智能凝胶在细胞三维培养中的研究进展

与传统的体外二维细胞培养(2D培养)相比,体外三维细胞培养(3D培养)因能更好地模拟细胞外基质(ECM)而备受关注。智能水凝胶不仅具有良好的生物相容性,其特殊的结构性能能有效模拟细胞外基质,实现细胞3D培养,而且通过智能凝胶简单的响应性,可以改变细胞生长的微环境,实现在三维空间内对细胞进行特异性的培养和研究。本文基于智能凝胶和细胞3D培养,综述了智能凝胶的类型、在细胞3D培养中的应用,以及智能凝胶对细胞生长和行为的影响。     

微流控芯片上的肿瘤组织微阵列构建

研发了一种多层复合微流控芯片,包含64细胞培养微孔阵列,该微阵列集成了细胞进样、水凝胶三维支架形成和持续灌流培养的过程.以MCF-7乳腺癌细胞为模型,连续培养中监测细胞存活率、细胞密度、增殖率和细胞内pH值,并同时进行冰冻切片后免疫组化染色.实验结果显示,乳腺癌细胞在水凝胶微球中增殖形成了类组织结构.E-cadherin及Vinculin在细胞内、细胞间隙均出现较强表达,提示水凝胶微球中细胞建立了细胞-细胞、细胞-间质连接.芯片上连续培养15天内细胞存活率保持在85％以上,细胞增殖率随时间延长而递减.细胞内pH值检测显示芯片3D培养细胞内部呈现明显的酸化,其程度随着细胞密度增大而增加.这种芯片肿瘤组织微阵列构建方法简单高效,有望发展成为肿瘤研究的有力工具.     

海藻酸盐水凝胶作为递送载体在组织再生中的应用

海藻酸盐是一类存在于褐藻中的线性亲水多糖,由D-甘露糖醛酸(M)和L-古洛糖醛酸(G)以不同比例的重复单元组成.它是用于水凝胶合成的天然生物材料之一,通过简单的离子交联,即可与Ca2+等多价无机阳离子发生"蛋盒反应",形成水凝胶.海藻酸盐骨架上存在大量–OH和–COOH极性基团,通过化学或物理方法对其进行修饰,使其可以在温度、pH、光等刺激的响应下实现细胞或生物活性分子的可控释放.目前组织再生领域的主要应用策略之一是利用生物相容性材料,结合生物活性分子和细胞,以促进受损组织的再生.水凝胶材料在保护嵌入的细胞并模仿天然细胞外基质方面具有潜力.海藻酸盐也因为其易于凝胶化和良好的生物相容性,被广泛用于组织再生领域.本综述中,我们总结了用于组织再生,特别在伤口愈合、骨和心脏修复领域的海藻酸盐水凝胶的不同交联方法,重点分析了对刺激具有响应性的海藻酸盐水凝胶的特征以及其作为递送载体在组织再生中的应用.     

酶促水凝胶的合成及生物传感应用研究进展

近年来,聚合物基水凝胶材料已经成为一种独特的修饰材料,为新型生物传感器的设计提供了新思路.酶具有特异性高、毒性低、催化效率高等良好特性,已被用于催化聚合各种新型水凝胶.本文综述了几种酶促水凝胶的合成方法及其在细胞代谢物、组织工程、伤口愈合和癌症监测等方面的潜在应用,并对基于酶促水凝胶反应的生物传感器的制备与应用进行了总结与展望.     

PLG-g-TA/RGD酶催化交联水凝胶用于透明软骨细胞黏附和三维细胞培养

制备了一种基于聚谷氨酸-g-酪胺/cRGDfk(PLG-g-TA/RGD)的新型酶催化交联水凝胶, 用于兔透明软骨细胞黏附和三维细胞的培养. PLG-g-TA/RGD聚合物材料在辣根过氧化物酶(HRP)和过氧化氢(H₂O₂)存在下, 能够通过酪氨基团的自交联快速形成水凝胶. 环状多肽(cRGDfk)的引入能够显著提高材料的溶液-凝胶转变速率和凝胶强度. 透明软骨细胞在水凝胶表面黏附3 d后, 在PLG-g-TA/RGD水凝胶表面有更多的细胞黏附; 将透明软骨细胞包裹在水凝胶内培养1, 4, 7 d后, 细胞在PLG-g-TA/RGD水凝胶内增殖效率明显高于对照组PLG-g-TA水凝胶. 细胞实验结果表明, 该水凝胶材料具有良好的生物相容性. cRGDfk的引入, 促进了透明软骨细胞的黏附和增殖, 显示了PLG-g-TA/RGD水凝胶材料在三维细胞培养方面的应用潜力.     

水凝胶流变学研究概况

水凝胶具有良好的生物相容性和生物可降解性,其结构呈三维网状结构,与细胞外基质相似,在药物释放和组织工程等领域具有广阔的应用前景,被广泛地用于生物制药、生物材料和医学等领域。流变学可以描述材料的流动特性和力学性能,水凝胶的粘弹响应对材料内部结构的变化也非常敏感,因此流变行为被视为研究水凝胶的一种重要方法。本文综述了流变学方法在水凝胶研究中的应用,介绍了水凝胶流变学的研究方法,讨论了影响水凝胶流变学特征的因素,并展望了水凝胶流变学的发展前景。     

双光子聚合技术在组织工程学方面的研究进展

细胞外基质(ECM)是分布在细胞表面或细胞之间的大分子,具有复杂的网络结构,通过与细胞的相互作用调节着细胞的生长、增殖和分化,然而截止到目前这种复杂的调节作用还没有被完全理解。新兴的组织工程学通过体外构筑ECM来培养组织或器官,能够系统、深入的研究细胞与ECM之间的相互作用,进而为再生医学的发展奠定基础。双光子聚合技术具有穿透性好、空间选择性高、对生物组织损伤小等特点,是体外构筑ECM的理想方案。本文介绍了双光子吸收和双光子聚合的基本原理,梳理了水溶性双光子聚合光敏剂的研究概况,综述了光聚合水凝胶材料的研究进展并对后续研究进行了展望。     

调控细胞迁移和组织再生的生物材料研究

组织再生材料为细胞、组织的生长提供必要的物质基础,维持再生组织的形状和力学性能,并实现与周围组织的有机整合。其中,材料-细胞的相互作用是组织再生材料的核心问题。组织再生材料表界面的物理结构和化学性能可以直接影响细胞的黏附、铺展、增殖、迁移和分化等行为,进而影响组织修复和再生的效果。多数组织和器官具有立体结构,并具有更为精细的微结构。因此,三维组织再生材料体系的构建及其微结构调控是另外一个重要问题。本文结合本课题组近年的工作,综合国内外最新研究成果,重点介绍了生物材料表界面物理结构和理化性质对微粒吞噬、细胞黏附的影响、梯度材料对细胞黏附和定向迁移的作用、3D水凝胶中的细胞迁移行为及特点,以及用于皮肤和软骨组织修复与再生的植入材料,最后对生物材料在组织再生中的研究与应用进行了展望。     

仿生天然高分子水凝胶在医用材料方面的应用

天然高分子水凝胶具有高度水合的三维网络结构,显示出独特的粘附性,能有效地控制出血,减少二次感染,且生物相容性和生物降解性好,是一种理想的医用粘合剂材料。近年来,鉴于目前医用粘合剂研发制备中对水下湿粘性以及生物降解性能等要求越来越严格,具有耐水粘附性、生物安全性和形状可控性的新型粘附材料成为研究的热点和难点。自然界生物对各种基质的粘附性主要取决于其组成或结构,利用天然高分子水凝胶材料进行仿生,可以使其兼具优异的组织粘附性、止血抑菌性和形状可控性等特性,是解决上述问题的有效策略。本文概述了两种类型的仿生天然高分子水凝胶材料粘附机制,针对性地讨论了贻贝、藤壶、牡蛎的组成特性和咸水鱼、细胞外基质(extracellular matrix)的结构特点以及粘附机理,并介绍了相应仿生天然高分子水凝胶材料在组织愈合、伤口止血及药物递送方面的研究进展。最后,对仿生天然高分子水凝胶在未来的发展方向进行展望并为其提供相应的建议。     

聚二甲基硅氧烷-纸复合微流控芯片上的肝癌细胞三维培养

研发了一种聚二甲基硅氧烷-纸复合型微流控芯片用于肝癌细胞三维培养.芯片使用明胶处理硝酸纤维素薄膜作为细胞培养基底,以水凝胶网格作为三维培养支撑.结合微通道主动灌流与水凝胶中的被动扩散,模拟体内的流体运输形式实现细胞与外界物质交换.实验结果显示,芯片上的液滴生成以及细胞定位种植简便可靠.连续监测显示肝癌HcpG2细胞在水凝胶微球中增殖形成类似组织的三维结构.细胞增殖动力学分析以及生化检测结果显示了芯片三维培养与二维培养的差别.这种芯片三维细胞培养方法操作简便可靠,仿真度高,适合于肿瘤细胞研究.     

由D型氨基酸设计自组装短肽D-EAK16构建新型三维纳米纤维支架材料

采用D型氨基酸设计自组装短肽D-EAK16, 运用圆二色仪及原子力显微镜等仪器和细胞三维培养, 发现短肽D-EAK16在30 ℃时具有稳定的二级结构β-sheet, 在一定浓度下D-EAK16可形成由纳米纤维构成的透明水凝胶, 含水量高达99％, 可在细胞培养基(如PBS, DMEM)中形成支架. 细胞三维培养显示, 该水凝胶对细胞HO-8910和SPC-A-1的生长未见毒性. 比较D型氨基酸纳米支架和L型氨基酸纳米支架, 细胞的毒性未发现显著性差异. 采用D型氨基酸构建的自组装短肽, 可提供一个三维基质培养系统, 期望能广泛应用于生物医学工程等领域.     

响应性水凝胶及其在生物医药领域应用研究进展

响应性水凝胶又称"智能水凝胶",是以水凝胶为基础,经修饰响应多种理化性质及微小环境变化,从而改变自身性质的一类水凝胶。响应性水凝胶目前广泛应用于生物医药领域、材料领域等,如:制备pH响应性水凝胶负载阿霉素(DOX)治疗癌症,温度响应性水凝胶制作3D生物打印材料用于创伤修复,葡萄糖响应性水凝胶治疗糖尿病足等。本文介绍了响应性水凝胶研究的国内外发展动态,包括响应性水凝胶的制备、修饰方法及其在生物医药领域的应用,并对未来的发展方向进行了讨论与展望。     

用于软骨修复的水凝胶*

在软骨组织修复与再生中,水凝胶支架能够为细胞的增殖与分化提供更接近于天然软骨细胞外基质的微环境,是软骨组织修复的一种理想材料。本文介绍了近年发展起来的一些具有新结构和新性能的水凝胶,包括高强度水凝胶以及结构中包含功能蛋白和多肽的水凝胶。重点介绍了对温度、pH值及对生物分子产生响应的刺激响应型水凝胶和自组装水凝胶。具有α-螺旋结构和自组装水凝胶通过两个或多个卷曲螺旋结构聚集形成水凝胶,而通过多肽自组装形成的具有纤维结构的水凝胶在微观的结构上更接近软骨细胞外基质。此外,DNA的分子和序列也用来设计基于DNA的新型水凝胶。本文最后介绍了能在力学、生物学和可注射性等多方面更好地满足软骨修复需要的复合型水凝胶支架、干细胞与水凝胶的复合以及生长因子、基因和一些力学刺激对软骨再生的促进作用。     

基于二芳基四氮唑修饰短肽的光敏超分子水凝胶

本文报道了一种可对光照响应发生降解的超分子水凝胶,成胶因子为二芳基四氮唑修饰二肽(MeO-TetGA). MeO-Tet-GA在中性缓冲溶液中可发生自组装形成超分子水凝胶,并且该水凝胶具有良好的机械性能,动态储能模量G’在500 Pa以上.基于二芳基四氮唑与末端烯烃间的分子间光点击化学反应,我们可进一步在MeO-TetGA超分子水凝胶中修饰亲水性的苯基磺酸钠从而打破水凝胶内部的亲疏水平衡,进而诱发水凝胶内部纤维结构的破坏以及水凝胶的降解.此外,我们尝试了将MeO-Tet-GA超分子水凝胶应用于小鼠乳腺癌4T1细胞的三维培养,发现MeO-Tet-GA超分子水凝胶具有优良的生物相容性,在用于细胞三维培养3 d后不会造成明显的4T1细胞死亡.综上所述,由MeO-Tet-GA形成的超分子水凝胶是一种潜在的生物材料,在细胞长期三维培养以及通过光照调节细胞微环境进而研究细胞行为变化方面具有应用前景.     

聚(L-谷氨酸)水凝胶的Diels-Alder制备及其生物分子响应性研究

报道了一种含有二硫键的聚L-氨基酸共价交联网络,制备了能对含巯基生物分子与蛋白酶产生响应的新型聚L-氨基酸水凝胶.通过二硫键将降冰片烯基团键合在聚(L-谷氨酸)侧链,所得到的聚合物与末端修饰四嗪基团的四臂聚乙二醇在水溶液中混合,通过降冰片烯与四嗪基团之间发生Diels-Alder反应形成分子间共价交联,获得了聚(L-谷氨酸)/聚乙二醇水凝胶.研究了水凝胶在含巯基生物活性分子谷胱甘肽(GSH)作用下的性质变化.结果表明,2种官能化聚合物混合后可快速形成稳定的水凝胶,其力学性质随聚合物浓度、2种聚合物比例和降冰片烯基团的取代度的改变而变化.体外降解实验结果表明,在GSH或弹性蛋白酶存在的条件下,水凝胶的降解速率显著增加.同时,经GSH处理的水凝胶机械强度也显著降低.大鼠体内实验表明,在交联点引入GSH响应性的二硫键会明显加速聚氨基酸水凝胶的体内降解.进一步体外细胞实验与组织学分析结果表明,所获得聚氨基酸/聚乙二醇水凝胶具有良好的体外细胞相容性和动物体内组织相容性.     

pH敏感型聚谷氨酸/透明质酸基互穿网络医用水凝胶的制备及表征

生物材料是推动生物医学领域日新月异变化的基石,医用水凝胶作为重要成员,近年来表现出蓬勃发展的态势。文章介绍了一种新型可注射的、以生物相容性方法交联的聚谷氨酸(Poly (γ-glutamic acid), PGA)/透明质酸(Hyaluronic acid, HA)复合水凝胶。研究首先采用EDC/NHS方法合成了酪胺(Tyramine,Ty)接枝聚谷氨酸的PGA-Ty前体大分子及半胱胺(Cysteamine, CA)修饰透明质酸的HA-CA前体大分子。两种前体大分子的结构分别使用核磁和红外进行了确证。得到的两种前体大分子在低浓度双氧水和辣根过氧化物酶(Horseradish Peroxidase, HRP)的共同作用下,于水相中交联得到互穿网络(Interpenetrating Network, IPN)水凝胶。实验对IPN水凝胶样品的系列性能,如平衡含水量、内部形貌、酶降解速率以及力学性能等进行了测试,并选取了盐酸四环素为药物模型对凝胶的体外药物释放行为、体外抗菌效果进行了测评。凝胶材料的细胞毒性及凝胶支架对细胞3D培养的效果证明其生物相容性优异,体外包埋的细胞经72h培养,未表现出明显细胞毒性。系列数据证明,该种水凝胶可以设计成为pH敏感型的药物控释载体材料,并因其良好的生物相容性,也有作为细胞支架、创伤辅料等其它生物医用材料的潜力。     

基于动态共价键的自愈性水凝胶及其在医学领域的应用

自愈性水凝胶作为一种新型仿生智能材料受到了科研人员的广泛关注.近年来,人们利用动态共价键、超分子作用,发展了一系列自愈性水凝胶,并将其应用于药物控释、细胞三维培养、组织工程等生物医用领域.本文总结和评述了基于动态共价键的自愈性水凝胶及这些水凝胶作为药物载体的相关研究,并展望了基于动态化学的自愈性水凝胶的未来发展.     

糖超分子水凝胶在组织工程领域的研究进展

组织工程的一般策略是使用生物支架作为人工基质替代天然细胞外基质(ECM)支持细胞的生存和各项功能,从而形成新的组织.作为一类重要的生物大分子,糖质(glycan)是ECM的主要组分,其所承载的基质和信息功能使其成为一种极有潜力的制备组织工程支架的原材料.与此同时,基于可逆非共价相互作用的水凝胶,因其可以实现对水凝胶时空结构的精确操纵,从而模拟细胞所需的生存环境,促进组织的再生修复,近年来得到了重视和研究.本文从模拟ECM的结构和功能切入,将糖质功能与非共价作用结合起来,介绍多种糖动态超分子水凝胶的设计思路和构筑原理,讨论其在组织工程应用中需要实现的关键性能,并对其在该领域的发展趋势进行展望.     

硫酸软骨素类可注射水凝胶体系及其凝胶化机制

硫酸软骨素是一种硫酸化糖胺聚糖类天然多糖,广泛分布于动物组织的细胞外基质和细胞表面,具有促进软骨生长、调控生长因子、加快伤口愈合等多种生物功能.近年来,基于硫酸软骨素良好的生物活性、生物相容性和生物降解性,硫酸软骨素类可注射水凝胶作为一种新型生物材料受到了广泛关注,尤其是在组织工程、药物输送和细胞治疗等生物医用领域的应...     

聚(L-谷氨酸)水凝胶介导羟基磷灰石的生物矿化

以1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐(EDC·HCl)为羧基活化剂, 己二酸二酰肼(ADH)为交联剂, 制备了生物活性聚(L-谷氨酸)(PLGA)水凝胶. 通过X射线衍射和扫描电子显微镜等表征了在不同浓度模拟体液(SBF)中羟基磷灰石(HA)的形成和生长. PLGA水凝胶的表面和内部均可观察到HA的形成和生长. 同时探讨了PLGA水凝胶矿化前后的力学性能. 将矿化前后PLGA水凝胶用于脂肪干细胞(ASCs)的培养, 研究其细胞相容性.