圣地亞哥德孔波斯特拉大學：3D打印海藻酸鈉鹽氣凝膠

來源 : 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構材料，這些特性使它們成為組織工程應用的理想選擇,。氣凝膠能夠模擬細胞外基質，促進細胞粘附、增殖和遷移，對于組織修復和再生具有重要意義,。通過3D打印技術，可以為患者個性化制造氣凝膠,，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Carlos A. García-González團隊研究一種3D打印的UCNPs標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構，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在氣凝膠多孔結構中的均勻分布,。圖像表明,，UCNPs的加入并未破壞氣凝膠的完整性和多孔性，反而形成了一個光滑且開放的多孔網絡,，這對于保持氣凝膠的生物相容性和促進細胞生長的特性至關重要,。此外，通過能量色散X射線光譜（EDX）分析確認了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,。這些結果證明了UCNPs成功整合到氣凝膠中，且保持了其物理化學穩(wěn)定性,。  

圖2 不同氣凝膠配方的細胞研究

通過WST-1實驗評估了與不同氣凝膠配方接觸后BALB/c 3T3細胞的活性,，結果顯示細胞活性在24小時和48小時后與陽性對照組相比沒有顯著差異，證明這些氣凝膠對細胞無毒性,，具有良好的生物相容性,。此外，對人類骨髓間充質干細胞（MSCs）的粘附情況進行了評估,，DAPI染色的共聚焦顯微鏡圖像顯示,，無論是UCNPs標記的還是未標記的氣凝膠，MSCs的粘附情況相似,，表明UCNPs的加入并不影響細胞的粘附,。這些結果強調了UCNPs標記的氣凝膠作為生物材料在細胞培養(yǎng)和組織工程應用中的潛力。   

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）、白細胞介素6（IL-6）和白細胞介素10（IL-10）的表達水平以及主要器官（脾臟,、肝臟和腎臟）的組織指數,。結果顯示，所有實驗組的TNF-α和IL-10水平與對照組相比沒有顯著差異,，且IL-6的水平未檢測到,，這表明植入的氣凝膠引發(fā)了低水平的炎癥反應。組織指數的測定也未顯示出統(tǒng)計學上的顯著差異,，表明植入的氣凝膠沒有對主要器官造成毒性,。此外，3c圖像顯示了植入后1周在植入部位形成的結締組織囊,，這表明了氣凝膠植入后的局部組織反應,。這些結果綜合反映了UCNPs標記的氣凝膠在體內的生物相容性和安全性。

圖4 通過HE染色獲得不同組織的組織學圖像

通過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圖像,。這些圖像顯示了植入部位的皮下肉芽腫性炎癥反應，主要由富含巨噬細胞,、淋巴細胞和漿細胞的炎癥細胞浸潤組成,。對照組（未植入支架的動物）顯示出最小的瘢痕反應，這與手術切口引起的輕微炎癥反應一致,。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被認為是對植入物的預期的異物反應的一部分。此外,，植入的氣凝膠周圍的結締組織囊的形成表明了正常的傷口愈合過程,，且未觀察到感染或炎癥跡象，進一步證實了UCNPs標記的氣凝膠良好的生物相容性,。   

圖5 在745 nm的激發(fā)波長和840 nm的發(fā)射波長下獲得的熒光強度圖

使用了植入了標記有UCNPs的海藻酸鹽氣凝膠的小鼠模型,，在植入后的不同時間點（手術后立即、4小時,、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，研究者能夠實時且非侵入性地監(jiān)測氣凝膠的熒光信號,。結果顯示,，熒光信號在植入部位均勻分布，并且在長達3周的監(jiān)測期內保持穩(wěn)定,，這證明了UCNPs標記的氣凝膠可以作為可追蹤的植入物,，用于長期監(jiān)測植入物在體內的生物降解過程和位置。此外，僅在植入UCNPs標記氣凝膠的小鼠的脾臟中檢測到微弱的熒光信號,，這可能表明UCNPs在體內的分布和代謝,。這些發(fā)現突顯了UCNPs在生物成像中的應用潛力，為開發(fā)新型的診療一體化植入物提供了科學依據,。   

全文總結
本文成功開發(fā)了一種3D打印的海藻酸鹽-羥基磷灰石氣凝膠,，通過整合上轉換納米顆粒（UCNPs），實現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組織再生的能力,，而且利用UCNPs的熒光特性，實現了植入后的長期實時監(jiān)測,。通過體外細胞實驗和體內動物模型驗證了其安全性和有效性,，展示了在組織工程和生物成像領域的巨大應用潛力。

文章來源：
https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2024.07.033