仿生黏弹性高分子水凝胶及其生物医学应用

天然细胞外基质和生物体软组织固有的黏弹性是调控细胞行为和组织修复与再生过程的关键因素.基于动态建构化学反应交联得到的动态高分子水凝胶材料可有效模拟在体细胞或组织的黏弹性力学微环境,为体外调控细胞命运、揭示其力学生物学响应机制提供了重要工具,也为组织修复与再生提供了仿生支架材料.本综述在介绍天然细胞外基质及生物体软组织黏弹性的基础上,重点对仿生黏弹性水凝胶材料的设计思路、性能表征及影响因素等进行了概括和总结,并揭示了黏弹性水凝胶调控细胞、组织行为的规律及机制,最后,分析了目前该领域研究中所存在的问题并对未来发展方向进行了展望.本综述将有助于启发高分子水凝胶的仿生功能化设计思路及材料生物学效应研究,进一步拓展高分子水凝胶材料的生物医学应用.     

细胞梯度力学微环境体外构建的研究

细胞微环境与细胞的相互作用日益成为细胞生物学领域研究热点。微环境中物理信号(如基底的力学性能、形貌和牵张力)在控制细胞命运中的作用更不容忽视。其中力学刺激常以不均一的梯度形式参与调节发育、炎症、伤口愈合以及癌症过程中不同细胞的增殖、迁移和分化等行为。水凝胶是模拟细胞外基质(extracellular matrix, ECM)二维/三维组织支架的理想材料。先进的微纳制造技术已被广泛应用于支撑或包裹细胞的仿生水凝胶的合成和微环境的个性化定制研究中。本文阐述了体内细胞力学微环境中刚度和拉压应力刺激的构建方法与表征手段的研究现状,并着重综述了近年来水凝胶在细胞梯度力学微环境体外构建中的应用研究,同时也对未来研究中所面临的挑战提出了新的展望。这些工作对于组织工程及再生医学具有重要意义。     

基于液滴微流控的细胞凝胶微球研究进展

液滴微流控技术在微纳米尺度上对多种流体的流动进行精确控制,从而能够以高通量的方式生成结构可调和成分可控的微纳米液滴。通过结合合适的水凝胶材料和制造方法,可以将单个或多个细胞高效地封装进水凝胶中,制备细胞凝胶微球。细胞凝胶微球可以为细胞的增殖、分化等提供一个三维的、相对独立可控的微环境,在三维细胞培养、组织工程与再生医学、干细胞研究和单细胞研究等生命科学领域具有重要价值。本文主要综述了基于液滴微流控技术的细胞凝胶微球的制备及其在生物医学领域的应用,并对未来的研究工作提出了展望。     

成纤维细胞在壳聚糖/PHEA水凝胶膜上的粘附与生长行为

水凝胶是一类广泛溶涨于水 ,呈三维网状结构的聚合物具有很高的生物相容性 ,广泛地用于生物材料 ,如眼球的晶状体、人造脏器以及人造皮肤等。高含水量的水凝胶不利于细胞粘附 ,研究能使细胞粘附并生长的水凝胶是开发其在组织工程材料领域应用的关键 ,细胞易于粘附的水凝胶可用于细胞培养基材和组织工程移植支架材料。一般来说 ,由于细胞表面带有负电荷 ,带正电荷的基材表面 (如 ,多熔素 (Ｐｏｌｙｌ ｙｓｉｎｅ) )有利于细胞粘附 ,而带有酸性或中性基团的材料不利于细胞粘附[1 ] ,而且带高负电荷密度的基材会导致细胞新陈代谢的紊乱并抑制细…     

基于天然水凝胶的生物材料在骨组织工程中的应用*

天然水凝胶是指原材料来自于天然生物材料的水凝胶。由于这种天然的聚合物含有构成生物体的天然成分,与天然组织具有生物学和化学相似性,而受到特别关注。天然水凝胶由于其与细胞外基质高度的相似性被认为是骨组织工程中优良的仿生基质材料。而针对天然水凝胶机械性能差、成骨诱导性能弱等缺陷,通常需要对天然水凝胶进行改性、引入其他材料或生物活性因子,以此来获得更适用于骨组织工程支架材料。对近年来基于天然水凝胶的生物材料在骨组织工程的应用,与其不同的应用形式(可注射水凝胶、多孔水凝胶支架、3D生物打印水凝胶支架等)进行了概述,以期对这类基于天然水凝胶的生物材料在未来骨组织工程中的应用提供参考。     

水凝胶负载干细胞外泌体在组织再生领域的应用研究进展

近年来,间充质干细胞(mesenchymal stem cells,MSCs)衍生的外泌体在组织再生领域引发许多关注。MSCs衍生外泌体作为细胞间通讯的信号分子,具有天然靶向性强、免疫原性低等特点,其通过MSCs旁分泌途径被细胞吸收,参与调控发挥促进细胞或组织再生功能。水凝胶作为再生医学领域的支架材料,具有良好的生物相容性、降解性等特点。将二者制成复合物联合使用后不仅可以提高外泌体在病变位置的滞留时间,且可通过原位注射等方法提高外泌体到达病变位置的剂量,在病变区域治疗效果显著且持续性改善。文中总结了现阶段外泌体与水凝胶复合物材料共同作用促进组织修复、再生的研究结果,以期为未来组织再生领域中的相关研究工作提供借鉴。     

光交联水凝胶在组织工程中的研究进展

由于生物相容性、可降解性、与天然细胞外基质结构的相似性,水凝胶成为组织工程的研究热点与重点。基于原位形成和可注射性、与现有加工技术(3D打印、静电纺丝)的兼容性,光交联水凝胶在组织工程领域广泛应用。综述了近年来光交联水凝胶在组织工程领域的研究进展,包括其在软骨组织、骨组织、脂肪组织、牙周组织和皮肤组织方面的研究思路及应用进展,以期为后续光交联水凝胶作为组织工程支架的研究提供参考。     

组织工程用纤维增强天然多糖水凝胶的进展

天然多糖水凝胶具有良好的生物相容性,然而其力学性能调节幅度小,无法满足组织工程应用巨大的需求。通过纤维增强法,不仅可显著提高天然多糖水凝胶的力学性能,还能调节复合水凝胶的降解性能、促进细胞粘附、增殖与分化行为及其组织沉积。常用的天然多糖组织工程水凝胶的纤维增强方法有物理共混法、化学作用法、静电驱动法与自组装法等。本文综述了纤维增强水凝胶的结构与功能特点,讨论了纤维增强对组织工程水凝胶的意义,以期对纤维增强组织工程水凝胶的发展起到促进作用。     

支架材料对棕色脂肪源性干细胞向起搏细胞诱导分化的影响

目的观察不同三维支架材料对棕色脂肪来源干细胞（BADSCs）诱导分化成起搏细胞的效果,为构建生物起搏器提供实验依据。 方法将培养7 d的原代BADSCs分别种植到胶原海绵、明胶海绵和透明质酸水凝胶3种不同的材料中,在不同时间用光镜和扫描电镜观察细胞-支架复合体中细胞形态学的变化,免疫荧光染色检测心肌细胞、起搏细胞相关蛋白的表达。采用单因素方差分析。 结果细胞在3种支架上均能存活、增殖,LIVE/DEAD检测显示,培养3 d的胶原海绵、明胶海绵和透明质酸水凝胶3种细胞-支架复合物死细胞率分别为（46.35±1.50）%、（47.00±1.60）%和（1.76±1.08）%,其中细胞在透明质酸水凝胶中死亡率最低,并且细胞-透明质酸水凝胶复合物可自发性地搏动,三组比较差异具有统计学意义（F = 37.56,P < 0.05）。培养至2周时,胶原海绵、明胶海绵和透明质酸水凝胶中Connexin45细胞阳性率分别为（10.67±1.25）%、（13.67±1.25）%和（21.00±1.60）%,差异有统计学意义（F = 9.435,P < 0.01）,HCN2细胞阳性率分别为（11.00±1.60）%、（14.00±2.16）%和（34.33±3.68）%,差异有统计学意义（F = 17.52,P < 0.01）,HCN4细胞阳性率分别为（18.67±2.05）%、（13.00±1.60）%和（66.00±2.94）%,差异有统计学意义（F = 27.96,P < 0.01）,Sr细胞阳性率分别为（13.00±1.63）%、（14.33±1.24）%和（75.33±3.30）%,差异有统计学意义（F = 36.40,P < 0.01）,水凝胶中Connexin45、HCN2、HCN4和Sr的细胞阳性率均高于胶原海绵和明胶海绵,差异均具有统计学意义（P < 0.05）。 结论BADSCs在胶原海绵、明胶海绵和透明质酸水凝胶中均能很好地生长和分化,但透明质酸水凝胶更适用于组织工程化起搏器的构建。     

生物水凝胶及其复合材料在骨修复中的应用

由于外伤、疾病或骨吸收引起的大面积骨缺损无法自行修复,往往需要植入人工骨来恢复缺损区的骨形态和功能。由于传统的异体和异种骨存在易被宿主吸收、排斥等问题,且自体骨取材有限,因此,骨组织工程是目前最具前景和可行的骨修复策略。骨组织工程的关键是要有种子细胞、支架材料以及生长因子,生物水凝胶是潜在的组织工程细胞支架材料之一。水凝胶具有良好的生物相容性和可降解性,越来越受到组织工程领域学者的关注。本文对生物水凝胶在骨组织工程中的应用进行了评述。     

固定化细胞合成酯类载体的研究

本文以海藻酸钠、聚乙烯醇为材料包埋固定化细胞。建立了聚乙烯醇水凝胶的固定化方法,并与海藻酸钙凝胶剂进行了比较。该凝胶在产酯活性、机械强度、使用寿命、贮存稳定性等方面均优于后者。电镜观察也表明该凝胶适于包埋固定化细胞。     

用于组织工程软骨支架的改性水凝胶初步筛选

目的:本研究对水凝胶材料加入不同复合成分进行改性后,通过细胞在材料表面的生长增殖情况,筛选适宜作为组织工程软骨支架的复合材料。方法:PEGD水凝胶中分别以8:2和6:4两种比例复合NVP或HEMA;大鼠骨髓基质干细胞(MSCs)接种到改性后的复合材料表面共培养。以扫描电子显微镜(SEM)观察细胞在复合材料表面的生长状况。根据SEM观察结果,选择适宜的复合材料成分及比例,分别以等离子处理、丙烯酰胺接枝、真空干燥法和冻干法处理材料表面,再次接种MSCs,并以扫描电镜观察细胞生长;适宜材料在接种细胞前后的抗压强度也进行了评价。结果:根据SEM结果,(8:2)的PEGDA/HEMA和PEGDA/NVP表面完全无细胞生长;而在6:4比例的PEGDA/HEMA和PEGDA/NVP材料表面MSCs都有生长,其中以PEGDA/HEMA细胞增殖更明显。选择(6:4)PEGDA/HEMA复合材料分别进行三种方式表面处理,MSCs接种后在各种表面处理方式的材料都有生长,但以等离子处理后的材料表面细胞生长最旺盛,形态最好。细胞在(6:4)PEGDA/HEMA表面复合培养前后,材料的抗压强度没有统计学意义上的显著差别(P0.05)。结论:PEGDA/HEMA(6:4)具有良好的细胞相容性,尤其经等离子处理表面后细胞生长更优,可以作为组织工程软骨的支架材料。     

生长因子递送系统研究进展

生长因子在临床治疗领域的应用备受关注,但由于其半衰期短、稳定性差、在生理条件下被酶分解导致其快速失活等原因极大限制了生长因子在医学组织工程上的应用。如何有效运载和递送生长因子是医学组织工程研究中的关键问题,生物可降解材料是现今生长因子递送系统的理想载体。介绍了生长因子的生物学特性和临床应用,对递送生长因子的水凝胶和纳米载体的种类和应用进行了总结,并分析了基于不同生物材料的纳米递送系统的优势与缺点;并在此基础上对生长因子递送系统的研究现状和发展趋势做了综合评述和展望。     

自愈合水凝胶在组织工程中的研究进展

作为新型生物医用智能材料,自愈合水凝胶在解决柔性生物材料损伤修复问题及实现生物材料智能化和高效化中具有重要意义.本文综述了目前新型自愈合水凝胶的最新设计思路、性能以及在神经修复、骨缺损修复、心脏组织修复、肝脏止血等组织工程中的应用.这些研究进展为设计制备智能多功能水凝胶材料提供了创新思路,为增加柔性自愈合材料的多样性提供了新途径,为智能水凝胶材料在组织工程中的发展及生物医学中的应用奠定了良好的基础.     

Biomacromolecules:开发出可轻松运输药物至患处的新型水凝胶样结构

正近日,来自莱斯大学的生物工程师通过研究开发了一种具有牙齿间隙大的肽类,这种新型肽类或可将不溶解型药物有效运输至机体的准确部位,相关研究刊登于国际杂志Biomacromolecules上。文章中研究者Hartgerink及其同事制造出了这种名为"无牙"肽类纳米纤维水凝胶,纳米纤维中的缺口可以用来"抓住"疏水性的药物分子,这种生物降解性的凝胶可以随着时间被注入所需要的位点,并且释放其所携带的药物分子。利用定制肽类构建的凝胶是研究者Hartgerink实验室的专长,近些年来这种水凝胶样的材料通过逐渐被广泛引入组织生长和组织愈合的研     

水凝胶理化特性调控神经干细胞命运和神经损伤修复的研究进展

水凝胶(hydrogel)是一类极为亲水的高分子材料,可模拟体内神经干细胞所处的细胞外微环境,作为神经干细胞的载体用于干细胞移植疗法。优化水凝胶的理化特性有利于促进移植的神经干细胞的存活、分化和迁移。水凝胶的理化特性包括基质成分、黏弹性、硬度、降解性、导电性以及水凝胶对物理刺激的响应等。该文综述了水凝胶的不同理化特性对神经干细胞命运的影响和水凝胶结合的神经干细胞在中枢神经系统修复中的应用,为通过调节水凝胶理化特性促进中枢神经系统修复提供线索和见解。     

利用猪皮凝胶进行3D细胞培养

<正>组织细胞在培养基通常是平面生长。为了更好的模拟真实的生物组织,了解细胞之间的相互关系,多年来很多实验室开展了3D细胞培养技术研发。而一些3D培养的细胞已经用于药物筛选和组织再生等方面。本研究则以猪皮为材料制作培养基,利用它富含细胞生长的营养和支持结构以及它的溶胶与凝胶的特点实施3D细胞培养。猪皮凝胶的基本制作方法如下:新鲜猪皮洗净后,在开水中煮沸5min,使皮肤与皮下组织脂肪之间的     

原子力显微镜研究粘附分子与细胞膜上整合素分子的相互作用

目的：研究肝癌细胞弹性变化对其表达的整合素分子与配体分子相互作用的影响。方法：以壳聚糖/ 聚丙烯酰胺水凝胶作为 可变基底材料,并将人肝肿瘤细胞（HepG2）接种到不同软硬度壳聚糖/ 聚丙烯酰胺水凝胶基底上,利用原子力显微镜力与距离模 式定量测定不同软硬基底上生长的HepG2 肝瘤细胞膜表面整合素分子与层粘连蛋白分子之间相互作用力。结果：功能化的原子 力显微镜探针与不同软硬基底上生长的细胞所产生的粘附情况不相同,细胞生长在培养皿的为对照组;细胞生长在硬度为1000 Pa 壳聚糖/聚丙烯酰胺水凝胶基底上的为实验组,表达在HepG2 肝瘤细胞膜上的alpha-6-beta-1 整合素与其配体层粘连蛋白相互作用力 的大小分别为19± 7 pN和38.85± 19.7 pN。结论：基底软硬度会影响细胞整合素与配体分子间的相互作用。     

冷冻干燥及DMEM培养液浸泡对海藻酸水凝胶性能的影响

目的：考察冷冻干燥及DMEM培养液浸泡对海藻酸水凝胶性能的影响。方法：制备得到海藻酸水凝胶,对其结构和性能进 行了表征,重点模拟了细胞的培养过程,考察水凝胶- 冻干-DMEM培养液浸泡后水凝胶的力学性能、流变性能的变化。使用 CCK-8 法研究海藻酸水凝胶的细胞毒性。结果：制备了结构和性能可控的海藻酸水凝胶,冻干再浸泡会降低凝胶的拉伸强度和流 变屈服强度。海藻酸水凝胶对上皮细胞和平滑肌细胞没有明显的细胞毒性。结论：冷冻干燥及DMEM培养液浸泡后,凝胶拉伸强 度和屈服强度出现了下降,其原因是浸泡过程中钙离子会从中溶出。     

壳聚糖基温敏水凝胶的研究进展

壳聚糖是一种由甲壳素脱乙酰化得到的氨基多糖,具有生物相容性、低细胞毒性和可生物降解性等特点。壳聚糖/β-甘油磷酸钠溶液温敏水凝胶在组织工程、药物缓释等领域多有报道,其成胶性能取决于凝胶的组分和浓度。针对单纯壳聚糖水凝胶强度较低、降解较快、药物突释等缺陷,通常对壳聚糖进行改性或引入新材料共混,获得更符合实际需要的壳聚糖基温敏水凝胶。对近年来壳聚糖基水凝胶的研究进展进行综述,包括改性壳聚糖、共混体系等,概述了其在组织工程(软骨、血管、神经修复)、药物缓释(癌症药物缓释、糖尿病治疗)领域中研究和应用的新进展,以期为后续温敏水凝胶的进一步研究提供参考。