基于生物3D打印技术的水凝胶器官芯片及其灌注平台

针对水凝胶组织支架细胞球培养过程中存在着缺乏相关设备和实验平台的问题,采用生物3D打印技术和动态灌注培养的方法,设计制作了一种双通道水凝胶器官芯片,并搭建了一套灌注培养平台。采用聚苯乙烯荧光微球模拟细胞球的灌注过程,通过有限元仿真分析了不同流速下(0.849、2.547、4.244 mm/s)微球灌注时,通道不同位置流速和剪切应力的变化。设计了聚苯乙烯荧光微球动态灌注实验,基于仿真结果分析了流速对微球流动状态与贴附的影响。实验结果表明:灌注液在通道截面中心位置的流速最大,在通道周围趋近于静止,有利于微球沉降。灌注液流速为2.547 mm/s时,微球受到的最大剪切应力约为0.17 Pa,可以大量堆积在通道分支内。该研究可以为胰岛等细胞球在水凝胶器官芯片内的灌注和培养提供技术参考。

空心羟基磷灰石亚微球/壳聚糖可注射水凝胶的制备及表征

采用W/O/W复乳法制备空心羟基磷灰石(HAP)亚微球,将空心HAP亚微球均匀分布在壳聚糖/甘油磷酸钠(CS/GP)体系中制备可注射HAP/CS水凝胶(gel 1),同时制备可注射CS水凝胶(gel 2)。用X射线衍射仪、场发射透射电镜、红外光谱、扫描电镜对空心HAP亚微球和水凝胶进行了表征,并比较分析了两种溶胶的成胶时间,溶胶体系的稳定性和凝胶的抗压强度。结果表明复乳法可制备得到直径为300nm左右的HAP空心球;制备的溶胶在生理pH环境中稳定,体温条件下15min左右可转变成凝胶状态,具有可注射性,扫描电镜下观察冻干水凝胶为连通的多孔网状结构,gel2凝胶相对gel 1凝胶有更为疏松的网络结构,但抗压强度仍比gel 1大。研究结果表明,空心HAP亚微球/CS可注射水凝胶可用作组织修复材料。