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。

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。

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。

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.

高强度聚乙烯醇水凝胶微球的制备

以三氯甲烷/丙酮为凝固液,用高压静电技术制备了高强度、物理交联的聚乙烯醇(PVA)水凝胶微球.研究了凝固液组成、PVA溶液浓度、温度和湿度、电场强度、进样速度及微球冷冻次数等对PVA微球的形貌、粒径和强度的影响.结果表明,采用常压水蒸气控制PVA溶液温度与湿度的高压静电技术,可克服高浓度PVA溶液在强电场下出现微丝现象,形成的水凝胶微球具有强度高、粒径在一定范围内可控的特点.

尼莫地平缓释水凝胶微球的制备

目的:研究瓜尔胶-丙烯酰胺接枝聚合物水凝胶微球的制备工艺,并以尼莫地平为模型药物考察其体外释放特性。方法:选择搅拌速度、交联剂用量、聚合物浓度、乳化剂用量、油/水比5个因素作为考察对象,通过L16(45)正交设计实验优化制备工艺,并在电镜下观察微球形态,用HPLC法测定微球的载药量及累计释药量。结果:5因素对微球制备工艺的影响依次为交联剂用量>乳化剂用量>聚合物浓度>搅拌速度>水/油比。经过优选制得的尼莫地平水凝胶微球,球形度较好,表面较光滑。载药量为(1.40±0.27)％。体外释药结果表明,一级动力学方程及Higuchi方程均能较好地对其进行拟合。结论:本法工艺稳定可行,所得尼莫地平水凝胶微球具有良好的缓释效果。

葡聚糖水凝胶微球的制备与表征

采用反相微乳液交联法,以葡聚糖天然高分子为原料,制备了一系列基于葡聚糖的水凝胶微球。葡聚糖通过高碘酸钠氧化进行醛基化修饰,进一步与乙二胺发生还原胺化反应进行交联;交联反应在以失水山梨酸酯类(Span 80/Tween 80)表面活性剂复配体系作为乳化剂、环己烷为油相构成的油包水型反相微乳液中进行。表面活性剂复配体系的组分配比是影响该葡聚糖水凝胶微球的粒径及形貌的重要因素,研究结果表明,随着表面活性剂复配体系的亲水亲油平衡值(HLB value)增加,微球粒径呈现先减小而后增大并基本保持不变的趋势;当该复配表面活性剂的HLB=5.27(即,m(Tween 80)/m(Span 80)=10)时,获得的葡聚糖凝胶微球粒径最小且平均粒径为(21.6±1.65)μm,粒径分布在15~28μm之间。

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.

双氯灭痛壳聚糖水凝胶微球的制备及其性能研究

在Span80与植物油形成的反相胶束体系中,通过戊二醛交联制备出壳聚糖水凝胶微球(CHM)。采用红外光谱和透射电镜等方法对CHM结构及粒子形态进行了研究。同时对CHM的溶胀度及其对模型药物双氯灭痛的体外释放行为进行了考察。结果表明,CHM具有较好的控制药物释放的作用。交联程度对微球粒径、溶胀度及药物释放性能影响较大。

反相微乳液交联法制备葡聚糖水凝胶微球的粒径调控

基于天然高分子的水凝胶微球因具有良好的生物相容性,作为生物材料得到了广泛应用。本文采用反相微乳液交联技术制备了一系列葡聚糖水凝胶微球,并探讨了反相微乳液体系中表面活性剂的亲水亲油平衡值(HLB值)、乳化方式、水油相体积比(φ)、水相与表面活性剂的摩尔比(R0)等因素对该葡聚糖水凝胶微球形貌及粒径的影响情况。结果表明:采用环己烷(CYH)/Span 80-Tween 80/醛基化葡聚糖(Dex-CHO)乳液体系制备所得葡聚糖水凝胶微球的粒径在400nm^70μm之间可调;相对于机械搅拌乳化,超声波乳化条件下获得的凝胶微球具有更小的粒径,且当复配乳化剂m(Tween 80)/m(Span 80)=0.10、HLB值=5.27、φ=1/6时,获得的凝胶微球粒径最小(约422nm);葡聚糖凝胶微球的粒径随着R0值的增加呈现增大趋势。该葡聚糖水凝胶微球粒径可控,是一类天然高分子水凝胶,有望作为载体材料应用于生物医学领域。

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。

石杉碱甲水凝胶微球的制备及体外释放评价

以羟丙基甲基纤维素为原料,二乙烯基砜为交联剂,采用反相悬浮聚合法制备水凝胶微球。采用透射电子显微镜、纳米粒度仪对微球的粒径、形态进行表征。采用超滤离心法收集载药微球,透析袋法考察体外释放度。研究表明,制备的水凝胶微球粒径分布均匀,分散性好,载药量达到3. 8%以上。石杉碱甲水凝胶微球能够缓释石杉碱甲约400 min,所制备的水凝胶微球对石杉碱甲具有一定的缓释作用。

自交联法合成相转变温度范围窄的聚(N-异丙基丙烯酰胺)水凝胶微球

在不使用交联剂的情况下,采用无皂乳液聚合法合成自交联聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)水凝胶微球。固体13C NMR分析结果表明,PNIPAM水凝胶微球中存在因链转移反应形成的自交联点。自交联PNIPAM水凝胶微球的相转变温度范围很窄,接近非连续体积相转变行为。合成过程中反应温度、反应时间、引发剂用量对微球粒径和溶胀比有比较明显的影响,这些因素对微球的相转变温度及其范围的影响均很小。

回流沉淀聚合-单分散聚合物纳米水凝胶微球的制备及性能

采用回流沉淀聚合法制备聚甲基丙烯酸-二乙烯苯微球,并考察了反应时间、固含量、交联剂含量、混合溶剂比等工艺条件对微球尺寸的影响.实验结果表明水凝胶微球的粒径和粒子粒径的均一性随着反应时间延长、固含量和交联剂含量的增加、混合溶剂比的增大而降低,甚至造成二次成核而破坏粒子的均一性.水凝胶微球对亚甲基蓝染料的吸附性能随着反应时间的增加,先增大,后趋于平稳;随着固含量的增加吸附性能先增加,当固含量超过8.0%时吸附性能开始下降;吸附性能随着混合溶剂比的增加而降低.

壳聚糖水凝胶微球的制备与溶胀性能

采用三聚磷酸钠(TPP)和六偏磷酸钠(SHMP)为复合交联剂,制备了离子交联网络结构的壳聚糖水凝胶微球。分析讨论了交联剂质量配比、pH以及离子强度等对壳聚糖微球溶胀性能的影响。结果表明:使用复合交联剂制备的微球的溶胀度比单独使用TPP或SHMP的分别低62.4%和41.3%,交联效率得到明显提高;当m(TPP)∶m(SHMP)=3∶5,交联剂pH=5时,制备的微球交联程度最好,结构最密实;在pH=1.2的缓冲溶液中,溶胀度可达到357%,而且凝胶没有任何破碎。微球具有较好的离子强度和pH敏感性,在酸性介质中有较高的溶胀度。

基于pH敏感型葡聚糖水凝胶微球的药物载体

以葡聚糖为原料,采用反相微乳液技术制备了一种含有席夫碱结构的葡聚糖基水凝胶纳米微球作为载体,通过交联剂聚乙烯亚胺(PEI)的静电吸附作用对药物模型8-羟基芘-1,3,6-三磺酸三钠盐(HPTS)进行了包埋,利用FTIR、SEM和DLS等对微球的结构和形貌进行了表征。结果表明,这种葡聚糖纳米水凝胶载药前后均具有良好的球形结构,平均粒径分别在459和648 nm左右。载药效果及药物释放行为研究发现,该葡聚糖纳米水凝胶可对HPTS进行有效负载,且其释放行为具有明显的酸性环境敏感性,酸性越强,释放越快。含有席夫碱结构的葡聚糖纳米凝胶微球可作为pH敏感型载体应用于药物递送领域。

光/还原双重响应水凝胶微球的制备及在细胞三维(3D)培养中的应用

设计合成了一种光/还原双响应水凝胶微球,该微球可在温和的刺激条件下实现三维(3D)细胞的大规模培养和无酶无损捕获.水凝胶微球组分中包含一个双响应功能单体(M1),其中邻硝基苄酯功能基团可在紫外光照下与氨基化合物发生光偶联作用,从而在水凝胶微球表面实现黏附蛋白的有效固定,并通过蛋白质-整合素相互作用介导细胞的黏附.微球表面细胞生长增殖后,其中的二硫键基团可被谷胱甘肽还原,从而介导细胞无酶无损温和释放.这种通过调节水凝胶微球表面生物活性分子的固定与释放介导细胞黏附与捕获的新方法为细胞工程提供了一种通用而有效的手段.

分散聚合制备功能性单分散水凝胶微球及粒径调控

国内外学者主要聚焦无交联剂存在下分散聚合研究,而交联剂存在的分散聚合研究报道很少。本文以分散聚合方法,在交联剂存在下,制备具有功能基团的刚性水凝胶微球。通过光学显微镜、扫描电镜、核磁、动态光散射等分析方法确认水凝胶微球呈现单分散性,粒径分布在1-2μm。动态光散射粒径研究表明微球粒径随聚乙二醇(Polyethylene glycol,PEG)分子量增长而显著变小,通过调整丙烯酸酯-PEG-生物素的PEG链长可有效调控微球粒径。其中,生物素-PEG2000-微球(以下简称PEG2000微球)平均粒径为1.3μm,微球的尺寸非常适合在经链霉亲和素修饰的1.5μm芯片微坑内反应并固载。微球功能基团经过点击化学反应,可有效负载荧光修饰的寡核苷酸。在荧光显微镜下,微球显现均匀的荧光亮度,且保持单分散性。相关成果可用于核酸快速检测芯片开发等领域,在医学检测方面有很好的应用前景。