GelMA水凝膠微球用于再生醫(yī)學(xué)研究的相關(guān)應(yīng)用

 

一、細胞3D培養(yǎng)
 

相比傳統(tǒng)的細胞培養(yǎng)模式，具有較高比表面結(jié)構(gòu)的GelMA微球可為細胞提供更多的更多的增殖分化空間，進而準確模擬組織微環(huán)境。如負載癌細胞構(gòu)建體外腫瘤模型，用于病理研究或高通量藥物篩選等。

1. Small：電場輔助生物打印載細胞GelMA微球

材料：GelMA、間充質(zhì)干細胞(BMSC)

方法：研究者開發(fā)了基于電場輔助的微球生物打印方法，通過高壓電場的吸附，從噴嘴中拉出微液滴，油相的接收裝置收集后，使用可見光即可高效批量固化載細胞微球。

結(jié)果：載BMSC的微球第二天就有很好的伸展發(fā)育，第三天就完全伸展發(fā)育。將載細胞微球作為成形單元，通過控制噴頭有序移動可直接實現(xiàn)3D載細胞結(jié)構(gòu)的打印。

2. Acta Biomaterialia：HAMA+GelMA復(fù)合凝膠微球3D共培養(yǎng)腫瘤模型用于藥物篩選

材料：聚苯乙烯、甲基丙烯�；�透明質(zhì)酸(HAMA)、GelMA

方法：在超疏水聚苯乙烯修飾的界面上，利用HAMA和GelMA光交聯(lián)，復(fù)合構(gòu)建微凝膠生物反應(yīng)器。

結(jié)果：相比其他兩相法制備凝膠微球的方法，單一水相產(chǎn)生凝膠微球克服了油相損害細胞的缺點。所制備的凝膠微球模型可轉(zhuǎn)移至96或384孔板中，為實現(xiàn)藥物的高通量篩選提供可能。

3. ACS Applied Materials & Interfaces：通過動態(tài)交聯(lián)反應(yīng)組裝微凝膠改善擠出生物打印墨水印刷適性，微孔率，組織附著力和自愈性

材料：苯硼酸、甲基丙烯化透明質(zhì)酸(HAMA)、GelMA、多巴胺修飾的透明質(zhì)酸(HA-DA)

方法：微凝膠是通過基于液滴的微流控將HAMA-PBA和GelMA交聯(lián)，然后用動態(tài)交聯(lián)劑HA-DA組裝成DC-MA生物墨水來制備的。

結(jié)果：具有高形狀保真度的2D和3D結(jié)構(gòu)可以在無需后處理的情況下打印，并且封裝的L929細胞在擠壓后表現(xiàn)出高的細胞活力。此外，動態(tài)交聯(lián)劑（HA-DA）的加入還改善了DC-MA生物墨水的微孔、組織粘附和自愈合性能，有望應(yīng)用于組織工程和再生醫(yī)學(xué)（如創(chuàng)面愈合等）領(lǐng)域。
 

原文鏈接：
https://doi.org/10.1021/acsami.2c01295

4. Biomaterials Science：三維共培養(yǎng)新思路——生物3D打印帶纖維微球

材料：GelMA、海藻酸鈉、HUVECs和MDA-MB-231s細胞

方法：這種三維共培養(yǎng)微球通過同軸生物3D打印結(jié)合電流體噴墨實現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)的形態(tài)及尺寸控制。純GelMA從外噴頭流出，形成球狀結(jié)構(gòu)。GelMA與海藻酸鈉混合（用于增加粘度）從內(nèi)噴頭流出，在球體內(nèi)形成纖維結(jié)構(gòu)。

結(jié)果：該技術(shù)應(yīng)用同軸生物打印和電噴墨技術(shù)，并利用多組分流體流動時的“懸繩效應(yīng)”，實現(xiàn)了帶復(fù)雜纖維結(jié)構(gòu)的微球制造，并將其應(yīng)用于細胞3D共培養(yǎng)。
 

二、藥物載體

相較于塊狀的GelMA水凝膠，GelMA微球具有體積小、比表面積大等優(yōu)點。此外，GelMA微球內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)及表面易于改性的活性基團（如氨基，羧基等），可通過物理摻雜或化學(xué)鍵合的方式負載藥物及生物活性因子，在病灶部位實現(xiàn)微創(chuàng)遞送、控釋藥物的目的。

5. Nano Letters：可注射水凝膠微球能夠調(diào)節(jié)局部過度活躍性炎癥反應(yīng)

材料：GelMA、活性肽APETx2、髓核細胞

方法：通過微流控同步光交聯(lián)裝置制備GelMA微球(GM)，清洗并冷凍干燥后制備出多孔GelMA微球。制備APETx2共軛多孔GelMA微球(GA)并負載髓核細胞，得到“肽-細胞-水凝膠”微球(GNA)

結(jié)果：研究證實了這種GNA微球除了參與組織再生過程，還可以調(diào)節(jié)局部過度活躍性炎癥反應(yīng)，以維持椎間盤髓核中細胞外基質(zhì)的合成/分解代謝平衡。
 

6. Biofabrication：載干細胞可注射緩釋微球修復(fù)椎間盤退變

材料：大鼠脂肪來源間充質(zhì)干細胞rADSC、活性因子GDF5、GelMA

方法：由電噴工藝制備含干細胞rADSC和GDF5因子的GelMA微球。

結(jié)果：GelMA微球緩釋系統(tǒng)可緩釋生長因子，并可負載干細胞增殖及類髓核細胞分化。在體內(nèi)該微球緩釋系統(tǒng)可微創(chuàng)注射靶向至退變椎間盤區(qū)域，維持椎間盤高度，減緩椎間盤的退變。
 

7. Small：用于減輕骨關(guān)節(jié)炎的微球生物潤滑劑

材料：GelMA、甲基丙烯�；�多巴胺、磺基甜菜堿接枝GelMA、雙氯芬酸鈉(DS)

方法：利用微流控技術(shù)制備了粒徑均勻的單分散GelMA微球。DA與甲基丙烯酸酐反應(yīng)得到DMA的碳雙鍵。然后采用自由基聚合法制備了PDA-甲基丙烯酰胺-磺基甜菜堿接枝GelMA微球（MGS@DMA-SBMA）。最后負載藥物DS，用于動物實驗?zāi)Ｐ汀?br />
結(jié)果：研究表明研制的載藥超潤滑微球(MGS@DMA-SBMA@DS)具有良好的水化潤滑和藥物緩釋能力，在治療骨關(guān)節(jié)炎疾病以及其他潤滑功能障礙等疾病方面具有巨大的潛力。
 

8. Chemical Engineering Journal：微流體制備混合微凝膠—長效給藥平臺的構(gòu)建

材料：GelMA、脂質(zhì)體(Lipo)、KGN

方法：基于PDMS的微流體裝置制備了GelMA@Lipo微凝膠球。中間通道含脂質(zhì)體-凝膠單體混合物為分散相，外通道含石蠟油為連續(xù)相。石蠟油對脂質(zhì)體-凝膠混合物施加剪切力，使混合物分裂成乳狀液滴。在紫外線照射下，出口處的液滴聚合成微凝膠，將脂質(zhì)體固定在微凝膠內(nèi)。

結(jié)果：體內(nèi)研究表明，GelMA@Lipo@KGN在大鼠DMM模型中可以增強軟骨再生，抑制OA進展，增強藥物關(guān)節(jié)處的滯留作用。
 

三、組織修復(fù)

在組織工程應(yīng)用支架的設(shè)計中，GelMA基水凝膠微球具有可調(diào)的孔隙率和孔尺寸。這樣的模塊化設(shè)計，更有利于模擬細胞外基質(zhì)微環(huán)境，促進血管形成，使得新組織得以形成和重塑。再生醫(yī)學(xué)研究中，常將負載種子細胞或生物活性成分的GelMA微球遞送至受損部位，提供組織再生原動力，加速修復(fù)進程，已成為創(chuàng)面修復(fù)、軟骨再生、成骨再生等領(lǐng)域常用的策略之一。

9. Acta Biomaterialia：血小板裂解液功能化GelMA微球用于促進牙髓再生

材料：GelMA、血小板裂解液(PL)、納米粘土皂石(Loponite)、人類牙髓干細胞(hDPSCs)

方法：以GelMA/PL/Loponite(GPL)水凝膠前驅(qū)體溶液為原料，使用靜電微滴技術(shù)(180~380μm)制備水凝膠微球。

結(jié)果：與純GelMA微球相比，GPL微球顯著改善了所封裝的人類牙髓干細胞（hDPSCs）的擴散、增殖和牙源性分化，而且還能增強體內(nèi)微血管的形成和牙髓樣組織的再生。
 

10. Materials Science & Engineering C：利用靜電微滴法制備hDPSC-GelMA牙髓再生微球

材料：GelMA、人牙髓干細胞(hDPSC)

方法：先將hDPSC與GelMA溶液混合作為前體溶液，然后利用靜電微滴裝置制備載細胞微球，并將其置于超低粘附培養(yǎng)板中培養(yǎng)，用于后續(xù)的細胞行為、低溫凍存和復(fù)蘇、體內(nèi)移植等實驗。

結(jié)果：hDPSC-GelMA在體外表現(xiàn)出優(yōu)良的生物活性和低溫凍存性能，并且在體內(nèi)降解性能和牙髓組織新生能力上優(yōu)于水凝膠團塊。因此載細胞凝膠微球在牙髓再生方面具有巨大的應(yīng)用潛力。
 

11. Advanced Functional Materials：用于骨缺損修復(fù)的BMSCs封裝GelMA微球制備

材料：GelMA、骨髓間充質(zhì)干細胞(BMSCs)、生長因子BMP-2

方法：使用毛細微流體裝置制備了負載BMSCs 和BMP-2的GelMA單分散液滴，將液滴暴露在紫外光下，使聚合物聚合，形成凝膠微球。

結(jié)果：凝膠微球能維持干細胞的生存能力，支持細胞在微球內(nèi)的伸展和從內(nèi)部到表面的遷移，增強細胞的增殖能力。此外，在GelMA微球中包裹的BMSCs在體外和體內(nèi)均顯示出增強的成骨作用，這與礦化顯著增加有關(guān)。
 

12. Chemical Engineering Journal：集成信號肽可注射微凝膠促進骨再生

材料：SVVYGLRC多肽、GQGFSYPYKAVFSTQ多肽、GelMA

方法：基于微流控技術(shù)，首先通過固相合成方法偶聯(lián)成骨和血管生成信號肽，構(gòu)建集成生物信號肽系統(tǒng)(SVVYGLR-BFP)，然后通過巰基和雙鍵的點擊反應(yīng)(GelMA-S-B)交聯(lián)成由GelMA組成的生物信號集成微凝膠。

結(jié)果：體內(nèi)實驗表明，GelMA-S-B可以通過誘導(dǎo)成骨分化和新生血管，顯著促進骨缺損處的骨組織再生。
 

原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.135176

13. Small：內(nèi)耳治療用黏性及可注射微凝膠

材料：GelMA、聚多巴胺(PDA)、Ebselen脂質(zhì)體

方法：利用GelMA微球(GM)耦合PDA層(GM@PDA)，將具有優(yōu)異粘附能力的Ebselen脂質(zhì)體進一步裝載到載體中構(gòu)建了GM@PDA@Lipo Ebselen。

結(jié)果：體內(nèi)成像系統(tǒng)顯示，粘附微球可以延長中耳腔的保留時間超過7天。轉(zhuǎn)基因小鼠的聽力明顯恢復(fù)，尤其是在噪聲暴露后第14天，每個頻率的聽力恢復(fù)到基線水平。
 

原文鏈接：
https://doi.org/10.1002/smll.202106591.

14. ACS Nano：微流控水凝膠微球促進松質(zhì)骨再生

材料：GelMA、雙膦酸鹽(BP)、鎂離子(Mg2+)

方法：利用微流控技術(shù)制備粒徑可控的GelMA-BP水凝膠微球，隨后捕獲Mg2+得到GelMA-BP-Mg。

結(jié)果：體內(nèi)和體外實驗結(jié)果表明，復(fù)合微球通過刺激成骨細胞和內(nèi)皮細胞，抑制破骨細胞，有利于成骨和血管生成，最終有效促進松質(zhì)骨再生。
 

15. Bioactive Materials：仿生可注射水凝膠微球用于骨關(guān)節(jié)炎治療

材料：GelMA、甲基丙烯酰化多巴胺 (DMA)、2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸膽堿(MPC)

方法：首先通過微流控技術(shù)制備得到光交聯(lián)GelMA水凝膠微球，然后通過自由基聚合得到自粘聚合物DMA-MPC，最后通過浸涂法得到潤滑性微球（GelMA@DMA-MPC），并負載消炎藥雙氯酚酸鈉（DS）。

結(jié)果：體內(nèi)外實驗顯示GelMA@DMA-MPC@DS功能化微球?qū)�骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)展具有積極的治療作用。該功能化微球有潛力成為一種有前景的方法來抑制早期骨關(guān)節(jié)炎退行性改變。