华南理工大学曹晓东、董华团队《先进功能材料》：具有可注射和自组装功能的微凝胶用于软骨修复新策略

原创： 高分子科学前沿

干细胞注射和组织工程（如MACI技术）是目前治疗软骨缺损的主要方法，但它们均存在明显不足：如干细胞注射后细胞滞留率和存活率低；MACI技术会造成较大的手术创面，且难以完整填充不规则缺损等。传统可注射水凝胶虽然可以实现微创治疗并有效填充不规则缺损，但细胞在注射过程中会受到较大的剪切应力，除此之外，凝固后的水凝胶支架内部没有大孔结构，营养供给不充分，这些都容易引起细胞凋亡，影响软骨再生。针对上述问题，华南理工大学曹晓东教授和董华教授团队基于bottom-up的理念，提出了软骨修复的新策略（图1）。该策略的主要思路如下：将巯基化明胶 (Gel-SH)、乙烯砜化透明质酸 (HA-VS) 和间充质干细胞（BMSCs）在微流控芯片中共混，通过thiol-Michael加成反应形成包载BMSCs的可注射Gel-HA微凝胶（图2和图3）；培养一段时间后(图4)，将此微凝胶注射到组织缺损位置，由于此时绝大多数干细胞都被微凝胶包裹，因而注射后的细胞滞留率和存活率较高（图5），待干细胞在体内大量增殖后，微凝胶借助其表面干细胞间的相互作用可自组装成大孔微凝胶支架，而后进一步分化成类软骨组织（图6）。该策略很好地解决了现有软骨修复方法存在的诸多问题，为软骨修复提供了一个全新的思路。

图1：基于干细胞载体Gel-HA微凝胶的软骨修复策略示意图。

(a) 以Gel-SH和HA-VS为预聚物，通过thiol-Michael加成反应，采用微流控技术制备包载BMSCs的Gel-HA微凝胶；(b) 体外培养包载BMSCs的微凝胶；(c) 包载BMSCs的微凝胶注射到缺损位置并以bottom-up的方式实现自组装。

图2：微凝胶材料的制备和表征

（a）Gel-SH、HA-VS和Gel-HA水凝胶的合成路线；（b）Gel-SH和HA-VS的1H NMR谱图；（c）Gel-HA水凝胶的FTIR光谱；（d-f）不同浓度的HA-VS / Gel-SH的Gel-HA水凝胶的物理表征，包括（d）成胶时间，（e）应力应变曲线和（f）流变性能表征。

图3：微流控技术制备包载BMSCs的Gel-HA微凝胶

（a）在微流控芯片中制备包载BMSCs的Gel-HA微球；（b）分散相和连续相的流速比对微凝胶尺寸的影响；（c）包载BMSC的Gel-HA微凝胶的光学相片和细胞数量分布。

图4：包载BMSC的Gel-HA微凝胶的体外生物学表征。

（a）微凝胶内BMSCs的活死染色和CCK-8测定；（b）BMSCs在Gel-HA微凝胶中的分布 (按7:3的比例将Gel-HA微凝胶分为的面积相等的核层和壳层，用DAPI对细胞核染色并用CLSM观察)；（c）包载BMSC的Gel-HA微凝胶的免疫组化染色和mRNA表达测试（在mRNA表达图中，黑色代表没有在软骨诱导培养基中培养的未包封在微凝胶中的BMSCs，红色代表没有在软骨诱导培养基中培养的包封在微凝胶中的BMSCs，蓝色代表在软骨诱导培养基中培养的包封在微凝胶中的BMSCs）。

图5：包载BMSCs的Gel-HA微凝胶在体外实现可注射和自组装

a）将包载BMSCs的微凝胶注射进PDMS空腔模具中在体外完成自组装的过程演示；（b）在不同注射速度下，BMSCs的活死染色和定量分析；（c）微凝胶自组装体的表征：（左）在低（4×10⁶ / mL）和高（1.2×10⁷ / mL）细胞密度下，完成自组装过程的效率；（右）细胞骨架染色以及Col I、Col Ⅱ、aggrecan的免疫荧光染色。

图6：包载BMSCs的Gel-HA微凝胶在动物体内实现可注射和自组装

(a) 体内移植体的尺寸变化：右侧为包载BMSCs的微凝胶，左侧为纯BMSCs悬液（对照组）；(b) 移植体的实物图；(c) 移植体的机械强度；(d) 通过CD31的免疫荧光染色表征移植体的血管化（CD31：红色，细胞核：蓝色）；(e) 通过Col X的免疫组化染色表征移植体的肥大化。

相关论文以“Injection and Self‐Assembly of Bioinspired Stem Cell‐Laden Gelatin/Hyaluronic Acid Hybrid Microgels Promote Cartilage Repair In Vivo”发表在《Advanced Functional Materials》。博士生冯琦为该文章第一作者，曹晓东教授和董华教授为通讯作者，华南理工大学为论文唯一完成单位。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.201906690转载仅供参考学习及传递有用信息，版权归原作者所有，如侵犯权益，请联系删除。