甲基丙烯酰化明胶水凝胶在软骨损伤与修复中的应用研究进展

甲基丙烯酰化明胶(GelMA)水凝胶是一种新型的生物材料,近年来在软骨组织工程领域受到广泛关注。本文旨在从GelMA水凝胶的物理化学性质和制备方法、国内外学者对GelMA水凝胶在软骨组织工程方面的研究成果、GelMA水凝胶在软骨组织工程中应用存在的问题和未来的发展方向概述GelMA水凝胶在软骨损伤与修复方面的最新研究进展,并提出未来的研究应该侧重于提高GelMA水凝胶的力学性能、生物相容性和细胞亲和性,以及与其他生物材料的结合应用等方面,进一步推动其在软骨损伤与修复方面的应用。

负载成纤维细胞3D打印甲基丙烯酰化明胶水凝胶支架的体外促血管化

背景:将种子细胞与3D生物打印技术相结合可特异性地构建各种组织和器官以满足组织修复的需求,但对于损伤组织促血管化的有关研究仍有待深入。目的:通过培养负载成纤维细胞的甲基丙烯酰化明胶水凝胶支架获得上清液并与完全培养基按不同比例混合,以模拟组织修复过程中的细胞微环境,探究多种细胞微环境对内皮细胞促血管化的作用。方法:采用挤压式3D生物打印工艺制备负载成纤维细胞的甲基丙烯酰化明胶水凝胶支架,制备水凝胶支架浸提液;将水凝胶支架浸提液与完全培养基按照1∶1、1∶2、1∶4的体积比混合获得条件培养基。将小鼠胚胎成纤维细胞BALB3T3、人脐静脉内皮细胞分别与完全培养基(对照组)、水凝胶支架浸提液共培养,采用CCK-8法检测细胞增殖,活/死细胞染色分析细胞活性。采用3种条件培养基与完全培养基(对照组)分别与人脐静脉内皮细胞共培养,进行成管实验、血管基因检测与CD31免疫荧光染色。结果与结论:①扫描电镜下可见水凝胶支架呈多孔性结构,流变学结果显示该水凝胶具有良好的机械性能,CCK-8检测与活/死细胞染色显示该水凝胶支架浸提液无明显的细胞毒性。②成管实验显示,1∶1条件培养基组细胞成管总长度小于对照组(P<0.05),4组细胞成管分支数比较差异无显著性意义(P>0.05)。③qRT-PCR检测显示,对于血管内皮生长因子mRNA表达,培养第1天,1∶2条件培养基组低于1∶1条件培养基组(P<0.01);培养第3天,1∶2条件培养基组高于对照组(P<0.01);培养第5天,1∶2条件培养基组高于其他3组(P<0.01或P<0.0001),1∶1条件培养基组低于其他3组(P<0.05或P<0.01)。对于碱性成纤维细胞生长因子mRNA表达,培养第1天,1∶1条件培养基组高于对照组、1∶4条件培养基组(P<0.01,P<0.05),1∶2条件培养基组高于对照组(P<0.05);培养第3天,1∶4条件培养基组高于对照组(P<0.05)。④培养第3天,1∶2条件培养基组CD31表达高于对照组、1∶4条件培养基组(P<0.05)。⑤结果表明该条件培养基可模拟组织损伤后血管再生微环境,进而促进内皮细胞的血管化进程,并且1∶2条件培养基促血管化效果最好。

负载丹酚酸B甲基丙烯酰化明胶水凝胶对椎间盘退变的作用

背景:丹酚酸B可抑制H2O2诱导的细胞损伤,有效清除过量的活性氧,发挥抗氧化特性,已被应用于许多疾病的治疗研究中。但是,有关丹酚酸B在椎间盘退变中作用及其作用机制的研究相对较少。目的:以甲基丙烯酰化明胶水凝胶为载体,通过体外细胞实验与动物体内实验观察丹酚酸B对氧化应激诱导的椎间盘退变的作用以及作用机制。方法:制备负载丹酚酸B的甲基丙烯酰化明胶水凝胶(载药水凝胶)。①体外细胞实验:分离提取成年SD大鼠腰椎髓核细胞,选择第3代髓核细胞,分组处理:A组加入完全培养基;B组加入含H2O2的完全培养基;C组接种于未载药水凝胶上,加入含H2O2的完全培养基;D组接种于载药水凝胶上,加入含H2O2的完全培养基;E组接种于载药水凝胶上,加入含H2O2与TLR4信号通路抑制剂的完全培养基,检测细胞增殖、氧化应激、炎症反应、细胞基质相关蛋白的基因表达以及TLR4/核因子kB信号通路蛋白表达。②动物体内实验:将60只成年SD大鼠随机分为正常组、针刺组、针刺+丹酚酸组、针刺+水凝胶组、针刺+载药水凝胶组,每组12只,后4组采用针刺建立椎间盘退变模型后依次注射生理盐水、丹酚酸B溶液、未载药水凝胶、载药水凝胶治疗,术后4周分别进行影像学检测、病理组织形态观察。结果与结论:①体外细胞实验:与A组比较,B组细胞增殖下降,氧化应激反应及炎症反应增强,细胞外基质降解酶(基质金属蛋白酶3、基质金属蛋白酶13、ADAMTS4、ADAMTS5)的表达增加(P<0.05),细胞外基质(Ⅱ型胶原、蛋白聚糖)的合成减少(P<0.05),TLR4/核因子kB信号通路蛋白表达增加(P<0.05);与B组比较,D、E组细胞增殖升高,氧化应激反应及炎症反应减弱,细胞外基质降解酶的表达减少(P<0.05),细胞外基质的合成增加(P<0.05),TLR4/核因子kB信号通路蛋白表达减少(P<0.05),其中以E组效果更显著。②动物体内实验:术后4周,针刺+载药水凝胶组退变椎间盘的椎间盘高度指数、MRI指数以及椎间盘病理组织学评分均较针刺组有了显著改善,而单纯注射水凝胶或是丹酚酸B溶液虽也可一定程度地改善椎间盘退变情况,但均不及注射载药水凝胶组。③结果表明,负载丹酚酸B的甲基丙烯酰化明胶水凝胶可抑制退变椎间盘组织中的氧化应激反应与炎症反应,抑制细胞外基质的降解,缓解椎间盘退变的进程,该作用可能通过抑制TLR4/核因子kB信号通路来完成的。

富血小板纤维蛋白复合甲基丙烯酰化明胶水凝胶的促成骨性能

背景:富血小板纤维蛋白具有制备简单、制作费用低、安全性高等诸多优势,目前已被广泛应用于口腔颌面外科骨缺损修复研究中,但存在降解速度太快、生长因子释放时间短等问题。目的:将富血小板纤维蛋白负载于甲基丙烯酰化明胶水凝胶内,通过体内外实验分析其促成骨性能。方法:①抽取新西兰大白兔静脉血,制备富血小板纤维蛋白。分别制备含0,0.05,0.075,0.1 g富血小板纤维蛋白的甲基丙烯酰化明胶水凝胶,分别记为GelMA、GelMA/PRF-0.05、GelMA/PRF-0.075、GelMA/PRF-0.1,表征水凝胶的微观形貌与体外缓释性能。②将4种水凝胶分别与MC3T3-E1细胞共培养,以单独培养的细胞为对照,检测细胞增殖活性;成骨诱导后,检测细胞碱性磷酸酶活性、矿化能力、成骨相关基因(骨钙素、骨桥蛋白、RUNX2)mRNA与蛋白表达,ERK1/2-p38 MAPK通路蛋白mRNA与蛋白表达。③取15只新西兰大白兔。在每只兔颅骨部分别制备4个直径8 mm的全层骨缺损,其中1处缺损不植入任何材料(空白对照组),另3处缺损分别植入GelMA水凝胶、富血小板纤维蛋白、GelMA/PRF-0.1水凝胶。术后4,8,12周,进行骨缺损部位Micro-CT扫描与骨组织形态观察。结果与结论:①扫描电镜下可见4组水凝胶都具有蜂窝状的孔隙结构,并且随着水凝胶中富血小板纤维蛋白含量的增加,水凝胶的孔径轻微减小,但组间比较无明显差异;3组GelMA/PRF水凝胶均能以一定的速率释放转化生长因子β1与胰岛素样生长因子1,随着时间的延长,转化生长因子β1与胰岛素样生长因子1累计释放量显著增加。②CCK-8检测与活/死染色显示,3组GelMA/PRF水凝胶可促进MC3T3-E1细胞的增殖;碱性磷酸酶染色、茜素红染色及成骨基因检测结果显示,GelMA/PRF水凝胶可促进MC3T3-E1细胞的成骨分化,同时可抑制ERK1/2-p38 MAPK通路蛋白的表达,并且呈现富血小板纤维蛋白含量依赖性。③Micro-CT扫描显示,GelMA/PRF-0.1水凝胶组大鼠骨缺损处骨矿物质密度与骨体积分数均高于其他3组(P<0.05);苏木精-伊红染色显示,相较于其他3组,GelMA/PRF-0.1水凝胶组大鼠骨缺损处新骨形成更快、更成熟。④结果表明,GelMA/PRF水凝胶在体内外均具有良好的促成骨性能,该作用可能与抑制ERK1/2-p38 MAPK通路蛋白表达有关。

3D生物打印甲基丙烯酰化明胶水凝胶支架促进软骨下骨缺损的修复

背景:软骨下骨在关节正常生理活动中发挥着重要作用,一旦损伤就难以修复,而传统的骨水泥和自体骨移植治疗方式存在一定的局限性。目的:探讨以骨髓间充质干细胞或软骨祖细胞作为种子细胞,利用3D生物打印技术将其包封于甲基丙烯酰化明胶水凝胶支架中修复软骨下骨缺损的有效性。方法:利用纤连蛋白分选获得兔软骨祖细胞,利用全骨髓贴壁法获得兔骨髓间充质干细胞,对比两种细胞的增殖能力及成骨、成软骨、成脂分化能力。通过3D生物打印技术分别制作负载骨髓间充质干细胞与软骨祖细胞的甲基丙烯酰化明胶水凝胶支架,成骨诱导培养后,活死染色分析支架中的细胞存活率,qRT-PCR检测支架的成骨基因表达。在16只新西兰大白兔双侧膝关节处制备直径5 mm、深度5 mm的软骨下骨骨缺损,分4组,A组不做处理,B组植入甲基丙烯酰化明胶水凝胶支架,C组植入负载骨髓间充质干细胞的水凝胶支架,D组植入负载软骨祖细胞的水凝胶支架,术后6,12周进行骨缺损区Micro-CT扫描与组织学观察。结果与结论:(1)骨髓间充质干细胞的增殖能力及成骨和成脂分化能力强于软骨祖细胞,成软骨分化能力弱于软骨祖细胞;(2)水凝胶支架中的两种细胞均表现出良好的生存能力,并且支架中骨髓间充质干细胞的成骨相关基因骨钙素、骨桥蛋白、Runx-2 mRNA表达均高于软骨祖细胞(P<0.05);(3)动物体内修复实验Micro-CT扫描显示,C组骨组织形成最多,术后12周可见骨小梁结构形成,新生骨形态与周围的天然松质骨类似;A、B组新生骨组织最少;番红快绿结果显示,术后6周时,仅C、D组软骨下骨区域有少量新骨生成;术后12周时,A、B组开始有骨基质生成,C组显示出软骨下骨的大量修复且新骨生成量多于D组;(4)结果表明,骨髓间充质干细胞与3D生物打印的甲基丙烯酰化明胶水凝胶是适合于骨组织工程的种子细胞与支架材料。

负载人脂肪干细胞外泌体的甲基丙烯酰化明胶水凝胶对人皮肤成纤维细胞增殖和迁移的影响

目的研究负载人脂肪干细胞来源外泌体的甲基丙烯酰化明胶(GelMA)水凝胶对人皮肤成纤维细胞增殖和迁移的作用。方法分离和培养人脂肪干细胞,检测其表面分子标志物的表达。采用超速离心法提取人脂肪干细胞来源外泌体,应用扫描电镜、纳米流式检测技术进行鉴定。培养人皮肤成纤维细胞,采用免疫荧光检测细胞对外泌体的内化;分别加入浓度为1×10^(7)/ml、1×10^(8)/ml及1×10^(9)/ml的外泌体,检测外泌体对人皮肤成纤维细胞增殖和迁移的影响。制备浓度为5%、10%、15%的GelMA水凝胶,扫描电镜下观察GelMA水凝胶微观结构并进行孔径分析,检测水凝胶在体外的降解速度;采用ELISA法检测外泌体在水凝胶中的缓释速度,然后在水凝胶中共培养人皮肤成纤维细胞,进行活/死细胞染色,检测细胞在水凝胶中的生长及增殖情况。结果扫描电镜及纳米流式检测结果显示获取的粒子为外泌体。荧光标记的人脂肪干细胞来源外泌体能够被人皮肤成纤维细胞摄取进入细胞质及细胞核中。浓度为1×10^(7)/ml、1×10^(8)/ml、1×10^(9)/ml的外泌体均可促进人皮肤成纤维细胞的增殖和迁移(F=3.579,P=0.021);浓度为1×10^(8)/ml、1×10^(9)/ml外泌体对细胞的增殖作用较浓度为1×10^(7)/ml外泌体更强(P=0.048、P=0.005),作用24 h后浓度为1×10^(8)/ml外泌体与1×10^(9)/ml外泌体对细胞的增殖作用差异无统计学意义(P=0.091、P=0.083)。浓度为5%、10%、15%的GelMA水凝胶体外降解速度随浓度增加而减慢,浓度为5%的GelMA水凝胶能更好地缓慢持续释放外泌体,在5%的GelMA水凝胶中加入人皮肤成纤维细胞培养后,细胞在水凝胶中生长及增殖良好。结论人脂肪干细胞来源外泌体被人皮肤成纤维细胞内化后可以促进其增殖和迁移。浓度为5%负载人脂肪干细胞外泌体(1×10^(8)/ml)的GelMA水凝胶可缓慢持续释放外泌体,促进人皮肤成纤维细胞增殖,可作为外泌体的良好生物载体。

甲基丙烯酰化透明质酸/脱细胞华通胶水凝胶支架的制备与表征

背景:随着组织工程为关节软骨损伤修复这一世界难题带来了新的希望,构建成分仿生的光固化3D打印水凝胶支架对软骨组织工程具有重要意义。目的:通过数字光处理3D打印技术构建成分仿生的甲基丙烯酰化透明质酸/脱细胞华通胶水凝胶支架,评价其生物相容性。方法:从人脐带中分离提取华通胶组织后进行脱细胞处理,冷冻干燥后磨成粉末,溶于PBS中制备50 g/L的脱细胞华通胶溶液。制备甲基丙烯酰化透明质酸,冻干后溶于PBS中制备50 g/L的甲基丙烯酰化透明质酸溶液。将脱细胞华通胶溶液与甲基丙烯酰化透明质酸溶液以体积比1∶1混合,加入光引发剂后作为生物墨水。通过数字光处理3D打印技术分别制备甲基丙烯酰化透明质酸水凝胶支架(记为HAMA水凝胶支架)与甲基丙烯酰化透明质酸/脱细胞华通胶水凝胶支架(记为HAMA/WJ水凝胶支架),表征支架的微观结构、溶胀性能、生物相容性与促软骨分化性能。结果与结论:①扫描电镜下见两组支架均呈三维立体的网状结构,其中HAMA/WJ水凝胶支架纤维连接更加均匀;两组支架均在10 h内达到溶胀平衡,HAMA/WJ水凝胶支架的平衡溶胀比低于HAMA水凝胶支架(P<0.05)。②CCK-8实验显示相较于HAMA水凝胶支架,HAMA/WJ水凝胶支架可促进骨髓间充质干细胞的增殖;死活染色显示骨髓间充质干细胞在两组支架上生长良好,并且HAMA/WJ水凝胶支架上的细胞立体分布均匀、细胞数量更多;鬼笔环肽染色显示相较于HAMA水凝胶支架,HAMA/WJ水凝胶支架上的骨髓间充质干细胞黏附与铺展更佳。③将骨髓间充质干细胞接种于两组支架后进行成软骨诱导培养,qRT-PCR检测结果显示,HAMA/WJ水凝胶支架组聚集蛋白聚糖、SOX9、Ⅱ型胶原mRNA表达量均高于HAMA水凝胶支架组(P<0.05,P<0.01)。④结果表明,数字光处理3D生物打印HAMA/WJ水凝胶支架可促进骨髓间充质干细胞的增殖、黏附及成软骨分化。

甲基丙烯酰明胶水凝胶作为细胞三维培养支架在骨组织工程中的应用

背景:骨缺损的治疗一直是临床医生亟待解决的临床难题,用甲基丙烯酰明胶进行细胞体外3D培养,可以为大面积骨缺损的治疗提供新的方向。目的:文章综述了甲基丙烯酰明胶作为3D细胞培养支架在骨组织工程中的研究进展,以期为临床骨缺损修复提供进一步的参考。方法:应用计算机检索中国知网及PubMed数据库1986年1月至2023年8月收录的文献,中英文检索词分别为“骨缺损,骨组织工程,生物支架材料,水凝胶,光交联水凝胶,甲基丙烯酰明胶,三维培养,细胞培养”和“Bone defect,Bone tissue engineering,Biomaterial scaffold,Hydrogel,Methylacrylyl photocrosslinked hydrogel,Three-dimensional culture;Cell culture”,最终纳入68篇文献进行综述分析。结果与结论:①同二维培养相比,3D培养可以在无菌条件下,构建立体三维空间,更好地模拟体内环境,为细胞提供合适的温度、酸碱度及足够的营养,使细胞能够在体外正常生长增殖并保持其正常结构与功能,具有独特优势。②在骨组织工程生物支架材料的选择中,水凝胶因其良好的生物相容性、可降解性及具有立体三维网络结构等优点,已被广泛应用于骨再生的研究。③甲基丙烯酰明胶的物理及生物性能受到浓度、光照时间及光引发剂种类以及反应体系等因素的影响,而这些性能均能对细胞的黏附、生长及增殖,甚至细胞形态及功能产生一定的影响。④甲基丙烯酰明胶因具有良好的生物相容性、物理可调节性、可注射性及光敏性能,已被广泛应用于3D细胞封装、3D生物打印及基于数字光处理的立体光刻技术等细胞3D培养体系中。⑤应用各类复合甲基丙烯酰明胶进行细胞的3D培养,可以更好地促进血管形成及骨再生,为临床骨缺损的治疗提供更多可能。⑥目前甲基丙烯酰明胶的来源、合成的方法以及安全性尚没有健全的标准,需要进一步加强研究,对甲基丙烯酰明胶在3D细胞培养领域的应用进行更深入的完善。

纳米复合甲基丙烯酰明胶水凝胶在不同骨缺损环境中应用的价值

背景:近年来,纳米复合甲基丙烯酰明胶水凝胶在修复骨组织损伤方面的研究备受关注。目的:综述应用于骨组织工程的纳米复合甲基丙烯酰明胶水凝胶近年来的最新进展,举例说明纳米复合甲基丙烯酰明胶水凝胶在不同骨缺损环境中的应用。方法:应用计算机检索中国知网、万方、PubMed和Web of Science数据库2016-2023年发表的相关文献,中文检索词为:“明胶,甲基丙烯,纳米,骨,骨组织工程,骨再生,成骨”,英文检索关键词为“gelatin,methacryl*,nano*,bone,bone tissue engineering,bone regeneration,osteogenesis”。结果与结论:①当前作为甲基丙烯酰明胶填料的纳米材料包括无机纳米材料、有机纳米材料以及有机-无机纳米杂化材料。②无机纳米材料可有效提高水凝胶的力学强度、触变性能,调节其降解时间,同时还可通过调节自身表面电荷、搭载药物/因子、自身降解释放金属离子等方式,实现水凝胶的抗菌、促骨形成、免疫调节、促血管生成等功能。③有机纳米材料、有机-无机纳米杂化材料复合甲基丙烯酰明胶水凝胶是两类新兴的材料,目前研究相对较少,但从已发表的研究来看,相比无机纳米材料复合甲基丙烯酰明胶水凝胶,有机纳米材料复合甲基丙烯酰明胶水凝胶的生物相容性及载药性能更佳,纳米相与有机聚合物相间的相互作用更强,纳米粒子的分散性更好。④有机-无机纳米杂化材料复合甲基丙烯酰明胶水凝胶结合了前二者的优势,且金属离子释放可控性更佳,具有巨大的研究潜力。⑤纳米材料可增强甲基丙烯酰明胶水凝胶的抗菌、免疫调控、促成骨等生物学性能,以促进感染性骨缺损、伴糖尿病骨缺损、骨肉瘤切除术后等复杂骨缺损环境下的骨再生。然而,纳米复合甲基丙烯酰明胶水凝胶用于骨缺损修复中的研究还仅限于动物实验,仍需要进行更多的安全性评价和临床试验。

负载Scriptaid甲基丙烯酰化丝素蛋白水凝胶调控小胶质细胞的极化行为

背景:小胶质细胞是维持中枢神经系统平衡的主要参与者,在神经系统发育和功能重建中起重要作用。Scriptaid作为一种组蛋白去乙酰化酶抑制剂具有抑制神经炎症和增强神经保护的作用。目的:探索负载Scriptaid的甲基丙烯酰化丝素蛋白水凝胶对小胶质细胞行为的影响。方法:采用含不同浓度(0,0.1,0.5,1,2,5,10μmol/L)Scriptaid的培养液培养小胶质细胞(BV2细胞),利用CCK-8法与活/死细胞染色筛选Scriptaid的适宜干预浓度。采用光固化制备负载与未负载Scriptaid(1μmol/L)的甲基丙烯酰化丝素蛋白水凝胶,表征水凝胶的微观形貌、溶胀性能、力学性能、缓释性能及亲水性。将小胶质细胞(BV2细胞)接种于24孔Transwell小室下室,分5组培养:对照组将细胞培养液加入下室,脂多糖组、Scriptaid组、单纯水凝胶组、载药水凝胶组将含有脂多糖的细胞培养液加入下室,脂多糖干预24 h后,Scriptaid组、单纯水凝胶组、载药水凝胶组上室分别加入Scriptaid、甲基丙烯酰化丝素蛋白水凝胶、负载Scriptaid的甲基丙烯酰化丝素蛋白水凝胶,将培养液更换为普通培养液继续培养24 h,通过CCK-8法检测细胞活性,通过诱导型一氧化氮合酶和精氨酸酶1免疫荧光染色检测细胞表型。结果与结论:①与未加入Scriptaid组相比,加入Scriptaid干预后BV2细胞的活性与数量均降低,当加入2μmol/L及以上Scriptaid时细胞活性低于标准化细胞活性(70%),并且细胞数量显著减少,所以选择1μmol/L Scriptaid负载于水凝胶中;②表征实验显示,Scriptaid的加入未影响甲基丙烯酰化丝素蛋白水凝胶的微观形貌、吸水溶胀率、压缩模量与亲水性,甲基丙烯酰化丝素蛋白水凝胶具有缓释性能;③CCK-8法检测显示,与对照组相比,甲基丙烯酰化丝素蛋白水凝胶显著提高了BV2细胞活性(P<0.001);④免疫荧光染色显示,与对照组相比,脂多糖组细胞诱导型一氧化氮合酶表达量增加(P<0.01),载药水凝胶组细胞诱导型一氧化氮合酶表达量减少(P<0.01)、精氨酸酶1表达量增加(P<0.001),Scriptaid组细胞精氨酸酶1表达量增加(P<0.01);⑤结果表明,负载Scriptaid的甲基丙烯酰化丝素蛋白水凝胶可促进脂多糖诱导后的小胶质细胞向M2型极化。

聚丙烯酰胺改良甲基丙烯酰化明胶接枝钛合金支架的促成骨性能

背景:钛及其合金因出色的生物相容性、耐腐蚀性、力学性能被广泛应用于骨科内植物中,但其本身拥有生物惰性不能为成骨细胞提供良好的生长环境,较难形成良好的骨整合。目的:在钛合金支架表面构建甲基丙烯酰化明胶和聚丙烯酰胺复合水凝胶材料,分析其体外促成骨能力。方法:将甲基丙烯酰化明胶与丙烯酰胺混合,加入交联剂与催化剂合成甲基丙烯酰化明胶-聚丙烯酰胺(Gelma-PAAM)水凝胶。将经亲和硅烷表面改性后的钛合金支架分别与甲基丙烯酰化明胶(Gelma)水凝胶、Gelma-PAAM水凝胶混合,完成负载(分别记为Ti-Gelma、Ti-Gelma-PAAM),比较支架表面两种水凝胶的溶胀比、降解率,通过扫描电镜观察水凝胶与钛合金的结合状态。将大鼠骨髓间充质干细胞分别接种于单纯钛合金支架、Ti-Gelma支架、Ti-Gelma-PAAM支架中,检测细胞增殖、黏附及成骨分化能力。结果与结论:①与Gelma水凝胶相比,Gelma-PAAM复合水凝胶具有更高的溶胀比与更低的降解率;②扫描电镜下可见两种水凝胶表面为蜂窝状结构,与多孔钛合金支架结合后呈膜样包裹于支架表面并充斥孔隙,其中Gelma-PAAM复合水凝胶包裹支架得更充分;③CCK-8检测与活-死荧光染色显示,与Ti-Gelma、Ti-Gelma-PAAM支架共培养后的骨髓间充质干细胞增殖良好并保持较高的活性;成骨诱导培养后,单纯钛合金支架组细胞碱性磷酸酶活性、钙沉积量与成骨基因表达量最低,Ti-Gelma-PAAM组细胞碱性磷酸酶活性、钙沉积量与成骨基因表达量最高;④鬼笔环肽骨架染色显示,单纯钛合金支架组、Ti-Gelma组细胞稀疏、伸展不够充分,Ti-Gelma-PAAM组细胞伸展充分、肌动蛋白丝致密;⑤结果表明,Gelma-PAAM水凝胶具有良好的生物相容性与促成骨能力,较Gelma水凝胶更适宜用于钛合金金属表面的促成骨改性。

甲基丙烯酰化改性真皮细胞外基质水凝胶促进腹壁缺损修复

背景:目前用于填充腹壁缺损部位的合成高分子材料(如聚丙烯或聚酯)不仅缺乏可降解性和生物活性,还难以适应复杂形状伤口需求,因此,找到免疫原性低、组织相容性好的生物活性材料成为腹壁缺损修复研究的热点。目的:制备甲基丙烯酰化改性真皮细胞外基质水凝胶,探讨其在腹壁缺损中的潜在应用价值。方法:(1)依次用0.25%胰蛋白酶、1%Triton X-100对猪真皮进行脱细胞处理,获得真皮细胞外基质;胃蛋白酶消化真皮细胞外基质,经甲基丙烯酸酐改性后光交联形成甲基丙烯酰化改性真皮细胞外基质水凝胶,扫描电镜观察水凝胶的微观形貌,测试其流变学性能、溶胀性等理化性质;(2)将L929成纤维细胞接种到甲基丙烯酰化改性的真皮细胞外基质水凝胶中,检测细胞相容性;(3)将12只SD大鼠随机分为2组(n=6),创建保留腹膜的腹壁缺损模型,聚丙烯组缺损部位填充聚丙烯材料,水凝胶组缺损部位填充甲基丙烯酰化改性真皮细胞外基质水凝胶,两组创面皮肤均用聚丙烯材料覆盖,观察创面愈合情况并进行组织学分析。结果与结论:(1)采用酶解法对猪真皮进行脱细胞后具有良好的脱细胞效果,并且原有的糖胺聚糖及胶原蛋白保留较好。扫描电镜下可见甲基丙烯酰化改性真皮细胞外基质水凝胶为疏松多孔结构,孔径在70-120μm之间,该水凝胶的溶胀比为(16.88±3.24)%,吸水率为(94.24±1.11)%,流变学性能测试表明该水凝胶状态稳定且具有剪切变稀特点,具备可注射性;(2)CCK-8检测与Live/Dead染色结果显示,甲基丙烯酰化改性真皮细胞外基质水凝胶具有良好的细胞相容性;(3)动物实验结果显示,实验组术后7,10,14 d的皮肤创面愈合率高于对照组(P <0.05);皮肤与肌层组织苏木精-伊红、Masson染色显示,与聚丙烯组比较,水凝胶组术后14 d的皮肤创面上皮化情况、毛囊生成、胶原纤维排列及新生血管情况更好,术后28 d的皮肤创面新生组织结构与正常组织相近,并且瘢痕增生较少,术后28 d时可见少量肌肉组织再生;(4)结果表明,甲基丙烯酰化改性真皮细胞外基质水凝胶可促进腹壁缺损大鼠的皮肤创面愈合和肌肉组织再生。

甲基丙烯酰化明胶/富血小板血浆复合水凝胶构建仿生微环境促进小鼠胰岛瘤细胞MIN6功能

背景:构建仿生微环境促进胰岛素分泌细胞存活及功能发挥,是胰腺组织工程的热点与难点。目的:基于甲基丙烯酰化明胶/富血小板血浆水凝胶构建仿生微环境,促进小鼠胰岛瘤细胞MIN6存活和功能表达。方法:将体积分数10%,30%,50%的富血小板血浆溶液分别与50 g/L的甲基丙烯酰化明胶混合,经Ca^(2+)与凝血酶活化及紫外光照射固化成水凝胶,分别记为G+10P、G+30P、G+50P,同时制备单纯的甲基丙烯酰化明胶水凝胶(记为G),检测4组水凝胶的孔隙率、杨氏模量、溶胀性能与流变行为。将4组水凝胶分别与小鼠胰岛瘤细胞MIN6共培养,检测细胞形态与增殖活性,并进行qRT-PCR检测、胰岛素免疫荧光染色及胰岛素释放实验。结果与结论:①复合成分水凝胶的孔隙率小于单一成分水凝胶、杨氏模量高于单一成分水凝胶,并且随着富血小板血浆浓度的增加,复合成分水凝胶的孔隙率与杨氏模量降低;G+30P、G+50P组溶胀率低于G组、G+10P组(P<0.05);复合成分水凝胶的储能模量、耗能模量均大于单一成分水凝胶(P<0.05);②光镜下可见,单一成分水凝胶表面的细胞呈团块样且散在分布,复合成分水凝胶表面的细胞呈团状,但生长速度更快、细胞团之间连接紧密;活死染色显示,各组水凝胶可促进细胞存活,其中G+30P组、G+50P组死细胞数量明显少于G+10P组、G组;CCK-8检测显示,复合成分水凝胶促进细胞增殖效果强于单一成分水凝胶,并且随着富血小板血浆浓度的增加,促增殖效果更明显;③qRT-PCR检测显示,与单一成分水凝胶比较,复合成分水凝胶可明显上调胰岛十二指肠同源盒1、胰岛素、葡萄糖激酶的mRNA表达,其中以G+30P组最明显;免疫荧光与胰岛素释放实验显示,与单一成分水凝胶比较,复合成分水凝胶可促进胰岛素蛋白的表达及胰岛素释放;④结果表明,甲基丙烯酰化明胶/富血小板血浆复合水凝胶可用于模拟胰岛素分泌细胞微环境,能够显著提高其存活和功能发挥。

甲基丙烯酸酐改性明胶/经处理牙本质基质生物活性支架的制备及性能

背景:牙髓-牙本质再生一直是近几年研究的热点及难点,构建复合生物支架材料为牙髓-牙本质再生提供了新的思路与方法。目的:观察甲基丙烯酸酐改性明胶/经处理牙本质基质支架对人牙髓干细胞增殖、迁移与成骨分化的影响。方法:将不同质量的经处理牙本质基质分散至甲基丙烯酸酐改性明胶溶液中,使甲基丙烯酸酐改性明胶与经处理牙本质基质的质量比分别为2∶1、1∶1、1∶2,采用冷冻干燥法制备甲基丙烯酸酐改性明胶/经处理牙本质基质支架,检测支架的微观形貌、吸水率及机械性能。采用不同质量比的支架浸提液、DMEM培养基(对照组)分别培养人牙髓干细胞,检测细胞增殖与迁移情况。采用不同质量比的支架浸提液+成骨诱导液、DMEM培养基+成骨诱导液(对照组)分别培养人牙髓干细胞,碱性磷酸酶染色分析成骨能力。结果与结论:①扫描电镜下可见3组支架均具有多孔结构,随着支架中经处理牙本质基质质量的增加,支架的孔隙率升高,组间两两比较差异有显著性意义(P<0.05);随着支架中经处理牙本质基质质量的增加,支架的吸水率升高,组间两两比较差异有显著性意义(P<0.05);随着支架中经处理牙本质基质质量的增加,支架的抗压强度、剪切强度增大。②CCK-8检测显示培养3,5,7 d,2∶1、1∶1、1∶2支架组细胞增殖吸光度值均高于对照组(P<0.05),并且随着支架中经处理牙本质基质质量的增加,细胞增殖吸光度值升高(P<0.05);细胞划痕实验显示2∶1、1∶1、1∶2支架组细胞迁移率均大于对照组(P<0.05),并且随着支架中经处理牙本质基质质量的增加,细胞迁移率增大(P<0.05)。③碱性磷酸酶染色显示,2∶1、1∶1、1∶2支架组细胞成骨分化能力均强于对照组,并且随着支架中经处理牙本质基质质量的增加,细胞成骨能力增强。④结果表明,甲基丙烯酸酐改性明胶与经处理牙本质基质质量比为1∶2的支架最适合牙髓干细胞的增殖与分化。

阳离子型聚N-羟甲基丙烯酰胺水凝胶的制备及其对废水中甲基橙的吸附性能研究

采用水溶液聚合法制备了阳离子型聚N-羟甲基丙烯酰胺水凝胶(CPNMA),并对其吸附废水中甲基橙(MO)的性能进行探究。利用SEM、FT-IR、TG及XPS对CPNMA进行表征。通过吸附动力学和吸附等温线模型拟合发现,在25℃下CPNMA对MO的吸附行为更符合拟二级动力学和Langmuir等温吸附模型,吸附平衡时间为960 min,理论最大吸附量为371.6 mg/g。分析了吸附温度和溶液pH对吸附效果的影响,结果表明,在吸附温度为35℃及溶液pH=6时CPNMA可以呈现出最佳的吸附效果。综合分析,CPNMA的吸附机理包括氢键、静电作用、范德华力、n-π相互作用、表面吸附和孔隙填充。

改性鸡肺、牛肺、猪肺明胶/羧甲基壳聚糖复合水凝胶的制备及性能

为提高畜禽养殖效益、实现高附加值的畜禽肺资源化利用,本研究以鸡肺、牛肺、猪肺及与羧甲基壳聚糖为原料,在鸡肺、牛肺、猪肺明胶制备及改性的基础上,将羧甲基壳聚糖分别与改性鸡肺、牛肺、猪肺明胶按1∶1、1∶2和2∶1体积比进行交联反应制备复合水凝胶,并进一步对复合水凝胶的关联度、凝胶强度、红外光谱、溶胀性、热变特征、微观结构及失水率等理化性质进行分析。结果表明,当羧甲基壳聚糖分别与改性鸡肺、牛肺、猪肺明胶按1∶2体积比时,配制得到的复合水凝胶性质最好。其中,羧甲基壳聚糖与改性牛肺明胶按1∶2体积比配制得到的复合水凝胶交联度、凝胶强度、孔隙率和失水率分别为45.4%、5.24 N、64.58%和87.6%,优于羧甲基壳聚糖分别与改性鸡肺明胶、改性猪肺明胶按1∶2体积比配制得到的复合水凝胶。本研究结果为畜禽肺的高附加值资源化利用提供了新思路。

应用于3D生物打印的甲基丙烯酸酐化明胶水凝胶相关理化性能的研究进展

甲基丙烯酸酐化明胶(GelMA)水凝胶由明胶和甲基丙烯酸(MA)聚合反应合成。GelMA水凝胶的制备方法简单,并具有良好的生物相容性及机械性能可调节性,受到众多研究者的关注。其在伤口敷料、药物释放支架及组织工程等生物医学工程领域具有巨大的应用潜力。文章对GelMA水凝胶的制备及其性能进行概括,对近年来利用纳米材料、天然聚合物和合成聚合物与GelMA水凝胶结合对材料改性进行综述,并对应用于3D生物打印的多功能GelMA水凝胶未来发展方向进行总结与展望。GelMA水凝胶属于多肽类水凝胶,脆弱易碎裂的特征极大限制了其应用,经过后期的改性提高力学性能的同时,可能将造成其生物相容性的降低,使材料的最终临床转换面临重大挑战。未来将通过不断探索复合天然/合成聚合物的混合水凝胶,提升支架的机械性能,同时保留GelMA优越的生物相容性。特别是纳米材料与GelMA水凝胶结合,将支架实现智能功能,尤其是在敷料支架领域的研究。

甲基丙烯酰化明胶3D培养的CAR-T细胞靶向杀伤脑胶质瘤细胞的研究

目的研究在甲基丙烯酰化明胶中培养的CAR-T细胞功能及活性的变化,以及用GelMA为载体,负载缓释CAR-T细胞的可行性。方法基因编辑靶向表皮生长因子受体(EGFR)的第二代CAR-T细胞,制备负载CAR-T的甲基丙烯酸酯明胶,通过水凝胶成胶过程图像、储存及损耗模量验证水凝胶成功制备;使用荧光显微镜荧光成像、流式细胞分析验证CAR-T的成功转染;应用CCK-8实验检测水凝胶的生物相容性;构建共培养模型,利用Elisa试剂盒、细胞毒性LDH试剂盒检测上清液中释放的细胞因子、LDH,检测CAR-T是否成功活化,评估CAR-T细胞杀伤效应。结果荧光显微镜下观察转染第4天的CAR-T细胞,见CAR-T细胞聚集成团并散发绿色荧光;第9天流式细胞术示CD3+T细胞的慢病毒转染率为42.2%,CD8+T细胞:CD4+T细胞约为1∶1,CAR-T细胞成功制备。CCK8实验示水凝胶无毒性。Elisa试剂盒示上清液中细胞活性因子IFN-γ释放量显著增多,提示CAR-T细胞识别EGFR抗体后,可成功活化。当效靶比为1∶1时,U87细胞毒性为71.75%,而U87 EGFRvⅢ细胞毒性为18.13%。结论甲基丙烯酸酯化明胶负载培养的CAR-T细胞活性良好,功能正常,可设计使用该水凝胶负载递送CAR-T细胞,实现CAR-T细胞的精确靶向治疗。

P(N-MAAm)水凝胶吸附剂的制备及其对亚甲基蓝染料吸附性能的研究

将N-羟甲基丙烯酰胺引入聚丙烯酸-丙烯酰胺体系,采用“一锅煮”法合成了P(N-MAAm)水凝胶。结果显示,当n(AM)∶n(AA)为1∶4、中和度为60%、交联剂用量为0.4%、n(AM)∶n(N-MA)=9.5∶0.5时,P(N-MAAm)对亚甲基蓝(MB)的实测最大吸附量可达1603.77 mg/g;降低环境温度、盐度,提高pH有利于P(N-MAAm)水凝胶吸附MB;吸附动力学曲线符合准一级动力学模型(R_(1)>0.999),吸附等温线更符合Langmuir模型(R_(L)>0.981),P(N-MAAm)水凝胶对MB的吸附过程更倾向于是物理吸附,并且可能是多分子层吸附。P(N-MAAm)水凝胶通过Langmuir模型拟合计算得到理论最大吸附量为3170.27 mg/g;具有良好的可重复利用性能,5次吸附-解吸循环后对MB的去除率仍高于95%。

高透光性甜菜碱型明胶水凝胶的制备与表征

甲基丙烯酰化明胶(gelatin methacryloyl,GelMA)水凝胶透光性、抗蛋白吸附能力较弱,限制了其在人工角膜的应用。基于GelMA水凝胶,引入具抗生物吸附能力及生物相容性的磺基甜菜碱甲基丙烯酸酯(Methacryloxyethyl sulfobetaine,SBMA),构建系列比例的复合两性离子水凝胶GelMA-SBMA体系,讨论单体配比对水凝胶理化性能、生物学性能的影响,并进行体外细胞实验,讨论复合水凝胶对细胞生长、增殖的影响。结果表明,GelMA∶SBMA为5∶1的复合水凝胶在700 nm波长下透光率可达94%,与纤维蛋白的接触角保持在90°以上,体现出抗蛋白吸附能力。细胞实验表明,SBMA的引入有助于细胞生长、增殖,体现出良好的生物相容性。