华南理工大学曹晓东、董华团队《先进功能材料》:具有可注射和自组装功能的微凝胶用于软骨修复新策略-汶颢股份
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华南理工大学曹晓东、董华团队《先进功能材料》:具有可注射和自组装功能的微凝胶用于软骨修复新策略

原创: 高分子科学前沿

干细胞注射和组织工程(如MACI技术)是目前治疗软骨缺损的主要方法,但它们均存在明显不足:如干细胞注射后细胞滞留率和存活率低;MACI技术会造成较大的手术创面,且难以完整填充不规则缺损等。传统可注射水凝胶虽然可以实现微创治疗并有效填充不规则缺损,但细胞在注射过程中会受到较大的剪切应力,除此之外,凝固后的水凝胶支架内部没有大孔结构,营养供给不充分,这些都容易引起细胞凋亡,影响软骨再生。针对上述问题,华南理工大学曹晓东教授和董华教授团基于bottom-up的理念,提出了软骨修复的新策略(图1)。该策略的主要思路如下:将巯基化明胶 (Gel-SH)、乙烯砜化透明质酸 (HA-VS) 和间充质干细胞(BMSCs)在微流控芯片中共混,通过thiol-Michael加成反应形成包载BMSCs的可注射Gel-HA微凝胶(图2和图3);培养一段时间后(图4),将此微凝胶注射到组织缺损位置,由于此时绝大多数干细胞都被微凝胶包裹,因而注射后的细胞滞留率和存活率较高(图5),待干细胞在体内大量增殖后,微凝胶借助其表面干细胞间的相互作用可自组装成大孔微凝胶支架,而后进一步分化成类软骨组织(图6)。该策略很好地解决了现有软骨修复方法存在的诸多问题,为软骨修复提供了一个全新的思路。

图1:基于干细胞载体Gel-HA微凝胶的软骨修复策略示意图。 

1:基于干细胞载体Gel-HA微凝胶的软骨修复策略示意图。

(a) Gel-SH和HA-VS为预聚物,通过thiol-Michael加成反应,采用微流控技术制备包载BMSCs的Gel-HA微凝胶;(b) 体外培养包载BMSCs的微凝胶;(c) 包载BMSCs的微凝胶注射到缺损位置并以bottom-up的方式实现自组装。

图2:微凝胶材料的制备和表征 

2:微凝胶材料的制备和表征

(a)Gel-SH、HA-VS和Gel-HA水凝胶的合成路线;(b)Gel-SH和HA-VS的1H NMR谱图;(c)Gel-HA水凝胶的FTIR光谱;(d-f)不同浓度的HA-VS / Gel-SH的Gel-HA水凝胶的物理表征,包括(d)成胶时间,(e)应力应变曲线和(f)流变性能表征。

图3:微流控技术制备包载BMSCs的Gel-HA微凝胶

3:微流控技术制备包载BMSCs的Gel-HA微凝胶

(a)在微流控芯片中制备包载BMSCs的Gel-HA微球;(b)分散相和连续相的流速比对微凝胶尺寸的影响;(c)包载BMSC的Gel-HA微凝胶的光学相片和细胞数量分布。

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图4:包载BMSC的Gel-HA微凝胶的体外生物学表征。 

4:包载BMSC的Gel-HA微凝胶的体外生物学表征。

(a)微凝胶内BMSCs的活死染色和CCK-8测定;(b)BMSCs在Gel-HA微凝胶中的分布 (按7:3的比例将Gel-HA微凝胶分为的面积相等的核层和壳层,用DAPI对细胞核染色并用CLSM观察);(c)包载BMSC的Gel-HA微凝胶的免疫组化染色和mRNA表达测试(在mRNA表达图中,黑色代表没有在软骨诱导培养基中培养的未包封在微凝胶中的BMSCs,红色代表没有在软骨诱导培养基中培养的包封在微凝胶中的BMSCs,蓝色代表在软骨诱导培养基中培养的包封在微凝胶中的BMSCs)。

图5:包载BMSCs的Gel-HA微凝胶在体外实现可注射和自组装 

5:包载BMSCs的Gel-HA微凝胶在体外实现可注射和自组装

a)将包载BMSCs的微凝胶注射进PDMS空腔模具中在体外完成自组装的过程演示;(b)在不同注射速度下,BMSCs的活死染色和定量分析;(c)微凝胶自组装体的表征:(左)在低(4×106 / mL)和高(1.2×107 / mL)细胞密度下,完成自组装过程的效率;(右)细胞骨架染色以及Col I、Col Ⅱ、aggrecan的免疫荧光染色。

图6:包载BMSCs的Gel-HA微凝胶在动物体内实现可注射和自组装 

图6:包载BMSCs的Gel-HA微凝胶在动物体内实现可注射和自组装 

6:包载BMSCs的Gel-HA微凝胶在动物体内实现可注射和自组装

(a) 体内移植体的尺寸变化:右侧为包载BMSCs的微凝胶,左侧为纯BMSCs悬液(对照组);(b) 移植体的实物图;(c) 移植体的机械强度;(d) 通过CD31的免疫荧光染色表征移植体的血管化(CD31:红色,细胞核:蓝色);(e) 通过Col X的免疫组化染色表征移植体的肥大化。

相关论文以“Injection and Self‐Assembly of Bioinspired Stem Cell‐Laden Gelatin/Hyaluronic Acid Hybrid Microgels Promote Cartilage Repair In Vivo”发表在《Advanced Functional Materials》。博士生冯琦为该文章第一作者,曹晓东教授董华教授为通讯作者,华南理工大学为论文唯一完成单位。

原文链接:https://doi.org/10.1002/adfm.201906690转载仅供参考学习及传递有用信息,版权归原作者所有,如侵犯权益,请联系删除。