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。 |
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 |
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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