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生物材料的研發(fā)和應(yīng)用，對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。首先，水凝膠具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能夠提供類似細胞外基質(zhì)（ECM）的微環(huán)境，為細胞提供接近動物體內(nèi)的生長環(huán)境，用于3D細胞培養(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，一些凝膠材料還可以與生物分子結(jié)合，如蛋白質(zhì)、DNA等，從而進一步增強其生物活性和應(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)的文獻累計約63965篇。即便尚未從事相關(guān)領(lǐng)域的同行們也會互相閑聊幾句，但是一細究，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：
釋義 | |
細胞外基質(zhì)（Extracellular matrix，簡稱ECM） |
指多細胞有機體中，細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。
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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。
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dECM水凝膠 |
是去細胞外基質(zhì)水凝膠，dECM水凝膠通過脫細胞方法獲得的天然組織的脫細胞支架，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，可以與種子細胞形成“實時互動”，重塑組織和器官的結(jié)構(gòu)，對組織和器官再生和功能修復(fù)至關(guān)重要。
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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。對貼壁細胞特別是一些難養(yǎng)的細胞，如人胚胎干細胞、神經(jīng)細胞、肝細胞、黑色素瘤細胞、血管內(nèi)皮細胞、毛囊上皮細胞等細培養(yǎng)具有促進細胞粘附和生長的作用。EHS水凝膠在4℃左右時為粘稠液體，37℃ 時水凝膠固化。使用時需要從-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，如氨基、羧基、羥基等，多位點化學(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，具有適于細胞生長和分化的三維結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的生物相容性和細胞反應(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。這種材料具有細胞黏附位點及基質(zhì)金屬蛋白酶水解位點，可以良好地支持細胞的增殖及遷移。
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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：
細胞3D培養(yǎng)：GelMA水凝膠可以作為細胞培養(yǎng)基質(zhì)，支持細胞的黏附、增殖和分化，模擬細胞的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，實現(xiàn)精準治療。
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，并在需要時釋放出來，為傷口提供良好的濕潤環(huán)境，促進傷口的愈合。同時，水凝膠還可以作為手術(shù)止血劑。
3. 部分市售凝膠從3D打印的角度進行比較
凝膠材料可以在常規(guī)實驗室中合成，但是在成分和機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)。為了實現(xiàn)增強的功能，GFOGER的六肽被用作增強功能的表面配體。 | |
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。此外，細胞的封裝是可能的，因此，當直接打印時，細胞可能具有增強的結(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，因為它的機械和化學(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 |
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)，可用于為各種細胞培養(yǎng)實驗創(chuàng)建3D微環(huán)境。在生理條件下，基質(zhì)能夠通過肽組分的自組裝到3D水凝膠中進行自組裝。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，具有增強的印刷適性、易用性和穩(wěn)定性。該油墨還可用于促進光引發(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胞，如肝細胞、心肌細胞、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細胞培養(yǎng)、類器官、生物打印、動物實驗、血管生成、細胞侵襲等。以實惠的價格提供高質(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：Protein-Based 3D Biofabrication of Biomaterials.Bioengineering 2021, 8(4), 48
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