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边黎明教授基于动态配位作用的自组装可注射纳米复合水凝胶世纪测试仪器

测试仪器    
2019年11月17日

水凝胶具有独特的物理性质并可以模拟细胞外基质的组分,为再生医学发展提供了良好的材料基础。近年来,诸多文献通过将不同功能化的无机纳米材料分散在水凝胶中,制备了纳米复合材料,从而显著提升了水凝胶的力学强度和生物活性。亦有文献报道,通过将制得的水凝胶浸泡在CaCl2/NaH2PO4的溶液中,实现在凝胶网络中原位生长磷酸钙纳米颗粒。这一方案不仅改善了水凝胶的力学性能,而且有效增强了其骨整合性和骨传导性。然而,这一过程需要将水凝胶浸泡在具有较高pH值与渗透压的盐溶液中,因此,并不适用于封装有细胞的水凝胶。

双膦酸盐和多价阳离子、无机纳米颗粒,以及骨等矿化组织间有着极好的结合力。作为细胞内第二多的二价阳离子,镁离子有着调控酶活性、促进细胞粘附和分化等多重作用。

最近,香港中文大学生物医学工程学系边黎明教授课题组通过BP和Mg的相互作用,制备了具有良好细胞相容性的可注射纳米复合水凝胶,并通过特定时间的二次交联,进一步调控其交联密度,实现调控干细胞分化的目的。

▲图基于BP-Mg动态配位作用制备自组装可注射纳米复合水凝胶。

研究者将接枝了BP的透明质酸、含有双膦酸的小分子单体,以及镁离子混匀混合后,静止数分钟,即制得该水凝胶。原位形成的Ac-BP-Mg纳米颗粒有效增强了纳米颗粒和HA-BP分子链间的相互作用,从而增强了水凝胶的力学性能。同时,HA-BP和纳米颗粒之间的动态、可逆配位作用,使得该水凝胶具有良好的自修复和注射性能。更为重要的是,该纳米复合水凝胶的成胶环境温和且效率较高,因此可以用于干细胞的封装。同时,封装了人骨髓间充质干细胞的水凝胶可以通过G21针头注射至任意不规则形状的缺损部位,适应缺损的几何形状,而不影响其中干细胞的存活率,为水凝胶作为细胞载体的临床应用打下了良好的基础。

▲图该纳米复合水凝胶具有良好的自修复和可注射性能。

与此同时,分布在Ac-BP-Mg纳米颗粒表面的Ac-BP分子中所带有的双键,可以在成胶后,通过紫外光引发的自由基聚合,形成第二重交联网络,从而进一步增强该水凝胶的力学强度与交联密度。因此,研究者以该水凝胶为平台,在成胶后的不同时间点,对封装有hMSCs的HA-BP-Mg纳米复合水凝胶进行二次交联,从而研究动态变化的交联密度对hMSCs在三维环境下铺展及分化的影响。结果表明,基于动态配位作用制备的水凝胶可以支持细胞在其中的铺展及成骨分化,而过早的建立第二重交联网络,则抑制了这一铺展过程,不利于细胞骨架的延伸和细胞内力学信号的传导,从而抑制了hMSCs的成骨分化。

▲图动态变化的交联密度及水凝胶力学强度对干细胞行为的影响。

相关结果发表在Advanced Functional Materials上,第一作者为课题组博士生张琨雨。该研究亦得到香港大学骨科及创伤学系杨伟国教授和中国科学院上海应用物理研究所田丰博士的指导与支持。

边黎明教授课题组简介:

边黎明教授课题组长期致力于生物材料与组织工程的相关研究。以透明质酸、明胶等天然高分子为基础,开发了一系列具有良好力学性能和生物相容性的功能化水凝胶,亦关注了水凝胶的生物活性及其在再生医学中的重要应用。与此同时,课题组基于多种纳米材料,研发了用于基因/药物传递和分子成像的新体系,在调控干细胞分化和研究细胞-材料相互作用等领域取得诸多新进展。近期代表性工作有:

Feng,Q.etal.Mechanicallyresilient,injectable,and bioadhesive supramolecular gelatin hydrogelscrosslinked by weak host-guest interactions assist cell infiltration and insitu tissue regeneration.Biomaterials,2016.

Wei,K.et al.Robustbiopolymeric supramolecular“Host-Guest Macromer”hydrogels reinforced by insitu formed multivalent nanoclusters for cartilage regeneration.Macromolecules,2016.

Zhu,M.et al.Hydrogelsfunctionalized with N-cadherin mimetic peptide enhance osteogenesis of hMSCs byemulating the osteogenic niche.Biomaterials,2016.

Li,J.et al.Photo-controlledsiRNA delivery and biomarker-triggered AIEgen emission by upconversionNaYF4:Yb3+Tm3+ SiO2 nanoparticles for inducing and monitoring stem cell differentiation.ACSAppl.Mater.Interfaces,2017.

Wong,S.H.D.etal.Magneticallytuning tether mobility of integrin ligand regulates adhesion,spreading,anddifferentiation of stem cells.Nano Letters,2017.

Xu,J.et al.Nanocarrier-mediatedcodelivery of small molecular drugs and siRNA to enhance chondrogenicdifferentiation and suppress hypertrophy of human mesenchymal stem cells.AdvancedFunctional Materials.2016.

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