Chem. Mater|一鍋法原位凝膠體系製備IPN水凝膠用於組織再生

2021-01-09 bioprint菌

引言

隨著社會老齡化人口的增加，骨關節炎在內的軟骨疾病急劇增加，對軟骨組織再生療法的需求很高。作為一種廣泛使用的人工關節替代治療方法，自體軟骨細胞的植入用於關節軟骨的再生已成為一種有效且無創的治療方法。為了使細胞植入療法獲得高治療效果，需要將植入的軟骨細胞轉化為具有高彈性和減震特性的原始透明軟骨而不是纖維軟骨。目前，需要製備一種支架材料能夠用於關節軟骨組織再生，並且能為軟骨細胞提供良好的培養環境。

因此，Hidenori Otsuka和Shigehito Osawa團隊設計了一種一鍋法原位凝膠體系用來構建互穿聚合物網絡(IPN)，該設計涉及兩種類型的凝膠化工藝：RADA16肽的自組裝以及殼聚糖(CH)和N-羥基琥珀醯亞胺酯端聚乙二醇(N HS-PEG-NHS)之間共價鍵的形成。

凝膠動力學表明，RADA16肽網絡是獨立形成的，隨後會在含有這三種組分的混合物中形成CH/PEG網絡。在CH/PEG/RADA16中培養軟骨細胞表明，IPN結構可以促進嵌入的軟骨細胞形成關節軟骨的性能。在植入含有軟骨細胞的CH/PEG/RADA16的小鼠中，觀察到較低的炎症和較高的蛋白質產生，證明了IPN水凝膠設計在組織再生中用作細胞培養支架的可行性。

近期發表在Chem. Mater雜誌上題為「Interpenetrating polymer network hydrogels via onepot and in situ gelationsystem based on peptide self-assembly and orthogonal cross-linking for tissueregeneration」的文章，來自東京理科大學的HidenoriOtsuka和Shigehito Osawa團隊。

具有互穿聚合物網絡可注射水凝膠

研究團隊首先確定溶液之間的凝膠動力學關係，以評估RADA16肽，CH和PEG混合物以及CH，PEG和RADA混合物這三種組分形成IPN結構的潛力。實驗結果表明，採用一鍋法和原位凝膠化構建由RADA16和CH / PEG網絡組成的IPN水凝膠，RADA16肽網絡和CH / PEG網絡的分層形成，不會相互影響而抑制其他網絡的形成。CH / PEG / RADA16中RADA16的形成過程將比獨立的RADA16更快，這是因為在分子擁擠條件下促進了由疏水相互作用，鹽依賴性極性和氫鍵相互作用驅動的蛋白質摺疊，所以推測CH和PEG的大分子擁擠效應促進了CH / PEG / RADA16中RADA16的組裝。

凝膠化過程中IPN的時間掃描流變學測量

然後，通過在關節軟骨中嵌入軟骨細胞，證明了CH/PEG/RADA16作為關節軟骨再生的細胞培養支架的性能。軟骨細胞在CH/PEG/RADA16中呈圓形並且分布均勻，可能有效地誘導透明軟骨（這是關節軟骨的主要組成部分）。由於存在RADA16肽自組裝結構，在CD光譜約220nm處可以觀察到用軟骨細胞包裹的CH / PEG / RADA16的負棉效應。不管嵌入的細胞是什麼，都存在RADA16肽的β-摺疊結構的纖維網絡，這表明它有可能用作支架。

CH / PEG / RADA16中軟骨細胞的分布

最後，將培養好的軟骨細胞嵌入的水凝膠外移植到小鼠的背部，引發炎症反應低，蛋白產量高，證明了CH/PEG/RADA16可以作為細胞培養支架在體內應用，結果顯示，培養8周後CH/PEG/RADA16中形成了更成熟軟骨，促進軟骨形成的能力比膠原蛋白凝膠好，支架性能優越。採用一鍋法原位凝膠體系構建的IPN水凝膠，是由CH基和RADA16肽網絡等糖類組合而成的，能為軟骨細胞形成透明軟骨提供良好的培養環境，有望成為組織工程系統的新技術。

體內實驗：小鼠軟骨細胞水凝膠異位移植

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