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负载细胞的可注射性丝酸水凝胶
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胞载水凝胶在组织工程和再生医学领域中具有巨大的潜力。它们的主要功能是模拟细胞在体内所处的自然环境，为细胞提供三维（3D）的培养和控制方法。胞载水凝胶已被广泛应用于各种领域，包括细胞传递、疾病建模以及为患者定制的工程组织的开发。理想的胞载水凝胶应具备以下特点：高生物相容性：以确保不会引发不良的免疫反应；良好的力学性能：其强度应与设计用于替代的特定组织相匹配；有效的物质传输能力：以确保营养物质和废物能够充分扩散；适当的可降解性：以允许新组织逐渐取代水凝胶结构。通过满足这些标准，胞载水凝胶可以为细胞提供理想的生长环境，从而实现更有效的组织再生和医学应用。 源自蚕茧的丝素蛋白是一种天然的蛋白质，因其卓越的机械性能、良好的生物相容性和可降解性而备受科学家们的青睐。丝素蛋白水凝胶是通过在特定化学或物理条件下，丝素蛋白自组装而形成的。然而，之前的研究显示，丝素蛋白水凝胶的形成通常需要在非生理条件下进行，如高温、低酸度环境、有机溶剂、交联剂等，或者需要经历如涡流和超声处理等处理方式。这些条件往往会导致细胞相容性的降低，从而限制了丝素蛋白水凝胶作为载有细胞的生物材料的应用。 正因为丝素蛋白具有上述独特的特性，越来越多的科学家们开始关注其在胞载水凝胶领域的应用研究。西湖大学郭成辰研究员提出了一种基于丝酸的可注射的细胞负载水凝胶系统，丝酸是天然丝素蛋白的羧化衍生物，在生物医学中表现出有前景的应用。研究成果以“Injectable Cell-Laden Silk Acid Hydrogel”为题于2023年11月29日在线发表在《Chemical Communications》（IF 4.9）上。 在这项工作中，作者首先利用一步修饰反应在丝蛋白上进行高效的羧基化改性，通过改变修饰反应条件，丝酸（SA）的羧基化修饰程度可以被精确控制，且最高的修饰程度可达9.5 %。随后，将SA溶解在HEPES溶液（pH7.4，这是细胞培养基中使用的相同缓冲液）中，并在37 ℃下孵育，观察到了SA水凝胶的自发形成。相比之下，未经改性的丝蛋白在相同的条件下并没有表现出形成水凝胶的特性。SA水凝胶在完成凝胶化过程后，变得不透明，与丝素蛋白水凝胶类似。通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）进行检测，发现酰胺I的峰值从1645 cm-1变为了1620 cm-1，这表明在自组装过程中形成了β-折叠结构。进一步观察发现，β-折叠结构会转化成半结晶结构，这就是导致SA水凝胶的光透射率降低的原因。实验结果表明，SA的自组装形成水凝胶需要在37 ℃下反应大约36小时。相比之下，在相同的条件下，丝素蛋白溶液的吸光度保持较低，这表明自组装程度微乎其微。 作者研究了缓冲液和pH值对SA自组装的影响。发现SA在各种缓冲液中均可自组装，但pH值对其影响显著。在弱酸性环境中，SA无法在三天内自组装成水凝胶；而提高pH值可加速其自组装过程，在弱碱性环境中约24小时内可完成凝胶化。此外，足够的离子强度对SA的凝胶化是必要的，最佳的NaCl浓度为75-300 mM，与生理水平一致。圆二色光谱（CD）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）进一步证明了SA在溶胶-凝胶转变过程中二级结构的变化。随着自组装的发展，219nm的带开始出现并逐渐增强，表明二级结构向β-折叠结构的转变。这些结果证实了SA的自组装是由随机线圈结构向β-折叠结构的结构转变所致。 作者同时还研究了SA在溶胶-凝胶转变过程中的流变性质。在最初的12小时内，SA保持溶液状态，模量低于1 Pa。培养24小时后，模量增加到约100 Pa，表明发生了凝胶状态。48小时后，储能模量达到约1000 Pa的平台期。值得注意的是，SA水凝胶的模量远低于丝纤维蛋白水凝胶的模量，这可能是由于SA水凝胶中β-折叠结构含量较低。此外，SA水凝胶具有剪切稀化和可注射性，粘度在高的应变下降低，而在小的应变下迅速恢复到凝胶状态。这使得SA水凝胶容易通过21号针头挤压出来。这些流变性质表明，SA水凝胶具有很好的生物相容性和可加工性，可用于细胞培养和生物打印等领域。 SA水凝胶在3D细胞培养方面具有巨大潜力，支持三种不同细胞系（L929，HUVEC和rBMSCs）的存活和生长。细胞在SA水凝胶中的存活率高达95%，同时支持细胞体积扩张、生长和增殖。注射测试表明，SA水凝胶能够保护细胞免受剪切力的伤害，所有细胞系在注射后24小时的存活率均超过90%。因此，SA水凝胶有望成为细胞承载生物打印的生物墨水。 原文链接： https://doi.org/10.1039/D3CC04280D |
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