AFM|4D可改變形狀的水凝膠誘導高細胞密度組織

近期，美國Eben Alsberg教授團隊在Advanced Fucntional Materials上發(fā)表題為“Induction of Four‐Dimensional Spatiotemporal Geometric Transformations in High Cell Density Tissues via Shape‐Changing Hydrogels”的文章。

摘要：發(fā)育和愈合的組織從細胞凝結開始。組織幾何結構的時空變化，細胞空間分布的變化以及細胞外基質對于其向功能性組織的進化至關重要。4D材料——能夠進行幾何變化的3D材料可能具有重現上述生物學現象的潛力。但是，大多數報道的4D材料是不可降解的和/或生物相容的，從而限制了它們在再生醫(yī)學中的應用，并且迄今為止，還沒有控制高密度細胞凝集和分化的幾何結構的系統(tǒng)。在此，描述了基于可變形水凝膠的4D高細胞密度組織。通過氧化和甲基丙烯酸化的藻酸鹽（OMA）和甲基丙烯酸化的明膠（GelMA）的順序光交聯，制備呈現可控的幾何變化而沒有任何外部刺激的雙層水凝膠。成纖維細胞和人類脂肪干細胞（ASC）的濃度最高為每毫升1.0×10^8細胞數量，并且與ASC分化成軟骨和成骨譜系相一致，可實現可控的形狀變化。通過對高密度細胞載有OMA和GelMA進行生物打印，可以形成具有定義的4D幾何變化的更復雜的構建體，這可能會進一步擴展這種方法在再生醫(yī)學應用中的前景。

文章簡述

已經報道了幾種生產4D材料和系統(tǒng)的技術，這些材料和系統(tǒng)潛在地用于引起細胞培養(yǎng)條件的時間幾何變化的組織工程應用中。已經使用多種材料的結合或在一種材料中創(chuàng)建網絡漸變來生成空間變化的溶脹，以將其用作幾何變化的驅動力。但是，其中一些系統(tǒng)沒有顯示出生物材料的生物可降解性，而且它們都沒有顯示出能夠精確調整構造4D形狀變化或它們發(fā)生的時間范圍的能力。重要的是，可生物降解和/或生物相容性4D材料中摻入的細胞的最高濃度被限制在每毫升0.5–10.0×10^6個細胞之間。這些濃度主要是數量級比發(fā)展期間存在下，在愈合過程，并在天然組織這可能是必要的工程組織中，而且這些系統(tǒng)都沒有實現與材料中分化細胞的縮合。

為了解決當前4D系統(tǒng)面臨的上述挑戰(zhàn)，我們旨在設計一個新的4D生物材料平臺，該平臺具有隨時間推移進行定制的幾何變化的能力，同時允許并入具有維持活力和功能性的高密度細胞。為此，通過紫外線輻射介導的簡單順序交聯將OMA和GelMA水凝膠連接起來，合成了具有不同氧化度的氧化和甲基丙烯酸藻酸鹽（OMA）和GelMA，以形成雙層水凝膠的基礎。我們假設兩種材料之間的溶脹速率的時間差異會驅動結構變形。具體來說，與相鄰的具有相對較低溶脹特性的GelMA水凝膠相比，OMA水凝膠的更高氧化度是否會導致更大的溶脹和隨時間變化的形狀變化，已得到檢驗。還評估了層厚度的作用，該作用是通過改變玻璃板模具之間的間隔物的厚度以及所摻入的細胞（即NIH3T3成纖維細胞和人脂肪組織來源的基質細胞[ASC]）的密度對系統(tǒng)的4D特性的作用。然后將NIH3T3和ASC以每毫升10^8細胞的高密度確定系統(tǒng)維持高細胞生存能力的能力。通過研究細胞與細胞以及細胞與ECM的相互作用和分化能力，評估了高細胞密度構建體的組織和功能。最后，探討了使用兩種載有細胞的聚合物組分作為生物墨水材料生物打印具有復雜初始和預編程最終幾何形狀的4D高細胞密度構建體的可行性。這項研究提出了一種新的，多用途的4D高細胞密度組織凝結系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于可生物降解和細胞相容性材料，能夠隨著時間的流逝精確地控制幾何變化以及功能性4D組織構造的發(fā)展。

打印支架各種性能表征

打印結構的4D變形

參考文獻Lee Y B ,  Jeon O ,  Lee S J , et al. Induction of Four‐Dimensional Spatiotemporal Geometric Transformations in High Cell Density Tissues via Shape‐Changing Hydrogels[J]. Advanced Functional Materials, 2021.

https://doi.org/10.1002/adfm.202010104（點擊文末閱讀原文查看英文原文）

文章來源：微信公眾號  上普生物