水凝胶材料在类器官研究中的应用进展

类器官指通过干细胞自组织在体外三维(3D)培养条件下分化形成的功能性细胞组织复合体,能够反映人体来源组织或器官的部分关键结构和功能特征,是一种极具前景的体外模型体系.目前,多数类器官的形成和培养都依赖复杂的动物来源细胞外基质(如Matrigel),该类基质的肿瘤源性和批次差异性影响了类器官培养的重现性,难以满足生物医学研究的需求.相比之下,各种天然和合成基水凝胶成分明确,具有高度可调的物理和化学特性,已广泛用于各种细胞的3D培养.本文概述了类器官的形成与培养现状,重点介绍了各种已用于类器官研究的水凝胶材料及其设计与工程化策略,讨论了功能化水凝胶材料在类器官基础研究和转化应用方面的潜力,并对其未来的发展趋势与面临挑战进行了展望.     

基于聚N-异丙基丙烯酰胺的细胞智能分离材料

聚 N -异丙基丙烯酰胺(PNIPAm)在水中是具有温度响应性的智能高分子材料,可用于细胞培养和自动脱附。本文从材料的制备方法出发,介绍了电子束照射接枝、等离子体处理接枝、表面活性自由基聚合、水凝胶等方法制备的材料对细胞培养及脱附的影响;阐述了细胞的脱附机理;讨论了加快细胞脱附的方法,包括共聚改性PNIPAm、PNIPAm接枝多孔膜、聚乙二醇(PEG)共聚PNIPAm接枝多孔膜、聚偏氟乙烯(PVDF)膜辅助细胞转移。从PNIPAm温敏性材料表面智能分离得到的细胞片因结构完整并保留了细胞外基质成分,在组织修复中得到了应用。     

水凝胶微流控芯片的快速加工及在细胞培养检测中的应用

采用具有紫外光聚合性能的聚乙二醇(PEG)基水凝胶材料, 通过紫外光聚合作用快速加工双层水凝胶微流控芯片, 并验证了其对肿瘤细胞代谢液进行检测的可行性. 与传统微流控芯片材料相比, 该水凝胶芯片材料具有更好的生物相容性及可操控性, 可直接加工成形, 在生物学领域特别是细胞培养过程控制方面具有良好的应用前景. 实验结果表明, 该水凝胶微流控芯片可在微尺度空间有效模拟细胞生长环境, 并实现对细胞连续捕获后的原位培养. 将该芯片与卟啉可视阵列传感器系统结合, 经代谢特征分析可有效区分不同种类肿瘤细胞, 实现芯片细胞培养平台上的细胞代谢指纹快速可视化传感检测.     

用于细胞三维培养的集成微柱阵列的微流控芯片设计与验证

设计并验证了一种用于细胞三维培养的集成微柱阵列的微流控芯片.芯片由一片聚二甲基硅氧烷(PDMS)沟道片和一片玻璃盖片组成, 在PDMS沟道片上集成了一个由两排微柱阵列围成的细胞培养室和两条用于输送培养基的侧沟道.微柱间距直接影响了芯片的使用性能, 是整个芯片设计的关键.基于数值模拟和实验验证, 本研究对微柱间距进行了优化设计.优化后的微流控芯片可以很好地实现细胞与细胞外基质模拟材料混合液的稳定注入、培养基中营养物质向培养室内的快速扩散和细胞代谢物的及时排出.在芯片上进行了神经干细胞的三维培养, 证明了芯片上构建的细胞体外微环境的稳定性.     

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.     

介孔硅基干凝胶的降解性及其生物相容性研究

本研究利用改进的溶胶-凝胶工艺合成了介孔硅基干凝胶。通过差热-热重(DTA-TG)、X-射线衍射(XRD)、红外光谱(FTIR)和N₂等温吸附-脱附测试分析,以及扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)观察,表征了硅基干凝胶的热效应、相态、结构、形貌特征,并对合成的硅基干凝胶进行了体外降解与细胞培养实验研究。测试结果表明：合成的硅基干凝胶为平均孔径3nm左右、最大比表面积901 m²·g^-1的介孔结构。体外模拟体液(Simulated body fluid,SBF)降解结果显示,低温处理的材料在42 d内完全降解,直线拟合符合一级反应动力学方程。通过添加钙磷成分或高温煅烧处理可以调控干凝胶的降解速率,使硅基干凝胶的降解呈现直线式匀速降解的特征。体外细胞培养表明：硅基干凝胶可促进C2C12细胞(C3H小鼠肌原细胞)的分化和繁殖,证明材料的生物相容性良好。     

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.     

基于PEG-DOPA的可降解水凝胶的制备及性质

多巴(DOPA)作为一种生物配体,由于其独特的生物粘附性在近来的研究中受到广泛关注。本研究中将DOPA分子和二硫键修饰于四臂聚乙二醇分子(T-PEG)的末端,利用高碘酸钠(NaIO4)实现其快速交联,得到了水凝胶。研究表明,该水凝胶在不同浓度的谷胱甘肽(GSH)作用下可实现在不同时间的降解,DOPA分子的引入显著提高了该水凝胶的机械强度。3D细胞培养及毒性测试表明,该水凝胶对骨髓间质干细胞(BMSCs)的生长有较好的促进作用。     

铈对人膀胱癌细胞基质金属蛋白酶-9表达及活性的影响

以体外培养的人膀胱癌细胞为研究对象,采用四唑盐比色检测法、明胶酶谱法研究Ce4+对人膀胱癌细胞的存活、基质金属蛋白酶 9表达与活性的影响。结果表明,低浓度稀土(0 01mmol·L-1)对细胞的生长没有显著影响,但强烈抑制基质金属蛋白酶 9的表达,而此浓度Ce4+能提高基质金属蛋白酶 9的活性。高浓度稀土(1 0mmol·L-1)对细胞的生长、基质金属蛋白酶 9表达与活性均有显著的抑制作用。     

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。     

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.     

UO22+对某些细胞毒性的初探

建立了由多种金属离子和小分子配体组成的多相细胞液热力学平衡模型,模拟研究了UO22+在组织液和细胞液的形态。体外培养了SD大鼠成骨细胞和人肾小管上皮细胞,通过体外细胞生长抑制实验探索了UO22+对成骨细胞及肾小管上皮细胞的毒性。研究表明,在细胞液中,当各形态UO22+物质总浓度[U]=8.4×10-6mol/L时,当pH为6.0～6.5时,UO22+主要以固相(UO2)3(PO4)2存在,当pH为6.8～7.5时,UO22+主要以水溶性[UO2(CO3)3]4-存在;当[U]=1.3×10-3mol/L时,在整个细胞液pH范围内,固相(UO2)3(PO4)2占主导地位。体外细胞生长抑制实验表明,UO22+对成骨细胞的生长具有抑制作用,能显著降低肾小管上皮细胞的存活率,具有明显的细胞毒性。     

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.     

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。     

基质金属蛋白酶活性中心肽段的合成及纯化

基质金属蛋白酶(MMPs)是一类生物活性依赖于钙锌离子,能降解细胞外基质(extracellar matrix,ECM)的酶家族.目前已发现26个成员,越来越多的研究表明,MMPs在肿瘤侵袭转移中起着重要作用,此作用不仅仅限于它有利于细胞外基质的降解,还对肿瘤微环境的维持和促进肿瘤生长起着重要作用[1].     

电活性和生物活性多巴-胰岛素样生长因子-1@聚(乙交酯-丙交酯)/聚(3-己基噻吩)静电纺丝纤维的制备及神经组织工程应用

理想型神经修复材料应具备与正常神经相似的导电性、仿生细胞外基质结构以及释放特定的生长因子等性能。 本研究将不同质量分数(0、3%、5%、10%)的聚(3-己基噻吩)(P3HT)加入到聚(乙交酯-丙交酯)(PLGA)中,采用静电纺丝工艺,制备了具有电活性和仿生结构的复合纤维。 利用酪氨酸羟化酶,将不同质量浓度(10、50、100 ng/mL)的含多巴接头的胰岛素样生长因子-1(DOPA-IGF-1)绑定在纤维表面,实现生长因子长效稳定的作用。 通过扫描电子显微镜、接触角表征了纤维直径、分布以及表面亲疏水性。 利用细胞培养、荧光染色实验评估了纤维在体外的生物相容性和生物活性。 结果表明,该电活性纤维能有效促进大鼠肾上腺嗜铬细胞瘤细胞(PC12)增殖,其中,PLGA/P3HT-5%纤维表现出更好的细胞响应性。 结合DOPA-IGF-1质量浓度为10 ng/mL的纤维更利于PC12细胞的黏附、生长。 兼具电活性和生物活性的纳米纤维DOPA-IGF-1@PLGA/P3HT在神经组织修复领域具有潜在的应用价值。     

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.     

透明质酸水凝胶在组织修复中的应用

透明质酸是细胞外基质的主要成分之一,参与调节如细胞黏附、增殖和分化等许多细胞生理过程。由其作为基础材料制备的三维网络状水凝胶可在一定程度上模拟细胞外微环境,协同干细胞在组织修复中发挥积极作用。透明质酸水凝胶因其良好的生物相容性和生物活性而得到广泛应用。为了增强透明质酸水凝胶在各类组织损伤中的长效特异性修复,既可设计水凝胶的机械性能等自身特性以达到仿生水平,也可考虑在水凝胶上负载其他活性成分并对其实现可控释放从而达到治疗效果。本文详细阐述了透明质酸水凝胶在皮肤修复、骨修复、软骨修复和中枢神经系统修复中的应用,并对其发展方向进行了展望。     

壳聚糖基智能凝胶材料及其应用

壳聚糖是一种通过超分子作用形成凝胶的氨基多糖,可形成配合物,如聚电解质配合物,共价配合物和自组装配合物等。壳聚糖基智能凝胶在控制释放载体、分离膜、固定化基质、人工细胞外基质和场响应材料等方面应用前景广阔。     

细胞在单壁碳纳米管无纺膜支架上的生长行为

以具有纳米拓扑结构特征的单壁碳纳米管无纺膜材料为支架, 选择在促进组织修复和再生中起重要作用的成纤维细胞株作为实验细胞, 研究了该材料对细胞生长行为的影响. 通过X射线光电子能谱分析, 表征其在细胞培养液中浸泡后的表面化学组成; 通过细胞粘附、增殖实验以及细胞骨架发育观察, 探讨了材料的微观纳米拓扑结构对细胞的作用, 以及与碳纤维、聚氨酯浇铸膜和空白培养板材料对细胞作用的差异和可能的机理; 并采用双层细胞培养装置, 研究了该材料通过细胞通讯途径对在其它材料上生长的细胞增殖的影响. 实验结果表明, 单壁碳纳米管无纺膜材料为细胞提供了十分接近天然细胞外基质的人造微环境, 具有显著促进细胞粘附和长时间增殖的功能, 而且生长在该支架上的细胞可能通过旁分泌方式将某些化学介质分泌到细胞外液中, 经局部扩散作用于在其它材料上生长的细胞, 促进它们的增殖.