麥吉爾大學李劍宇和Luc Mongeau團隊Adv. Sci.：能承受百萬次高頻力學加載、細胞兼容、可注射的多孔雙網絡水凝膠
生物組織的正常工作，需要良好的力學性能和血液循環。具體的例子包括跳動的心臟和伸縮的肌肉。可注射水凝膠因其簡單、易用、微創等特性，是治療受損組織的首選材料。但是，可注射水凝膠的臨床應用受制于兩大難點。第一，常用的水凝膠內部的孔徑在10納米量級，這么小的孔徑阻礙血液及養分的快速輸運；超過1-3 毫米的凝膠，若無血管化，難以保障深層細胞的存活。快速血管化難以在可注射水凝膠中實現，因此現有材料難以應用于厘米級別以上的組織和器官。第二，現有可注射水凝膠的斷裂韌性普遍偏低，難以勝任一些活動部位軟組織的修復。比如人類的聲帶在工作時會產生每秒上百次的高頻大幅度震動，目前尚無可注射水凝膠能夠經受住如此極端的機械刺激而不破裂。此外，增加水凝膠孔徑可以有效促進營養滲透，但會損失機械性能。近些年開發的雙網絡水凝膠，大多數基于具有生物毒性的單體和反應條件，因此無法用于注射。即使是使用現有的細胞兼容的雙網絡水凝膠配方也無法解決水凝膠滲透率低的問題。
針對以上問題，加拿大麥吉爾大學的李劍宇和Luc Mongeau教授團隊首次提出利用分步交聯和微分相行為，創造出細胞兼容、可注射、可澆灌的多孔雙網絡水凝膠（Porous double-network hydrogels, 簡稱PDN）。該方法創造出的水凝膠具有細胞大小的聯通的微孔，在無血管化的條件下，細胞培養基可直接穿透器官級別厚度的水凝膠來保障其中細胞的存活和生長。與此同時，該凝膠體系具有高韌性，抗疲勞，且對缺陷不敏感。在長時間高頻生理機械環境刺激后保持無破損（120Hz頻率下大于6百萬次）。該方法首次集多孔、增韌、可注射性、細胞兼容等考量于一體，有望實現對治療活躍軟組織部位的修復，同時解鎖新的生物應用的可能性。
該團隊利用殼聚糖pH值從酸性到中性過程中發生微分相的特性來展示PDN合成方法。該凝膠體系由未修飾的殼聚糖（chitosan）和乙二醇殼聚糖（glycol chitosan）微酸性水溶液組成。其在室溫下通過加入碳酸氫鈉和乙二醛可將pH調節到中性并引入共價鍵交聯劑，此時細胞可以安全引入前驅液中并通過針管遞送。當前驅液注射到37°C環境后，溶液中未修飾的chitosan在pH提升到其pKa值（約6.5）之后會發生微分相行為并引發物理交聯形成多孔的耗散網絡，隨后glycol chitosan會被乙二醇共價鍵交聯，形成彈性網絡。通過這種方式形成的可注射多孔雙網絡水凝膠具有細胞大小的孔徑，其機械性能匹配軟組織，且具有可媲美膠原蛋白的快速應力松弛。
圖1：PDN的設計示意圖，以及機械性能和多孔結構的表征。
由于形成的孔洞高度聯通，PDN具有良好的滲透性（permeability）。其滲透性與一些多孔組織（比如聲帶和骨頭）相當，且比常用的凝膠（如聚乙二醇、明膠、瓊脂）的滲透性高出至少2-4個數量級。與此同時，盡管PDN包含大量的孔，其機械韌性相比單層網絡的標準凝膠仍高出了8-40倍，且拉伸性也大幅提高，其機械韌性對孔不敏感。
圖2：PDN的滲透性和韌性的表征。
因選取的原材料、交聯方法及合成條件皆細胞兼容，因此PDN對細胞高度友好，可以作為細胞生長的支架。相對于納米孔徑的標準凝膠，PDN的多孔結構讓包裹其中的成纖維細胞更好地增殖和展開。細胞在其中的遷移速率也遠高于標準凝膠。
圖3：PDN的細胞兼容性和促進細胞生長的能力。
該團隊首先展示了PDN可以用于微流體設備來進行三維細胞培養。微流控設備如器官芯片經常用作細胞培養的裝置，但大部分水凝膠在注射到微流體管道后會造成堵塞，因此一般需要通過3D打印等方式來精確控制其大小和位置，增加水凝膠技術在微流控中的應用的難度。而PDN在注射到微流體管道后，液體可以輕松穿過其多孔結構輸送至整個凝膠。不同的管道還可以相互連通，模塊化設計可以實現細胞共培養。整個過程簡單易用，大幅降低在微流控設備中使用水凝膠的門檻。
圖4：PDN在微流體裝置中的應用展示
為驗證該凝膠的機械和物理性質的穩定性，該團隊創造了一個類聲帶生物反應器來模擬聲帶的生理機械環境。研究人員將載有人聲帶成纖維細胞的PDN注射到該生物反應器內，加載的細胞培養基可順利穿透6厘米厚的水凝膠進行細胞培養。然后研究人員通過引入氣流引發水凝膠每秒震動約120次，并把振幅和聲壓控制在人類正常發聲的范圍內。經過7天約120Hz下超過6百萬次的機械震動，單網絡的標準凝膠們都完全被震碎，但PDN保持原來形貌未受損，且機械性能沒有衰減。同時，PDN在保障細胞存活和增殖的情況下，研究人員發現類聲帶的高頻機械刺激可激發聲帶成纖維細胞的細胞外間質的分泌。這意味著機械性能的穩定具有增強組織再生的療效的潛質，并且類似研究難以通過現有水凝膠體系實現。
視頻1 可注射凝膠在細胞培養時經受仿聲帶的高頻機械加載
圖5：PDN在類聲帶長時間的極限機械環境刺激下的穩定性和生物表現。
該工作同時克服了困擾可注射水凝膠技術已久的低孔隙率和低機械韌性這兩大難點，且方法可推廣到多種材料體系。該技術有望用于修復活動的軟組織損傷，且對組織工程、生物制造、器官芯片、藥物遞送、疾病模型等生物應用提供新思路。
該研究進展以Injectable, Pore-Forming, Perfusable Double-Network Hydrogels Resilient to Extreme Biomechanical Stimulations為題發表在Advanced Science。該工作的共同第一作者是麥吉爾大學機械系博士生Sareh Taheri和鮑光宇，共同通訊作者是麥吉爾大學博士生鮑光宇、加拿大研究講席教授李劍宇、以及Luc Mongeau教授。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/advs.202102627
李劍宇教授團隊致力于新型生物材料設計開發和機理研究，目前的研究方向包括軟物質力學、生物粘合劑、再生醫學、止血材料、手術器械和智能設備開發。
相關前期工作包括：
首次實現生物打印細胞大小孔徑且粘彈性可正交調節的水凝膠細胞支架：Guangyu Bao, et al. Triggered micropore-forming bioprinting of porous viscoelastic hydrogels, Materials Horizons, 2020
具備優異的化學穩定性、離子相容性、廣譜粘接性的多功能高韌性水凝膠離子器件：Guangyu Bao, et al. Ionotronic tough adhesives with intrinsic multifunctionality, ACS Applied Materials & Interfaces, 2021
多材料生物打印：Hossein Ravanbakhsh, Vahid Karamzadeh, Guangyu Bao, et al. Emerging technologies in multi‐material bioprinting. Advanced Materials, 2021
組織粘附劑的設計和應用：Zhenwei Ma, et al. Multifaceted design and emerging applications of tissue adhesives. Advanced Materials, 2021.
高韌性水凝膠粘附涂層的設計和應用：Zhenwei Ma, et al. Bioinspired tough gel sheath for robust and versatile surface functionalization, Science Advances, 2021
工程師必備
- 項目客服
- 培訓客服
- 平臺客服
TOP
