2019.05.10 周五
ACS Applied Material ＆ Interfaces：用于细胞递送的果胶甲基丙烯酸酯（PEMA）和明胶基水凝胶：将废料转化为生物材料
编译|武红伟
推荐|食品新思路
2019年3月，国际知名杂志ACS Applied Material ＆ Interfaces（IF：8.097）发表题为 Pectin methacrylate (PEMA) and celatin-based hydrogels for cell-delivery: converting waste-materials into biomaterials (用于细胞递送的果胶甲基丙烯酸酯和明胶基水凝胶：将废弃材料转化为生物材料)。此研究开发了一种可规模化制备且制备方法简易、具可加工性、性能可控、生物活性、造价又低的新型水凝胶体系：将果胶转化为可UV交联的果胶甲基丙烯酸酯聚合物，在此基础上复合了硫代明胶，以赋予此水凝胶骨架以细胞分化和分展的特性。研究结果证明，该凝胶体系能够支持包括成肌细胞、神经前体细胞和人类间充质干细胞在内的多种3D包埋细胞的生长和存活。这种水凝胶体系有望作为一种干细胞的递送载体，填补实验室研究与临床应用之间的鸿沟。
文献内容
研究背景
老龄人口中，由受损组织造成的退变性疾病已成为世界范围一种主要的健康问题。为解决这一问题，一种最被看好的办法是将再生细胞运送至受损组织。因此，组织工程师们致力于研发各种3D微环境，这种3D微环境能使包埋其中的细胞发育为成熟组织，进而在体内融入功能受损的组织而完成组织修复。水凝胶基的生物材料是这种3D微环境的理想候选人，它可以保护包埋其中的细胞免遭注射过程中剪切力的伤害，以保证注射后细胞的存活率；同时还能使这些细胞留在这样一个3D环境中，形成最佳的再生组织。
然而组织工程师们面对的挑战是多方面的，他们需要找到一种理想的聚合物，这种聚合物要能够在结构、功能、功效等方面模拟人体组织的生物学特性；此外，这种聚合物最好易于功能化，这样其理化特性将易于操控用于治疗，如干细胞和药物的递送。目前此领域最受关注的几种天然来源的聚合物包括：胶原蛋白、弹性蛋白、透明质酸、肝素、海藻酸钠、明胶等，但是这些天然来源聚合物要么价格昂贵、无法规模化生产，要么质地脆弱、机械稳定性差、极易降解。基于此，目前基于水凝胶的组织工程学领域中，最大的挑战之一就是找到一个合适的聚合物来源。
研究思路
市售的果胶是一组聚半乳糖醛酸，其主要成分为部分甲酯化的α-1-4-D-聚半乳糖醛酸，含有羧基和甲氧基。因此，使用EDC（1-Ethyl-3-（3-dimethylaminopropyl）carbodiimide）和NHS（N-Hydroxysuccinimide）活化其羧基基团，使其聚合物骨架添加功能性基团——甲基丙烯酸酯基团，从而获得果胶甲基丙烯酸酯（PEMA），这是一种光致交联的聚合物，仅需低剂量的UV光照和合适的光敏引发剂，即可转化为水凝胶；此外，利用巯基和丙烯酰胺基团之间的麦克尔加成反应，在PEMA水凝胶体系中复合了硫代明胶，显著提高了复合体系的生物活性的同时，增强了体系的机械特性。
接下来，本研究表征了复合水凝胶的化学、机械、水合及微观特性（这里主要指水凝胶网络结构的多孔性。因为一种应用于组织工程领域的理想的水凝胶载体，应该具备满足细胞的存活、增殖以及分化的功能。而这一功能的实现要求该体系能够有持续的输入营养物质并输出代谢废物的能力。因此水凝胶网络结构可控的的多孔结构和孔径大小对细胞的生长尤为重要）；深入研究了其结构稳定性以及降解特性；证实了该体系能够维持体外多种细胞的存活率；探讨了该体系的微细加工特性（构建类似组织的结构也是组织工程领域的一大难题，因为组织，如血管、肌肉、心脏和骨都具有高度各向异性的结构）和成骨分化。
研究思路
1. 将一种天然的聚合物，也就是果胶，转化为了一种可交联的水凝胶；
2. 为了使这种果胶水凝胶体系更具有生物相容性，在此体系中复合了明胶；
3. 最终复合而成的果胶和明胶基水凝胶体系展现出了惊人的组织工程学特性：机械强度、承重特性、生物活性、生理环境下的稳定性、无毒性、价格低廉且易规模化制备；
4. 人类间充质干细胞（hMSCs）能够在此水凝胶体系中生长并转化为骨细胞，促进类骨羟磷灰石的形成；
5. 此水凝胶易构建稳定的微图案（分辨率100μm），人类间充质干细胞（hMSCs）能在此结构中生长并分化为类骨细胞；
延伸阅读
多糖基生物聚合物是生物医药工程领域中应用最为广泛的材料，首要原因是，多糖与多种天然组织胞外基质中“糖类”聚合物类似。然而，大多数的多糖基生物聚合物存在这样那样的缺点：造价高昂、难以功能基团化、制备困难等。因此，在天然聚合物的基础上，寻求合适的改性方案，制备出高稳定性、高机械承受、有助于组织再生的水凝胶体系，应当成为激励研究学者钻研的新方向。