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安徽大學(xué)楊雪峰、華南理工大學(xué)邊黎明 Adv. Mater.:基于凝聚作用構(gòu)筑具有自進(jìn)化大孔結(jié)構(gòu)的超分子水凝膠用于3D多細(xì)胞球培養(yǎng)
2023-03-23  來(lái)源:高分子科技

  在水凝膠中引入大孔隙以形成大孔水凝膠(MPH),能夠支持所負(fù)載細(xì)胞的球形生長(zhǎng)增強(qiáng)活力和生物功能。但是現(xiàn)有MPH主要通過(guò)模板法、冷凍法和氣體發(fā)泡法等途徑形成,這會(huì)帶來(lái)兩個(gè)問(wèn)題:一、孔隙形成過(guò)程不具有細(xì)胞相容性;二、水凝膠的可注射性和孔隙連通性較差,因此無(wú)法滿(mǎn)足3D細(xì)胞球培養(yǎng)等生物醫(yī)學(xué)用途的需求。凝聚作用是指均質(zhì)生物大分子(如蛋白質(zhì)和核酸溶液通過(guò)-液相分離形成富含大分子濃縮稱(chēng)為凝聚層)不含大分子的稀釋相的過(guò)程,它在精確構(gòu)筑傳統(tǒng)方法難以制備的微結(jié)構(gòu)生物材料上極具前景。


  近日,安徽大學(xué)青年教師楊雪峰博士和華南理工大學(xué)邊黎明教授團(tuán)隊(duì)在利用超分子體系的凝聚作用構(gòu)建MPH方面取得了新進(jìn)展。在該工作中,作者首先設(shè)計(jì)了三種組裝砌塊:()蒽二聚體封端八臂聚乙二醇(PEG8-dimer),()醛基修飾γ-環(huán)糊精(γCD-CHO)和()聚乙烯醇接枝碳酰肼(PVA-CDH)。隨后,三種組裝砌塊的濃溶液可以通過(guò)γCD/蒽二聚體主客體作用和腙鍵串聯(lián)連接作用,形具有液體行為的超分子組裝物(SA)。當(dāng)SA暴露在生理介質(zhì)中數(shù)小時(shí)內(nèi),會(huì)因?yàn)槟圩饔眯纬啥嗫啄蹖,?/span>4天后會(huì)進(jìn)一步進(jìn)化為孔徑為~100 μmMPH(圖1由于蒽二聚體自帶藍(lán)色熒光,作者利用激光共聚焦顯微鏡對(duì)其形成過(guò)程進(jìn)行了跟蹤,并通過(guò)重建的三維熒光圖像揭示了MPH互相貫穿性大孔結(jié)構(gòu)。此外作者還證實(shí),SA的凝聚行為和所形成MPH的孔隙形貌可以通過(guò)調(diào)節(jié)聚合物濃度、腙鍵密度、主客體對(duì)密度和聚合物親水性等參數(shù)進(jìn)行靈活調(diào)控。


  然后,作者通過(guò)一系列研究揭示了MPC形成的機(jī)制:當(dāng)SA暴露在生理介質(zhì)中時(shí),外界的水會(huì)因?yàn)闈B透壓差不斷擴(kuò)散到兩親性的SA網(wǎng)絡(luò)中,當(dāng)超出其親水部分的保水能力后,多余的水會(huì)從超分子網(wǎng)絡(luò)中分離出來(lái),從而誘導(dǎo)形成大孔凝聚層;隨著擴(kuò)散進(jìn)去的水不斷滲出,大孔凝聚液泡尺寸不斷增大,而圍繞在液泡周?chē)?/span>動(dòng)態(tài)超分子網(wǎng)絡(luò)則會(huì)在未包合蒽二聚體的疏水作用驅(qū)動(dòng)下不斷凝聚,形成越來(lái)越致密的孔壁;最終,這些致密而堅(jiān)固的孔壁導(dǎo)致大孔凝聚層向MPC轉(zhuǎn)變,并限制了液泡的進(jìn)一步增長(zhǎng),從而保持了所獲得MPH的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。 


1基于γCD/蒽二聚體主客體作用的超分子組裝物通過(guò)凝聚作用形成大孔水凝膠的示意圖。


  最后,作者證實(shí)了這種源自液體SA的、具有自進(jìn)化大孔結(jié)構(gòu)的MPH,可以作為一種可注射性大孔支架材料用于干細(xì)胞3D培養(yǎng)。有趣的是,隨著SA進(jìn)化為MPH過(guò)程中,封裝在SA中的小鼠胚胎干細(xì)胞(mESCs)和人體間充質(zhì)干細(xì)胞(hMSCs)會(huì)停留在孔壁處,原位生長(zhǎng)成尺寸分別為79.2110.8 μm3D多細(xì)胞球體,從而增強(qiáng)其干性保持和軟骨分化能力(圖2)。作為對(duì)照,具有同SA相似初始力學(xué)性能的無(wú)孔靜態(tài)水凝膠,則不能支持干細(xì)胞的成球化生長(zhǎng)和相關(guān)功能。這項(xiàng)工作的發(fā)現(xiàn)不僅為具有自進(jìn)化結(jié)構(gòu)的生物材料的設(shè)計(jì)提供了有價(jià)值的指導(dǎo),而且為3D多細(xì)胞球體培養(yǎng)和其他多樣化的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用提供了有前景的策略。 


2具有自進(jìn)化大孔結(jié)構(gòu)的MPH能夠促進(jìn)干細(xì)胞的成球化生長(zhǎng)及其相關(guān)生物學(xué)功能。


  該研究成果以Coacervation-Mediated Cytocompatible Formation of Supramolecular Hydrogels with Self-evolving Macropores for 3D Multicellular Spheroid Culture”為題發(fā)表在材料領(lǐng)域頂級(jí)期刊《Adv. Mater.》上(DOI: 10.1002/adma.202300636)。安徽大學(xué)青年教師楊雪峰博士、香港中文大學(xué)楊伯光鄧穎瑞博士及博士生謝憲為共同第一作者,華南理工大學(xué)趙鵬超邊黎明教授為共同通訊作者。該研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、安徽省自然科學(xué)基金和香港特區(qū)政府相關(guān)基金的資助。


  原文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202300636


作者簡(jiǎn)介


  邊黎明教授2021年獲聘教育部長(zhǎng)江學(xué)者特聘教授,入職華南理工大學(xué)生物醫(yī)學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院,現(xiàn)任學(xué)院副院長(zhǎng)。邊教授長(zhǎng)期致力于發(fā)展先進(jìn)納米材料與水凝膠材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用,并且逐漸建立了從基礎(chǔ)材料學(xué),生物醫(yī)學(xué)研究到醫(yī)療應(yīng)用研究的多方向的深度研究。邊教授團(tuán)隊(duì)近期在國(guó)際高水平學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文數(shù)十篇,相關(guān)詳細(xì)內(nèi)容可查閱邊教授實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)站:https://www.x-mol.com/groups/bian_lab


  楊雪峰博士為安徽大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院高層次引進(jìn)人才,碩士生導(dǎo)師,主要從事再生醫(yī)學(xué)用生物材料研究,2006-2013年畢業(yè)于合肥工業(yè)大學(xué)高分子系(導(dǎo)師:丁運(yùn)生教授),2017年于武漢大學(xué)高分子系獲得博士學(xué)位(導(dǎo)師:張俐娜院士),2018-2021年于香港中文大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系從事博士后研究(合作導(dǎo)師:邊黎明教授),近年在Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Carbohydrate Polymers等期刊發(fā)表論文10余篇。

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