“水凝胶”小课堂

上海汉尧

2023/11/14 16:24

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生物材料的研发和应用，对于改善和提升人类生活质量具有重要意义。例如，通过研究和开发新型生物材料，可以解决一些传统医学方法无法解决的问题，如组织缺损修复、诱导再生、器官移植等，也可以用于制造医疗器械、药物载体等，为人类健康提供了重要的支持。

水凝胶作为生物材料中的一种，具有多种优势和特点。首先，水凝胶具有三维网络结构，能够提供类似细胞外基质（ECM）的微环境，为细胞提供接近动物体内的生长环境，用于3D细胞培养。其次，水凝胶具有很好的生物相容性和生物活性，可以被生物降解，在体内降解为无害的物质。同时，一些凝胶材料还可以与生物分子结合，如蛋白质、DNA等，从而进一步增强其生物活性和应用范围。此外，水凝胶还具有很好的物理化学性质，如可塑性、可调性等，可以用于制备各种形状和大小的生物材料。由于凝胶具有多孔结构，也可以用于药物输送、组织工程、生物成像和生物检测等方面。

1. 胶胶分不清楚：

基于水凝胶的应用拓展，各种“胶”结尾的名词及产品出现的概率也增加了，Pubmed上检索到的与水凝胶相关的文献累计约63965篇。即便尚未从事相关领域的同行们也会互相闲聊几句，但是一细究，这模糊的词义就让人浅尝辄止。以下列出了常见的各种“胶”，让学习与讨论更丝滑：

名称	释义
细胞外基质（Extracellular matrix，简称ECM）	指多细胞有机体中，细胞周围由多种大分子组成的复杂网络。这些大分子包括胶原蛋白、弹力蛋白、黏附性糖蛋白、整合素、蛋白多糖等。它们在维持组织结构、调节细胞生长、分化、迁移、识别、附着以及细胞间通信等方面发挥着重要作用。
水凝胶	是一种由亲水性聚合物交联得到的含有大量水分的软材料。由于其含水量大、充分吸水却不溶于水、质地柔软且有生物相容性，相比其他材料更加接近细胞外基质。水凝胶有多种分类方法，根据水凝胶的合成材料进行分类，可分为明胶水凝胶、温水凝胶、多糖水凝胶、透明质酸水凝胶、葡聚糖水凝胶、共聚物水凝胶等。
dECM水凝胶	是去细胞外基质水凝胶，dECM水凝胶通过脱细胞方法获得的天然组织的脱细胞支架，经过研磨、酶消化等处理后形成的水凝胶。这种水凝胶保留了组织或器官的三维结构和一些天然纤维成分，具有生物活性、生物相容性和非免疫原性，可以与种子细胞形成“实时互动”，重塑组织和器官的结构，对组织和器官再生和功能修复至关重要。
EHS水凝胶	是一种可溶性的基底膜基质，从小鼠EHS (Engelbreth-Holm-Swarm) 肉瘤组织中提取并纯化得到。其主要成分包括层粘连蛋白、IV型胶原、巢蛋白、硫酸肝素糖蛋白，还含有转化生长因子和其他的一些生长因子。对贴壁细胞特别是一些难养的细胞，如人胚胎干细胞、神经细胞、肝细胞、黑色素瘤细胞、血管内皮细胞、毛囊上皮细胞等细培养具有促进细胞粘附和生长的作用。EHS水凝胶在4℃左右时为粘稠液体，37℃ 时水凝胶固化。使用时需要从-20℃取出一支EHS水凝胶，放在4℃过夜缓慢融化，勿用37℃水浴。故相关操作都要在冰上进行并提前一夜预冷耗材。
明胶（Gelatin）	是经胶原蛋白适度水解和热变性得到的天然生物高分子材料，其具有和胶原相似的氨基酸序列。明胶侧链上含有多种活性基团，如氨基、羧基、羟基等，多位点化学修饰的可能性使明胶受到众多水凝胶研究者的青睐。
甲基丙烯酰化明胶（GelMA）	为双键改性明胶，一种光敏性的生物材料，其可通过紫外及可见光在光引发剂作用下交联固化成胶。GelMA兼具天然和合成生物材料的特征，具有适于细胞生长和分化的三维结构、优异的生物相容性和细胞反应特性，其可替代人工基底膜或其他天然胶原蛋白水凝胶。GelMA明胶水凝胶是一种光敏性的生物材料，它是由甲基丙烯酰化明胶（GelMA）和明胶水凝胶结合而成的。这种材料具有细胞黏附位点及基质金属蛋白酶水解位点，可以良好地支持细胞的增殖及迁移。

2. GelMA水凝胶的应用

GelMA水凝胶在生物医学领域中具有广泛的应用：

细胞3D培养：GelMA水凝胶可以作为细胞培养基质，支持细胞的黏附、增殖和分化，模拟细胞的3D微环境。

组织工程：GelMA水凝胶可以作为组织工程支架，填充骨缺损或软组织缺损，促进组织的再生和修复。

生物3D打印：GelMA水凝胶常被用作生物打印的通用生物墨水。在生物打印过程中，GelMA通常与细胞、生长因子和其他生物活性物质混合，然后通过3D打印技术创建具有特定结构和功能的组织工程构建物。

药物传递系统：GelMA水凝胶可以作为药物传递系统，控制药物/基因/生长因子的释放或定位，实现精准治疗。

医用敷料和手术供应材料：它们能够吸收大量的水分，并在需要时释放出来，为伤口提供良好的湿润环境，促进伤口的愈合。同时，水凝胶还可以作为手术止血剂。

3. 部分市售凝胶从3D打印的角度进行比较

凝胶材料可以在常规实验室中合成，但是在成分和机械性能方面容易出现批次间差异，购买商业生产的可确保结果的可重复性。

公司名称	产品名称	水凝胶类型、成分和性质	应用说明和特性
BIOGELX	BiogelxTM-INK-S（生物凝胶TM-INK-S）	一种合成肽水凝胶墨水	这种墨水呈现出与温度和pH值变化无关的凝胶化。
	BiogelxTM-INK-精氨酸-甘氨酸-Asp （RGD）	一种纤连蛋白功能化合成肽水凝胶油墨	凝胶化与温度和pH值的变化无关。该油墨还采用精氨酸、甘氨酸和天冬氨酸三肽作为表面配体，以增强功能。
	BiogelxTM-INK-GFOGER	胶原功能化合成肽	凝胶化与温度和pH值无关。为了实现增强的功能，GFOGER的六肽被用作增强功能的表面配体。
Manchester BIOGEL	PeptiInks®	中性或带电。纤连蛋白、层粘连蛋白或胶原蛋白 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，它可以用于基于挤出的打印机。此外，细胞的封装是可能的，因此，当直接打印时，细胞可能具有增强的结构稳定性和长期活力。
Regmat-3d	纤连蛋白	功能化合成肽水凝胶墨水	这种墨水能够通过形成纳米纤维网络来模拟细胞外基质。它具有生物相容性，可以用于不同的印刷应用，因为它的机械和化学性能可以改变。
Gelomics	明胶甲基丙烯酰（GelMA）—猪	基于猪明胶（A型）。它的特点是甲基丙烯化程度从75%到85%	该墨水可在磷酸盐缓冲盐水或（4-（2-羟乙基）-1-哌嗪乙磺酸）缓冲液中复溶，同时保持所需浓度。油墨还可以与光引发剂结合，从而使所得水解物可光交联。还实现了在体温下的稳定性。
	明胶甲基丙烯酰（GelMA—牛）	基于牛明胶（B 型）。它的特点是甲基丙烯化程度从75%到85%	与明胶甲基丙烯酰（GelMA）–猪类似，这种墨水也可以在磷酸盐缓冲盐水或（4-（2-羟乙基）-1-哌嗪乙磺酸）缓冲液中复溶，同时保持所需浓度。油墨还可以与光引发剂结合，从而使所得水解物可光交联。还实现了在体温下的稳定性。
	LunaGel™即用型	是基于牛骨或猪皮明胶的可光交联细胞外基质。这种墨水由 I、III、IV 和 V 型胶原蛋白组成。它还含有结缔组织糖蛋白和蛋白聚糖	油墨可以作为低刚度（0–6.5 kPa）或高刚度试剂盒（0–25 kPa）存在。
Brinter-bio inks	纤维蛋白原、I型胶原蛋白和明胶	-	-
Advanced Biomatrix	Lifeink® 200	pH值为7，并且是等渗的，表明其用于细胞添加和印刷	它本质上是一种中和的I型牛胶原蛋白墨水
Advanced Biomatrix	Lifeink® 240	pH值为<7（即酸性），被归类为I型胶原蛋白基墨水	它可用于神经化后产生高分辨率的胶原支架。
Corning	PuraMatrix™	I型胶原蛋白、牛或大鼠尾肌腱或人胎盘、III型胶原蛋白、人胎盘蛋白、IV型胶原蛋白、层粘连蛋白、小鼠、纤连蛋白、人、VI型胶原蛋白	它是一种合成基质，可用于为各种细胞培养实验创建3D微环境。在生理条件下，基质能够通过肽组分的自组装到3D水凝胶中进行自组装。纳米尺度的纤维结构表征了所得的 3D 水凝胶。
Cellink	Cellink fibrin	含有纤维蛋白原	该墨水能够使用凝血酶和离子结合剂形成稳定的化合物网络。Cellink 还可以在交联后提供与生理相关的伤口愈合环境。Cellink纤维蛋白还含有交联后的原位纤维蛋白和纤维蛋白原。
	GelXA ink	含有纤维蛋白原	双交联能力的存在是 GelXA 的特征;双重交联能力是通过光固化和含离子凝血酶的交联剂处理来实现的。
	Cellink gelma	GelMA A：GelMA和海藻酸盐	这种油墨具有剪切稀化流变特性，因此可以在低压下打印，以便在沉积后形成长丝。
	-	GelMA HA：	该油墨由GelMA基料、黄原胶和海藻酸盐组成，具有增强的印刷适性、易用性和稳定性。该油墨还可用于促进光引发剂辅助交联、离子交联或两者的组合。
	-	GelMA HA：	这种墨水由GelMA基和黄原胶组成
	-	GelMA C：GelMA和纳米原纤化纤维素	这种墨水由GelMA和纳米纤化纤维素组成。它的特点是在室温下印刷适性平滑，无需温度控制。该墨水还提供纤维状形态，以造福特定细胞。该油墨还能够在没有离子交联溶液的情况下通过光固化快速交联。
Cellink laminink	111、121、411、521 和LAMININK+	这种墨水由三个亚基组成——α链、β链和γ链。不同的油墨可用于不同的特化细胞，如肝细胞、心肌细胞、神经元等。	-
Bio conductink	含0.25%光引发剂（LAP）的Gleatin明胶甲基丙烯酸酯油墨	这种墨水可以导电，可用于肌肉收缩和神经组织模型。该油墨还具有对温度敏感的印刷适性	-

4. Gelomics水凝胶的介绍

Gelomics公司坐落于澳大利亚，在生物材料供应方面有自然条件、技术、质量、环保和安全性等方面的优势。经过多年的研发，gelomics提供了即用型、批间稳定的无需“冰上操作”的产品方案LunaGelTM——一款甲基丙烯酸化明胶水凝胶，具有光敏性和温敏性，可通过光照调节胶体硬度，可应用于3D细胞培养、类器官、生物打印、动物实验、血管生成、细胞侵袭等。以实惠的价格提供高质量产品服务，助力生物医学的研究和发展。

参考文献：Protein-Based 3D Biofabrication of Biomaterials.Bioengineering 2021, 8(4), 48

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