雙重交聯海藻酸鹽基熱響應水凝膠作為3D打印生物墨水用于細胞球狀體生長和釋放
時間：2024-06-05 08:50 來源： GK綠鑰生物科技 作者：admin 閱讀：次
帕特雷大學化學工程系George Pasparakis教授團隊在《Carbohydrate Polymers》期刊上發表文章“Dually
crosslinked injectable alginate-based graft copolymer thermoresponsive
hydrogels as 3D printing bioinks for cell spheroid growth and
release”，作者研究團隊在這項研究中開發了一種基于海藻酸鈉接枝共聚物的雙交聯網絡，具有聚(n-異丙基丙烯酰胺-co-n-叔丁基丙烯酰胺)P(NIPAM-co-NtBAM)側鏈，并對其作為一種剪切稀釋軟凝膠生物鏈接進行了研究。提出的生物墨水可以在溫和的3D打印條件下形成任意幾何形狀。研究人員證明了所開發的生物墨水可以進一步用作生物打印墨水，并展示了其促進人類骨膜衍生細胞(hPDCs)在3D環境下生長和形成3D球體的能力。總之，由于生物鏈接具有熱逆轉其聚合物網絡交聯的能力，因此可以進一步用于細胞球體的快速恢復，這意味著它具有作為細胞球體形成模板的潛在用途，可用于3D生物制造。
WHAT—什么是雙重交聯注射型熱響應水凝膠？
雙重交聯注射型熱響應水凝膠是一種先進的生物材料，它結合了兩種交聯方式：物理交聯（如離子交聯）和化學交聯（如熱響應性疏水相互作用），使其具備在特定溫度下可逆變化的特性。這種水凝膠設計為可注射，能夠在體內或體外通過改變溫度來調節其物理狀態，從而在3D生物打印、藥物遞送、組織工程等領域有廣泛的應用潛力。
WHY—為什么采用雙重交聯注射型熱響應水凝膠作為3D打印生物墨水，用于細胞球狀體的生長和釋放？
雙重交聯機制提升了材料的機械強度和穩定性。注射型設計使其便于通過3D打印設備進行精確成型。熱響應性質允許材料在溫度變化下發生相變，有助于細胞球狀體的形成和釋放。材料對細胞友好，支持細胞生長和分化。適宜的物理化學環境促進細胞形成球狀體。熱響應性簡化了細胞球狀體的回收過程
HOW—研究團隊提出一種基于海藻酸鈉接枝共聚物的雙重交聯注射型熱響應水凝膠，作為3D打印生物墨水，用于細胞球狀體的生長和釋放。
在本研究中，作者報道了一種基于海藻酸鈉的雙交聯聚合物凝膠劑，該凝膠劑由富含疏水性共聚單體N-叔丁基丙烯酰胺[NaALG-g-P（NIPAM-co-NtBAM）]的聚（N-異丙基丙烯酰胺）的熱響應側鏈接枝。當加熱到臨界溫度以上時，P（NIPAM-co-NtBAM）側鏈的疏水結合誘導了第二次交聯，導致增強水凝膠（方案1）。在加熱后，海藻酸鹽側鏈的第一個離子交聯網絡放大了雙交聯網絡的機械性能。
NaALG-g-P在不同濃度Ca2+的存在下研究了水性體系陽離子。特別是，在冷熱循環之后，以1°C/min的斜坡速率，頻率為6.28 rad/s，在線性粘彈性狀態下進行振蕩剪切實驗，將應變幅度保持在0.1%。更詳細地了解Ca2+的影響圖1顯示了基于海藻酸鹽/PNIPAM的系統的流變行為，所有六種配方的流變剪切振蕩數據。在圖1a的照片中可以看到三種f比不同的特征水凝膠的光學觀察。
為了探究不同交聯模式之間是否存在相互作用，過量的G′（ΔG′20–37）在20和37°C之間繪制在圖1f中，揭示了熱增稠效應對網絡交聯的貢獻。ΔG′線性增加，二價陽離子濃度在臨界f=0.03以下和以上不同，其中由于離子鍵合而出現彈性。在f>0.03Δ時，G′隨f顯著升高，揭示了離子鍵合和疏水締合機制之間的協同作用。
另一個可能影響接枝共聚物雙凝膠流變行為的可調因素是熱響應貼紙的單體組成。圖2比較了兩種海藻酸鈉/鈣凝膠劑在NtBAM含量上不同的熱響應。疏水性NtBAM從6 mol%增強到14 mol%的主要作用是Tg的位移降低溫度約10°C。低于Tg對于兩種凝膠劑，兩個系統的儲存模量相等，前提是網絡是通過相同f的離子交聯形成的。
為了便于比較，還研究了沒有附加離子交聯的體系凝膠形成。研究了無鈣體系的模量G′、G′′隨角頻率（ω）的函數，并在20°C（即低于Tg）時表現出類似液體的行為其中既不存在疏水相互作用，也不存在離子相互作用。在37°C時，NaALG-g-P（NIPAMx-co-NtBAMy）系統呈現較弱的凝膠狀形成，這僅僅是由于基于PNIPAM的接枝鏈的疏水性，與NaALG-g-P（NIPAM相比）x-co-NtBAMy）/Ca2+其中兩種相互作用（疏水性和離子性）共存，傳遞過大的交聯密度。
在所研究的整個溫度范圍內，離子交聯網絡的G′明顯更高，在TTg處形成了更具彈性的水凝膠。為了進一步評估兩種交聯之間發生的協同效應，NaALG/Ca2+的流變行為還探索了（無接枝鏈）基水凝膠，并在與接枝共聚物相同的F和聚合物濃度下進行了比較。這些結果證明了圖3b的數據所觀察到的協同效應的合理性。
聚合物基熱響應水凝膠的一個重要方面是，在注射過程中剪切誘導的網絡破壞（原位凝膠化）后，它在生理溫度下恢復。因此，水凝膠/Ca2+樣品在20°C（即在注射溫度下）進行應變掃描預處理，遠高于線性粘彈性狀態（應變振幅γ=50，其中G′′>G′），緊接著在37°C下以0.1%的應變振幅（在線粘彈性范圍內）進行時間掃描實驗。圖4a演示了瞬時凝膠回收率，前提是在溫度平衡至37°C后，存儲模量以損失模量為主。圖4b顯示了不同剪切速率和溫度下的后續剪切粘度步驟。
總之，作者的目標是在37°C下形成強凝膠作為仿生基質，以宿主細胞并促進球狀體的形成和生長。理想的生物墨水應構成軟凝膠，由于其輕微的粘性，可以很容易地與細胞混合，并在室溫下的打印過程中保護它們（圖5）。
作者還評估了水凝膠侵蝕，因為它是生物醫學應用的重要參數，包括受控藥物釋放分析，侵蝕驅動的擴散率以及細胞封裝和釋放。如圖5c所示，單交聯水凝膠的侵蝕速度明顯快于雙交聯水凝膠。還研究了熱響應性水凝膠的溶脹率（圖5d）。將凝膠浸入在37°C的PBS和PBS/Ca2+溶劑中。在37°C下，PBS中無鈣熱響應材料的吸水率隨時間顯著增加，具有最高的溶脹能力（9000%）。
上述水凝膠再次3D打印，首先在打印機的加熱床上，在37°C下，在室溫下連續在床上，并評估生物材料油墨的擴散比例。鋪展比是通過將線寬除以針內徑來定義的，如圖6a。通過注射策略，樣品在不同溫度下的粘性作為球狀體的潛在載貨具有重要作用。粘度較低的凝膠在注射過程中需要較小的剪切應力來轉移細胞，并且聚合物基質在20或37°C下的獨特侵蝕曲線可能表明在以后的細胞/球狀體3D打印過程中具有不同的細胞球狀體釋放曲線。
在本研究中，離子和熱交聯機制的相互作用顯著增強了凝膠在非常溫和的條件下的功能和機械性能（彈性模量、抗侵蝕性和溶脹控制），而不會影響所得材料的可注射性/可印刷性。
最后，為了評估作者開發的水凝膠對細胞活力和細胞形成特性的影響，作者進行了一系列3D生物打印細胞培養實驗。在圖7a中，來自光學顯微鏡的圖像顯示細胞在第1天均勻地分布在整個水凝膠中，而在后來的時間點上觀察到3D球體的形成。與細胞系不同，延長至15天的培養時間長達15天并未顯示出人類來源的單細胞形成的球狀體的進一步生長，細胞系HEK293T由于不受控制的細胞分裂（永生化細胞系）而具有相同的接種密度形成更大的球狀體，因此作者在第7天結束了對球狀體的觀察。
根據這些觀察結果，作者進行了一系列檢測，以研究3D細胞培養物中的細胞活力和增殖。發現細胞在兩種生長培養基中以不同的節律增殖，通過對EdU染色表示（圖7b）。第7天樣品的EdU染色所指示的增殖能力表明，研究中使用的兩種培養基之間的增殖速率容量存在差異。
為了進一步證明該系統可以支持水凝膠內的細胞生長，對葡萄糖、乳酸和乳酸脫氫酶（LDH）等代謝物進行了額外的代謝分析。從圖8a中可以看出，葡萄糖消耗在所有鑒定的樣品中都發生了，葡萄糖消耗量在相應對照基線的不同時間點逐漸減少。
最后，作者通過對DAPI染色對共聚焦顯微鏡獲得的圖像進行球狀體形態學分析，并在第3天采集phalloidin. 3D重建的圖像（圖9a），以檢查在兩種培養基中培養的水凝膠中球狀體的空間分布。通過可視化F-肌動蛋白，作者旨在研究球狀體的邊界，同時對細胞核進行染色，為作者提供了有關球狀體細胞密度的信息。作者比較了第3天與第7天球體的測量直徑，以證明球體形成動力學（圖9c）。雖然在這兩個組之間沒有發現每個球體中測量的細胞數量在統計學上存在差異（圖9e），但觀察到每個球體細胞數量的不均勻分布，這進一步驗證了這些細胞在3D培養環境中的特征異質性。作者還證明，即使使用極低的起始細胞密度，hPDC細胞仍然具有形成球狀體的能力，并且存活長達7天。
結論：本文重點介紹了基于海藻酸鈉接枝共聚物的雙交聯3D打印生物墨水的發展。海藻酸鹽骨架促進了聚合物網絡內原位球體的快速形成，而可逆凝膠崩解使球體易于回收，而不影響其活力和致密性。最后，發現溫和的雙交聯機制顯著放大了動態機械性能，從而形成了適用于3D打印功能性活細胞群的穩健聚合物網絡。作者提出的方法允許在溫和條件下開發具有自愈和剪切稀化特性的聚合物網絡，以便可以承載和促進細胞球狀體形成，從而能夠在各種生物醫學應用中利用這些生物材料作為細胞球狀體封裝劑用于藥物篩選、微組織形成、3D體外建模和可注射治療。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2023.120790
WHAT—什么是雙重交聯注射型熱響應水凝膠？
雙重交聯注射型熱響應水凝膠是一種先進的生物材料，它結合了兩種交聯方式：物理交聯（如離子交聯）和化學交聯（如熱響應性疏水相互作用），使其具備在特定溫度下可逆變化的特性。這種水凝膠設計為可注射，能夠在體內或體外通過改變溫度來調節其物理狀態，從而在3D生物打印、藥物遞送、組織工程等領域有廣泛的應用潛力。
WHY—為什么采用雙重交聯注射型熱響應水凝膠作為3D打印生物墨水，用于細胞球狀體的生長和釋放？
雙重交聯機制提升了材料的機械強度和穩定性。注射型設計使其便于通過3D打印設備進行精確成型。熱響應性質允許材料在溫度變化下發生相變，有助于細胞球狀體的形成和釋放。材料對細胞友好，支持細胞生長和分化。適宜的物理化學環境促進細胞形成球狀體。熱響應性簡化了細胞球狀體的回收過程
HOW—研究團隊提出一種基于海藻酸鈉接枝共聚物的雙重交聯注射型熱響應水凝膠，作為3D打印生物墨水，用于細胞球狀體的生長和釋放。
在本研究中，作者報道了一種基于海藻酸鈉的雙交聯聚合物凝膠劑，該凝膠劑由富含疏水性共聚單體N-叔丁基丙烯酰胺[NaALG-g-P（NIPAM-co-NtBAM）]的聚（N-異丙基丙烯酰胺）的熱響應側鏈接枝。當加熱到臨界溫度以上時，P（NIPAM-co-NtBAM）側鏈的疏水結合誘導了第二次交聯，導致增強水凝膠（方案1）。在加熱后，海藻酸鹽側鏈的第一個離子交聯網絡放大了雙交聯網絡的機械性能。
方案1 該示意圖顯示了用于形成和回收細胞球狀體的可注射雙交聯海藻酸鹽基水凝膠生物墨水及其在3D生物打印中的應用
NaALG-g-P在不同濃度Ca2+的存在下研究了水性體系陽離子。特別是，在冷熱循環之后，以1°C/min的斜坡速率，頻率為6.28 rad/s，在線性粘彈性狀態下進行振蕩剪切實驗，將應變幅度保持在0.1%。更詳細地了解Ca2+的影響圖1顯示了基于海藻酸鹽/PNIPAM的系統的流變行為，所有六種配方的流變剪切振蕩數據。在圖1a的照片中可以看到三種f比不同的特征水凝膠的光學觀察。
為了探究不同交聯模式之間是否存在相互作用，過量的G′（ΔG′20–37）在20和37°C之間繪制在圖1f中，揭示了熱增稠效應對網絡交聯的貢獻。ΔG′線性增加，二價陽離子濃度在臨界f=0.03以下和以上不同，其中由于離子鍵合而出現彈性。在f>0.03Δ時，G′隨f顯著升高，揭示了離子鍵合和疏水締合機制之間的協同作用。
圖1 基于海藻酸鹽/PNIPAM的系統的流變行為
另一個可能影響接枝共聚物雙凝膠流變行為的可調因素是熱響應貼紙的單體組成。圖2比較了兩種海藻酸鈉/鈣凝膠劑在NtBAM含量上不同的熱響應。疏水性NtBAM從6 mol%增強到14 mol%的主要作用是Tg的位移降低溫度約10°C。低于Tg對于兩種凝膠劑，兩個系統的儲存模量相等，前提是網絡是通過相同f的離子交聯形成的。
圖2 兩種海藻酸鈉/鈣凝膠劑在NtBAM含量上不同的熱響應
為了便于比較，還研究了沒有附加離子交聯的體系凝膠形成。研究了無鈣體系的模量G′、G′′隨角頻率（ω）的函數，并在20°C（即低于Tg）時表現出類似液體的行為其中既不存在疏水相互作用，也不存在離子相互作用。在37°C時，NaALG-g-P（NIPAMx-co-NtBAMy）系統呈現較弱的凝膠狀形成，這僅僅是由于基于PNIPAM的接枝鏈的疏水性，與NaALG-g-P（NIPAM相比）x-co-NtBAMy）/Ca2+其中兩種相互作用（疏水性和離子性）共存，傳遞過大的交聯密度。
圖3 NaALG-g-P(NIPAM86-co-NtBAM14)(不含Ca2+)水凝膠呈現溶膠-凝膠相變
在所研究的整個溫度范圍內，離子交聯網絡的G′明顯更高，在TTg處形成了更具彈性的水凝膠。為了進一步評估兩種交聯之間發生的協同效應，NaALG/Ca2+的流變行為還探索了（無接枝鏈）基水凝膠，并在與接枝共聚物相同的F和聚合物濃度下進行了比較。這些結果證明了圖3b的數據所觀察到的協同效應的合理性。
圖4 NaALG-g-P(NIPAM86-co-NtBAM14)(不含Ca2+)水凝膠呈現溶膠-凝膠相變
聚合物基熱響應水凝膠的一個重要方面是，在注射過程中剪切誘導的網絡破壞（原位凝膠化）后，它在生理溫度下恢復。因此，水凝膠/Ca2+樣品在20°C（即在注射溫度下）進行應變掃描預處理，遠高于線性粘彈性狀態（應變振幅γ=50，其中G′′>G′），緊接著在37°C下以0.1%的應變振幅（在線粘彈性范圍內）進行時間掃描實驗。圖4a演示了瞬時凝膠回收率，前提是在溫度平衡至37°C后，存儲模量以損失模量為主。圖4b顯示了不同剪切速率和溫度下的后續剪切粘度步驟。
總之，作者的目標是在37°C下形成強凝膠作為仿生基質，以宿主細胞并促進球狀體的形成和生長。理想的生物墨水應構成軟凝膠，由于其輕微的粘性，可以很容易地與細胞混合，并在室溫下的打印過程中保護它們（圖5）。
圖5 5 wt% NaALG-g-P（NIPAM86-co-NtBAM14的粘度變化）含和不含Ca2+的水凝膠
作者還評估了水凝膠侵蝕，因為它是生物醫學應用的重要參數，包括受控藥物釋放分析，侵蝕驅動的擴散率以及細胞封裝和釋放。如圖5c所示，單交聯水凝膠的侵蝕速度明顯快于雙交聯水凝膠。還研究了熱響應性水凝膠的溶脹率（圖5d）。將凝膠浸入在37°C的PBS和PBS/Ca2+溶劑中。在37°C下，PBS中無鈣熱響應材料的吸水率隨時間顯著增加，具有最高的溶脹能力（9000%）。
圖6 生物材料油墨的擴散比例
上述水凝膠再次3D打印，首先在打印機的加熱床上，在37°C下，在室溫下連續在床上，并評估生物材料油墨的擴散比例。鋪展比是通過將線寬除以針內徑來定義的，如圖6a。通過注射策略，樣品在不同溫度下的粘性作為球狀體的潛在載貨具有重要作用。粘度較低的凝膠在注射過程中需要較小的剪切應力來轉移細胞，并且聚合物基質在20或37°C下的獨特侵蝕曲線可能表明在以后的細胞/球狀體3D打印過程中具有不同的細胞球狀體釋放曲線。
在本研究中，離子和熱交聯機制的相互作用顯著增強了凝膠在非常溫和的條件下的功能和機械性能（彈性模量、抗侵蝕性和溶脹控制），而不會影響所得材料的可注射性/可印刷性。
圖7 水凝膠中的細胞活力和生長
最后，為了評估作者開發的水凝膠對細胞活力和細胞形成特性的影響，作者進行了一系列3D生物打印細胞培養實驗。在圖7a中，來自光學顯微鏡的圖像顯示細胞在第1天均勻地分布在整個水凝膠中，而在后來的時間點上觀察到3D球體的形成。與細胞系不同，延長至15天的培養時間長達15天并未顯示出人類來源的單細胞形成的球狀體的進一步生長，細胞系HEK293T由于不受控制的細胞分裂（永生化細胞系）而具有相同的接種密度形成更大的球狀體，因此作者在第7天結束了對球狀體的觀察。
根據這些觀察結果，作者進行了一系列檢測，以研究3D細胞培養物中的細胞活力和增殖。發現細胞在兩種生長培養基中以不同的節律增殖，通過對EdU染色表示（圖7b）。第7天樣品的EdU染色所指示的增殖能力表明，研究中使用的兩種培養基之間的增殖速率容量存在差異。
圖8 細胞培養基代謝物分析
為了進一步證明該系統可以支持水凝膠內的細胞生長，對葡萄糖、乳酸和乳酸脫氫酶（LDH）等代謝物進行了額外的代謝分析。從圖8a中可以看出，葡萄糖消耗在所有鑒定的樣品中都發生了，葡萄糖消耗量在相應對照基線的不同時間點逐漸減少。
圖9 球狀體形態學分析
最后，作者通過對DAPI染色對共聚焦顯微鏡獲得的圖像進行球狀體形態學分析，并在第3天采集phalloidin. 3D重建的圖像（圖9a），以檢查在兩種培養基中培養的水凝膠中球狀體的空間分布。通過可視化F-肌動蛋白，作者旨在研究球狀體的邊界，同時對細胞核進行染色，為作者提供了有關球狀體細胞密度的信息。作者比較了第3天與第7天球體的測量直徑，以證明球體形成動力學（圖9c）。雖然在這兩個組之間沒有發現每個球體中測量的細胞數量在統計學上存在差異（圖9e），但觀察到每個球體細胞數量的不均勻分布，這進一步驗證了這些細胞在3D培養環境中的特征異質性。作者還證明，即使使用極低的起始細胞密度，hPDC細胞仍然具有形成球狀體的能力，并且存活長達7天。
結論：本文重點介紹了基于海藻酸鈉接枝共聚物的雙交聯3D打印生物墨水的發展。海藻酸鹽骨架促進了聚合物網絡內原位球體的快速形成，而可逆凝膠崩解使球體易于回收，而不影響其活力和致密性。最后，發現溫和的雙交聯機制顯著放大了動態機械性能，從而形成了適用于3D打印功能性活細胞群的穩健聚合物網絡。作者提出的方法允許在溫和條件下開發具有自愈和剪切稀化特性的聚合物網絡，以便可以承載和促進細胞球狀體形成，從而能夠在各種生物醫學應用中利用這些生物材料作為細胞球狀體封裝劑用于藥物篩選、微組織形成、3D體外建模和可注射治療。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2023.120790
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