AFM|4D可改變形狀的水凝膠誘導(dǎo)高細(xì)胞密度組織

近期，美國(guó)Eben Alsberg教授團(tuán)隊(duì)在Advanced Fucntional Materials上發(fā)表題為“Induction of Four‐Dimensional Spatiotemporal Geometric Transformations in High Cell Density Tissues via Shape‐Changing Hydrogels”的文章。

摘要：發(fā)育和愈合的組織從細(xì)胞凝結(jié)開始。組織幾何結(jié)構(gòu)的時(shí)空變化，細(xì)胞空間分布的變化以及細(xì)胞外基質(zhì)對(duì)于其向功能性組織的進(jìn)化至關(guān)重要。4D材料——能夠進(jìn)行幾何變化的3D材料可能具有重現(xiàn)上述生物學(xué)現(xiàn)象的潛力。但是，大多數(shù)報(bào)道的4D材料是不可降解的和/或生物相容的，從而限制了它們?cè)谠偕t(yī)學(xué)中的應(yīng)用，并且迄今為止，還沒有控制高密度細(xì)胞凝集和分化的幾何結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。在此，描述了基于可變形水凝膠的4D高細(xì)胞密度組織。通過(guò)氧化和甲基丙烯酸化的藻酸鹽（OMA）和甲基丙烯酸化的明膠（GelMA）的順序光交聯(lián)，制備呈現(xiàn)可控的幾何變化而沒有任何外部刺激的雙層水凝膠。成纖維細(xì)胞和人類脂肪干細(xì)胞（ASC）的濃度最高為每毫升1.0×10^8細(xì)胞數(shù)量，并且與ASC分化成軟骨和成骨譜系相一致，可實(shí)現(xiàn)可控的形狀變化。通過(guò)對(duì)高密度細(xì)胞載有OMA和GelMA進(jìn)行生物打印，可以形成具有定義的4D幾何變化的更復(fù)雜的構(gòu)建體，這可能會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展這種方法在再生醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的前景。

文章簡(jiǎn)述

已經(jīng)報(bào)道了幾種生產(chǎn)4D材料和系統(tǒng)的技術(shù)，這些材料和系統(tǒng)潛在地用于引起細(xì)胞培養(yǎng)條件的時(shí)間幾何變化的組織工程應(yīng)用中。已經(jīng)使用多種材料的結(jié)合或在一種材料中創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)漸變來(lái)生成空間變化的溶脹，以將其用作幾何變化的驅(qū)動(dòng)力。但是，其中一些系統(tǒng)沒有顯示出生物材料的生物可降解性，而且它們都沒有顯示出能夠精確調(diào)整構(gòu)造4D形狀變化或它們發(fā)生的時(shí)間范圍的能力。重要的是，可生物降解和/或生物相容性4D材料中摻入的細(xì)胞的最高濃度被限制在每毫升0.5–10.0×10^6個(gè)細(xì)胞之間。這些濃度主要是數(shù)量級(jí)比發(fā)展期間存在下，在愈合過(guò)程，并在天然組織這可能是必要的工程組織中，而且這些系統(tǒng)都沒有實(shí)現(xiàn)與材料中分化細(xì)胞的縮合。

為了解決當(dāng)前4D系統(tǒng)面臨的上述挑戰(zhàn)，我們旨在設(shè)計(jì)一個(gè)新的4D生物材料平臺(tái)，該平臺(tái)具有隨時(shí)間推移進(jìn)行定制的幾何變化的能力，同時(shí)允許并入具有維持活力和功能性的高密度細(xì)胞。為此，通過(guò)紫外線輻射介導(dǎo)的簡(jiǎn)單順序交聯(lián)將OMA和GelMA水凝膠連接起來(lái)，合成了具有不同氧化度的氧化和甲基丙烯酸藻酸鹽（OMA）和GelMA，以形成雙層水凝膠的基礎(chǔ)。我們假設(shè)兩種材料之間的溶脹速率的時(shí)間差異會(huì)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)變形。具體來(lái)說(shuō)，與相鄰的具有相對(duì)較低溶脹特性的GelMA水凝膠相比，OMA水凝膠的更高氧化度是否會(huì)導(dǎo)致更大的溶脹和隨時(shí)間變化的形狀變化，已得到檢驗(yàn)。還評(píng)估了層厚度的作用，該作用是通過(guò)改變玻璃板模具之間的間隔物的厚度以及所摻入的細(xì)胞（即NIH3T3成纖維細(xì)胞和人脂肪組織來(lái)源的基質(zhì)細(xì)胞[ASC]）的密度對(duì)系統(tǒng)的4D特性的作用。然后將NIH3T3和ASC以每毫升10^8細(xì)胞的高密度確定系統(tǒng)維持高細(xì)胞生存能力的能力。通過(guò)研究細(xì)胞與細(xì)胞以及細(xì)胞與ECM的相互作用和分化能力，評(píng)估了高細(xì)胞密度構(gòu)建體的組織和功能。最后，探討了使用兩種載有細(xì)胞的聚合物組分作為生物墨水材料生物打印具有復(fù)雜初始和預(yù)編程最終幾何形狀的4D高細(xì)胞密度構(gòu)建體的可行性。這項(xiàng)研究提出了一種新的，多用途的4D高細(xì)胞密度組織凝結(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于可生物降解和細(xì)胞相容性材料，能夠隨著時(shí)間的流逝精確地控制幾何變化以及功能性4D組織構(gòu)造的發(fā)展。

打印支架各種性能表征

打印結(jié)構(gòu)的4D變形

參考文獻(xiàn)Lee Y B ,  Jeon O ,  Lee S J , et al. Induction of Four‐Dimensional Spatiotemporal Geometric Transformations in High Cell Density Tissues via Shape‐Changing Hydrogels[J]. Advanced Functional Materials, 2021.

https://doi.org/10.1002/adfm.202010104（點(diǎn)擊文末閱讀原文查看英文原文）

文章來(lái)源：微信公眾號(hào)  上普生物