圣地亞哥德孔波斯特拉大學(xué)：3D打印海藻酸鈉鹽氣凝膠

來(lái)源 : EFL生物3D打印與生物制造

氣凝膠是具有高孔隙率和大表面積的納米結(jié)構(gòu)材料，這些特性使它們成為組織工程應(yīng)用的理想選擇。氣凝膠能夠模擬細(xì)胞外基質(zhì)，促進(jìn)細(xì)胞粘附、增殖和遷移，對(duì)于組織修復(fù)和再生具有重要意義。通過(guò)3D打印技術(shù)，可以為患者個(gè)性化制造氣凝膠，這為定制治療方案提供了新的可能性。

在本研究中，圣地亞哥德孔波斯特拉大學(xué)Carlos A. García-González團(tuán)隊(duì)研究一種3D打印的UCNPs標(biāo)記的海藻酸鹽氣凝膠是一種有前景的診療植入物，能夠用于組織工程和生物成像。

圖1 UCNPs修飾氣凝膠的顯微分析

通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）圖像展示了不同配方的UCNPs裝飾的氣凝膠的微觀結(jié)構(gòu)，包括純海藻酸鹽氣凝膠（Alg UCNPs 0.4、Alg UCNPs 0.8和AlgHA UCNPs 0.4）的形態(tài)，揭示了UCNPs在氣凝膠多孔結(jié)構(gòu)中的均勻分布。圖像表明，UCNPs的加入并未破壞氣凝膠的完整性和多孔性，反而形成了一個(gè)光滑且開(kāi)放的多孔網(wǎng)絡(luò)，這對(duì)于保持氣凝膠的生物相容性和促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)的特性至關(guān)重要。此外，通過(guò)能量色散X射線光譜（EDX）分析確認(rèn)了UCNPs在氣凝膠中的存在，且UCNPs的粒徑分布分析顯示了合成后和加入氣凝膠后尺寸的一致性。這些結(jié)果證明了UCNPs成功整合到氣凝膠中，且保持了其物理化學(xué)穩(wěn)定性。  

圖2 不同氣凝膠配方的細(xì)胞研究

通過(guò)WST-1實(shí)驗(yàn)評(píng)估了與不同氣凝膠配方接觸后BALB/c 3T3細(xì)胞的活性，結(jié)果顯示細(xì)胞活性在24小時(shí)和48小時(shí)后與陽(yáng)性對(duì)照組相比沒(méi)有顯著差異，證明這些氣凝膠對(duì)細(xì)胞無(wú)毒性，具有良好的生物相容性。此外，對(duì)人類骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（MSCs）的粘附情況進(jìn)行了評(píng)估，DAPI染色的共聚焦顯微鏡圖像顯示，無(wú)論是UCNPs標(biāo)記的還是未標(biāo)記的氣凝膠，MSCs的粘附情況相似，表明UCNPs的加入并不影響細(xì)胞的粘附。這些結(jié)果強(qiáng)調(diào)了UCNPs標(biāo)記的氣凝膠作為生物材料在細(xì)胞培養(yǎng)和組織工程應(yīng)用中的潛力。   

圖3 不同氣凝膠制劑(分別為Alg, Alg UCNPs 0.8或AlgHA UCNPs 0.4)皮下植入一周后的測(cè)試

如圖3所示，匯總了小鼠和大鼠在不同氣凝膠配方（Alg、Alg UCNPs 0.8和AlgHA UCNPs 0.4）皮下植入1周后，血漿中腫瘤壞死因子α（TNF-α）、白細(xì)胞介素6（IL-6）和白細(xì)胞介素10（IL-10）的表達(dá)水平以及主要器官（脾臟、肝臟和腎臟）的組織指數(shù)。結(jié)果顯示，所有實(shí)驗(yàn)組的TNF-α和IL-10水平與對(duì)照組相比沒(méi)有顯著差異，且IL-6的水平未檢測(cè)到，這表明植入的氣凝膠引發(fā)了低水平的炎癥反應(yīng)。組織指數(shù)的測(cè)定也未顯示出統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著差異，表明植入的氣凝膠沒(méi)有對(duì)主要器官造成毒性。此外，3c圖像顯示了植入后1周在植入部位形成的結(jié)締組織囊，這表明了氣凝膠植入后的局部組織反應(yīng)。這些結(jié)果綜合反映了UCNPs標(biāo)記的氣凝膠在體內(nèi)的生物相容性和安全性。

圖4 通過(guò)HE染色獲得不同組織的組織學(xué)圖像

通過(guò)H&E染色展示了小鼠和大鼠在皮下植入不同氣凝膠配方（Alg、Alg UCNPs 0.8和AlgHA UCNPs 0.4）1周后，皮膚、脾臟、肝臟和腎臟組織的組織學(xué)圖像。這些圖像顯示了植入部位的皮下肉芽腫性炎癥反應(yīng)，主要由富含巨噬細(xì)胞、淋巴細(xì)胞和漿細(xì)胞的炎癥細(xì)胞浸潤(rùn)組成。對(duì)照組（未植入支架的動(dòng)物）顯示出最小的瘢痕反應(yīng)，這與手術(shù)切口引起的輕微炎癥反應(yīng)一致。研究中未觀察到重大的組織異常，植入氣凝膠周圍的組織反應(yīng)被認(rèn)為是對(duì)植入物的預(yù)期的異物反應(yīng)的一部分。此外，植入的氣凝膠周圍的結(jié)締組織囊的形成表明了正常的傷口愈合過(guò)程，且未觀察到感染或炎癥跡象，進(jìn)一步證實(shí)了UCNPs標(biāo)記的氣凝膠良好的生物相容性。   

圖5 在745 nm的激發(fā)波長(zhǎng)和840 nm的發(fā)射波長(zhǎng)下獲得的熒光強(qiáng)度圖

使用了植入了標(biāo)記有UCNPs的海藻酸鹽氣凝膠的小鼠模型，在植入后的不同時(shí)間點(diǎn)（手術(shù)后立即、4小時(shí)、1天以及1周、2周和3周）利用熒光成像系統(tǒng)（IVIS®）捕捉圖像，研究者能夠?qū)崟r(shí)且非侵入性地監(jiān)測(cè)氣凝膠的熒光信號(hào)。結(jié)果顯示，熒光信號(hào)在植入部位均勻分布，并且在長(zhǎng)達(dá)3周的監(jiān)測(cè)期內(nèi)保持穩(wěn)定，這證明了UCNPs標(biāo)記的氣凝膠可以作為可追蹤的植入物，用于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)植入物在體內(nèi)的生物降解過(guò)程和位置。此外，僅在植入U(xiǎn)CNPs標(biāo)記氣凝膠的小鼠的脾臟中檢測(cè)到微弱的熒光信號(hào)，這可能表明UCNPs在體內(nèi)的分布和代謝。這些發(fā)現(xiàn)突顯了UCNPs在生物成像中的應(yīng)用潛力，為開(kāi)發(fā)新型的診療一體化植入物提供了科學(xué)依據(jù)。   

全文總結(jié)
本文成功開(kāi)發(fā)了一種3D打印的海藻酸鹽-羥基磷灰石氣凝膠，通過(guò)整合上轉(zhuǎn)換納米顆粒（UCNPs），實(shí)現(xiàn)了一種新型的多功能診療植入物。該氣凝膠不僅具備了優(yōu)異的生物相容性和促進(jìn)組織再生的能力，而且利用UCNPs的熒光特性，實(shí)現(xiàn)了植入后的長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過(guò)體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)和體內(nèi)動(dòng)物模型驗(yàn)證了其安全性和有效性，展示了在組織工程和生物成像領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力。

文章來(lái)源：
https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2024.07.033