基于生物聚合物的双连续水凝胶:指导快速三维细胞迁移和组织再生的新型平台

文摘   2024-09-13 07:30   北京  

介绍

细胞迁移对于组织发展和再生至关重要,但需要有利的细胞外环境。细胞可以通过降解或重塑环境来主动生成迁移路径,或者利用现有的细胞外基质微结构或微轨迹作为迁移的天然路径。虽然水凝胶是研究三维迁移的有用工具,但很少有水凝胶能够再现这些天然的迁移路径。本研究开发了一种基于生物聚合物的双连续水凝胶系统,该系统包括一个通过酶促交联的明胶共价水凝胶和一个通过与透明质酸结合的客体和主体分子物理交联的水凝胶。这种双连续水凝胶通过控制溶液不混溶性形成,其连续子域和高微界面表面积促进了快速的三维迁移。

结果

  1. 生物聚合物基双连续水凝胶的制备

  • 通过限制水凝胶前体组分的混合,制备了具有离散三维材料域的细胞相容性生物聚合物基双连续水凝胶。

    基于生物聚合物的双连续水凝胶的制备。

  • 通过混合含有AD-HA和明胶的溶液与含有CD-HA和转谷氨酰胺酶的溶液,通过循环革命混合直至结构稳定。

    双连续水凝胶的结构和机械特性。

  • 双连续水凝胶支持快速细胞迁移

    • 双连续水凝胶中的细胞迁移行为是间充质性质的,受水凝胶的生化和生物物理信号调节。

      双连续水凝胶引入了支持快速细胞迁移的微界面。

    • 与均匀水凝胶相比,双连续水凝胶中的细胞迁移速度和距离显著增加。

  • 双连续水凝胶中细胞迁移的生物物理和生化决定因素

    • 细胞在迁移过程中主动施加牵引力,这些力与细胞突出部分直接前方的迁移路径相关。

      迁移细胞利用基于粘附的间充质迁移策略。

    • 细胞迁移依赖于基于粘附的间充质迁移策略,且基质降解在迁移中起作用,但不是必需的。

  • 界面材料呈递对细胞迁移的作用

    • 双连续水凝胶结构引入了高界面表面积,为细胞迁移提供了路径。

      界面材料在细胞生长中呈现的范围和组成。

    • 细胞沿两种水凝胶材料之间的界面迅速迁移,除非水凝胶通过共价交联形成迁移的屏障。

  • 双连续结构促进细胞从天然组织迁移

    • 双连续水凝胶促进了从天然组织中细胞的迁移,无论是在体外还是体内环境中。

      微界面支持增加体外和体内的细胞浸润。

    • 在体内模型中,双连续水凝胶显示出比均匀水凝胶更高的细胞渗透和分布。

    讨论

    本研究开发的双连续水凝胶通过控制不相混溶性形成具有高界面表面积的独特结构,这些结构指导了快速的细胞迁移。研究表明,这些水凝胶不仅支持迁移,还支持细胞行为,这对于组织再生可能很重要。此外,这些发现扩展了我们对细胞外生物物理调节细胞迁移的知识,并定义了可以用来利用界面细胞行为的材料引导的微观结构配方。这些独特的细胞相容材料可以被用来扩展当前临床使用材料的用途,开发利用双连续性来定义迁移路径的材料,以促进组织再生和修复。

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