“水凝膠”小課堂

時(shí)間：2023-11-14閱讀：345

生物材料的研發(fā)和應(yīng)用，對(duì)于改善和提升人類生活質(zhì)量具有重要意義。例如，通過研究和開發(fā)新型生物材料，可以解決一些傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)方法無法解決的問題，如組織缺損修復(fù)、誘導(dǎo)再生、等，也可以用于制造醫(yī)療器械、藥物載體等，為人類健康提供了重要的支持。

水凝膠作為生物材料中的一種，具有多種優(yōu)勢和特點(diǎn)。首先，水凝膠具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能夠提供類似細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）的微環(huán)境，為細(xì)胞提供接近動(dòng)物體內(nèi)的生長環(huán)境，用于3D細(xì)胞培養(yǎng)。其次，水凝膠具有很好的生物相容性和生物活性，可以被生物降解，在體內(nèi)降解為無害的物質(zhì)。同時(shí)，一些凝膠材料還可以與生物分子結(jié)合，如蛋白質(zhì)、DNA等，從而進(jìn)一步增強(qiáng)其生物活性和應(yīng)用范圍。此外，水凝膠還具有很好的物理化學(xué)性質(zhì)，如可塑性、可調(diào)性等，可以用于制備各種形狀和大小的生物材料。由于凝膠具有多孔結(jié)構(gòu)，也可以用于藥物輸送、組織工程、生物成像和生物檢測等方面。

1. 膠膠分不清楚：

基于水凝膠的應(yīng)用拓展，各種“膠"結(jié)尾的名詞及產(chǎn)品出現(xiàn)的概率也增加了，Pubmed上檢索到的與水凝膠相關(guān)的文獻(xiàn)累計(jì)約63965篇。即便尚未從事相關(guān)領(lǐng)域的同行們也會(huì)互相閑聊幾句，但是一細(xì)究，這模糊的詞義就讓人淺嘗輒止。以下列出了常見的各種“膠"，讓學(xué)習(xí)與討論更絲滑：

名稱	釋義
細(xì)胞外基質(zhì)（Extracellular matrix，簡稱ECM）	指多細(xì)胞有機(jī)體中，細(xì)胞周圍由多種大分子組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。這些大分子包括膠原蛋白、彈力蛋白、黏附性糖蛋白、整合素、蛋白多糖等。它們?cè)诰S持組織結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)細(xì)胞生長、分化、遷移、識(shí)別、附著以及細(xì)胞間通信等方面發(fā)揮著重要作用。
水凝膠	是一種由親水性聚合物交聯(lián)得到的含有大量水分的軟材料。由于其含水量大、充分吸水卻不溶于水、質(zhì)地柔軟且有生物相容性，相比其他材料更加接近細(xì)胞外基質(zhì)。水凝膠有多種分類方法，根據(jù)水凝膠的合成材料進(jìn)行分類，可分為明膠水凝膠、溫水凝膠、多糖水凝膠、透明質(zhì)酸水凝膠、葡聚糖水凝膠、共聚物水凝膠等。
dECM水凝膠	是去細(xì)胞外基質(zhì)水凝膠，dECM水凝膠通過脫細(xì)胞方法獲得的天然組織的脫細(xì)胞支架，經(jīng)過研磨、酶消化等處理后形成的水凝膠。這種水凝膠保留了組織或器官的三維結(jié)構(gòu)和一些天然纖維成分，具有生物活性、生物相容性和非免疫原性，可以與種子細(xì)胞形成“實(shí)時(shí)互動(dòng)"，重塑組織和器官的結(jié)構(gòu)，對(duì)組織和器官再生和功能修復(fù)至關(guān)重要。
EHS水凝膠	是一種可溶性的基底膜基質(zhì)，從小鼠EHS (Engelbreth-Holm-Swarm) 肉瘤組織中提取并純化得到。其主要成分包括層粘連蛋白、IV型膠原、巢蛋白、硫酸肝素糖蛋白，還含有轉(zhuǎn)化生長因子和其他的一些生長因子。對(duì)貼壁細(xì)胞特別是一些難養(yǎng)的細(xì)胞，如人胚胎干細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞、肝細(xì)胞、黑色素瘤細(xì)胞、血管內(nèi)皮細(xì)胞、毛囊上皮細(xì)胞等細(xì)培養(yǎng)具有促進(jìn)細(xì)胞粘附和生長的作用。EHS水凝膠在4℃左右時(shí)為粘稠液體，37℃ 時(shí)水凝膠固化。使用時(shí)需要從-20℃取出一支EHS水凝膠，放在4℃過夜緩慢融化，勿用37℃水浴。故相關(guān)操作都要在冰上進(jìn)行并提前一夜預(yù)冷耗材。
明膠（Gelatin）	是經(jīng)膠原蛋白適度水解和熱變性得到的天然生物高分子材料，其具有和膠原相似的氨基酸序列。明膠側(cè)鏈上含有多種活性基團(tuán)，如氨基、羧基、羥基等，多位點(diǎn)化學(xué)修飾的可能性使明膠受到眾多水凝膠研究者的青睞。
甲基丙烯?；髂z（GelMA）	為雙鍵改性明膠，一種光敏性的生物材料，其可通過紫外及可見光在光引發(fā)劑作用下交聯(lián)固化成膠。GelMA兼具天然和合成生物材料的特征，具有適于細(xì)胞生長和分化的三維結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的生物相容性和細(xì)胞反應(yīng)特性，其可替代人工基底膜或其他天然膠原蛋白水凝膠。GelMA明膠水凝膠是一種光敏性的生物材料，它是由甲基丙烯?；髂z（GelMA）和明膠水凝膠結(jié)合而成的。這種材料具有細(xì)胞黏附位點(diǎn)及基質(zhì)金屬蛋白酶水解位點(diǎn)，可以良好地支持細(xì)胞的增殖及遷移。

2、 GelMA水凝膠的應(yīng)用

GelMA水凝膠在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用：

細(xì)胞3D培養(yǎng)：GelMA水凝膠可以作為細(xì)胞培養(yǎng)基質(zhì)，支持細(xì)胞的黏附、增殖和分化，模擬細(xì)胞的3D微環(huán)境。

組織工程：GelMA水凝膠可以作為組織工程支架，填充骨缺損或軟組織缺損，促進(jìn)組織的再生和修復(fù)。

生物3D打?。篏elMA水凝膠常被用作生物打印的通用生物墨水。在生物打印過程中，GelMA通常與細(xì)胞、生長因子和其他生物活性物質(zhì)混合，然后通過3D打印技術(shù)創(chuàng)建具有特定結(jié)構(gòu)和功能的組織工程構(gòu)建物。

藥物傳遞系統(tǒng)：GelMA水凝膠可以作為藥物傳遞系統(tǒng)，控制藥物/基因/生長因子的釋放或定位，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)治療。

醫(yī)用敷料和手術(shù)供應(yīng)材料：它們能夠吸收大量的水分，并在需要時(shí)釋放出來，為傷口提供良好的濕潤環(huán)境，促進(jìn)傷口的愈合。同時(shí)，水凝膠還可以作為手術(shù)止血?jiǎng)?/span>

3. 部分市售凝膠從3D打印的角度進(jìn)行比較

凝膠材料可以在常規(guī)實(shí)驗(yàn)室中合成，但是在成分和機(jī)械性能方面容易出現(xiàn)批次間差異，購買商業(yè)生產(chǎn)的可確保結(jié)果的可重復(fù)性。

公司名稱	產(chǎn)品名稱	水凝膠類型、成分和性質(zhì)	應(yīng)用說明和特性
BIOGELX	BiogelxTM-INK-S（生物凝膠TM-INK-S）	一種合成肽水凝膠墨水	這種墨水呈現(xiàn)出與溫度和pH值變化無關(guān)的凝膠化。
	BiogelxTM-INK-精氨酸-甘氨酸-Asp （RGD）	一種纖連蛋白功能化合成肽水凝膠油墨	凝膠化與溫度和pH值的變化無關(guān)。該油墨還采用精氨酸、甘氨酸和天冬氨酸三肽作為表面配體，以增強(qiáng)功能。
	BiogelxTM-INK-GFOGER	膠原功能化合成肽	凝膠化與溫度和pH值無關(guān)。為了實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的功能，GFOGER的六肽被用作增強(qiáng)功能的表面配體。
Manchester BIOGEL	PeptiInks®	中性或帶電。纖連蛋白、層粘連蛋白或膠原蛋白 Alpha 1，G′ （kPa） = 5 α 2，G′ （kPa） = 10 α 4，G′ （kPa） = 1 功能化 = RGD、IKVAV、YIGSR、GOFGER	由于剪切稀化特性，它可以用于基于擠出的打印機(jī)。此外，細(xì)胞的封裝是可能的，因此，當(dāng)直接打印時(shí)，細(xì)胞可能具有增強(qiáng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和長期活力。
Regmat-3d	纖連蛋白	功能化合成肽水凝膠墨水	這種墨水能夠通過形成納米纖維網(wǎng)絡(luò)來模擬細(xì)胞外基質(zhì)。它具有生物相容性，可以用于不同的印刷應(yīng)用，因?yàn)樗臋C(jī)械和化學(xué)性能可以改變。
Gelomics	明膠甲基丙烯酰（GelMA）—豬	基于豬明膠（A型）。它的特點(diǎn)是甲基丙烯化程度從75%到85%	該墨水可在磷酸鹽緩沖鹽水或緩沖液中復(fù)溶，同時(shí)保持所需濃度。油墨還可以與光引發(fā)劑結(jié)合，從而使所得水解物可光交聯(lián)。還實(shí)現(xiàn)了在體溫下的穩(wěn)定性。
	明膠甲基丙烯酰（GelMA—牛）	基于牛明膠（B 型）。它的特點(diǎn)是甲基丙烯化程度從75%到85%	與明膠甲基丙烯酰（GelMA）–豬類似，這種墨水也可以在磷酸鹽緩沖鹽水或緩沖液中復(fù)溶，同時(shí)保持所需濃度。油墨還可以與光引發(fā)劑結(jié)合，從而使所得水解物可光交聯(lián)。還實(shí)現(xiàn)了在體溫下的穩(wěn)定性。
	LunaGel™即用型	是基于牛骨或豬皮明膠的可光交聯(lián)細(xì)胞外基質(zhì)。這種墨水由 I、III、IV 和 V 型膠原蛋白組成。它還含有結(jié)締組織糖蛋白和蛋白聚糖	油墨可以作為低剛度（0–6.5 kPa）或高剛度試劑盒（0–25 kPa）存在。
Brinter-bio inks	纖維蛋白原、I型膠原蛋白和明膠	-	-
Advanced Biomatrix	Lifeink® 200	pH值為7，并且是等滲的，表明其用于細(xì)胞添加和印刷	它本質(zhì)上是一種中和的I型牛膠原蛋白墨水
Advanced Biomatrix	Lifeink® 240	pH值為<7（即酸性），被歸類為I型膠原蛋白基墨水	它可用于神經(jīng)化后產(chǎn)生高分辨率的膠原支架。
Corning	PuraMatrix™	I型膠原蛋白、?；虼笫笪布‰旎蛉颂ケP、III型膠原蛋白、人胎盤蛋白、IV型膠原蛋白、層粘連蛋白、小鼠、纖連蛋白、人、VI型膠原蛋白	它是一種合成基質(zhì)，可用于為各種細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)建3D微環(huán)境。在生理?xiàng)l件下，基質(zhì)能夠通過肽組分的自組裝到3D水凝膠中進(jìn)行自組裝。納米尺度的纖維結(jié)構(gòu)表征了所得的 3D 水凝膠。
Cellink	Cellink fibrin	含有纖維蛋白原	該墨水能夠使用凝血酶和離子結(jié)合劑形成穩(wěn)定的化合物網(wǎng)絡(luò)。Cellink 還可以在交聯(lián)后提供與生理相關(guān)的傷口愈合環(huán)境。Cellink纖維蛋白還含有交聯(lián)后的原位纖維蛋白和纖維蛋白原。
	GelXA ink	含有纖維蛋白原	雙交聯(lián)能力的存在是 GelXA 的特征;雙重交聯(lián)能力是通過光固化和含離子凝血酶的交聯(lián)劑處理來實(shí)現(xiàn)的。
	Cellink gelma	GelMA A：GelMA和海藻酸鹽	這種油墨具有剪切稀化流變特性，因此可以在低壓下打印，以便在沉積后形成長絲。
	-	GelMA HA：	該油墨由GelMA基料、黃原膠和海藻酸鹽組成，具有增強(qiáng)的印刷適性、易用性和穩(wěn)定性。該油墨還可用于促進(jìn)光引發(fā)劑輔助交聯(lián)、離子交聯(lián)或兩者的組合。
	-	GelMA HA：	這種墨水由GelMA基和黃原膠組成
	-	GelMA C：GelMA和納米原纖化纖維素	這種墨水由GelMA和納米纖化纖維素組成。它的特點(diǎn)是在室溫下印刷適性平滑，無需溫度控制。該墨水還提供纖維狀形態(tài)，以造福特定細(xì)胞。該油墨還能夠在沒有離子交聯(lián)溶液的情況下通過光固化快速交聯(lián)。
Cellink laminink	111、121、411、521 和LAMININK+	這種墨水由三個(gè)亞基組成——α鏈、β鏈和γ鏈。不同的油墨可用于不同的特化細(xì)胞，如肝細(xì)胞、心肌細(xì)胞、神經(jīng)元等。	-
Bio conductink	含0.25%光引發(fā)劑（LAP）的Gleatin明膠甲基丙烯酸酯油墨	這種墨水可以導(dǎo)電，可用于肌肉收縮和神經(jīng)組織模型。該油墨還具有對(duì)溫度敏感的印刷適性	-

4、Gelomics水凝膠的介紹

Gelomics公司坐落于澳大利亞，在生物材料供應(yīng)方面有自然條件、技術(shù)、質(zhì)量、環(huán)保和安全性等方面的優(yōu)勢。經(jīng)過多年的研發(fā)，gelomics提供了即用型、批間穩(wěn)定的無需“冰上操作"的產(chǎn)品方案LunaGelTM——一款甲基丙烯酸化明膠水凝膠，具有光敏性和溫敏性，可通過光照調(diào)節(jié)膠體硬度，可應(yīng)用于3D細(xì)胞培養(yǎng)、類器官、生物打印、動(dòng)物實(shí)驗(yàn)、血管生成、細(xì)胞侵襲等。以實(shí)惠的價(jià)格提供高質(zhì)量產(chǎn)品服務(wù)，助力生物醫(yī)學(xué)的研究和發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：Protein-Based 3D Biofabrication of Biomaterials.Bioengineering 2021, 8(4), 48

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