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酚接枝聚葡萄糖醛酸在生物墨水中的應用研究及相關問題解答

瀏覽次數:212 發布日期:2025-6-30  來源:本站 僅供參考,謝絕轉載,否則責任自負
本文開發了酚接枝聚葡萄糖醛酸(PGU-Ph),通過與酪胺共軛獲得,其水溶液可在辣根過氧化物酶(HRP)催化下凝膠化。2.0 w/v% PGU-Ph 溶液(含 5 U/mL HRP)能成功打印出形狀保真度高的水凝膠結構,包裹的小鼠成纖維細胞和人肝癌細胞打印后存活率約 95%,并存活 11 天。該研究證實 PGU-Ph 在組織工程,尤其是擠出式 3D 生物打印油墨中具有巨大潛力。

思維導圖

詳細總結
一、研究背景與目的
  • 聚葡萄糖醛酸(PGU)特性:由 Sinorhizobium meliloti M5N1CS 菌株產生的高分子量葡萄糖醛酸均聚物,具有生物相容性、免疫刺激等多種生物活性,且微生物來源使其生產不受環境因素影響。
  • 研究目的:合成酚接枝 PGU(PGU-Ph),通過 HRP 催化凝膠化制備生物墨水,應用于擠出式 3D 生物打印,評估其在組織工程中的潛力。
二、材料與方法
  • PGU 生產:在 20 L 生物反應器中培養菌株,離心、超濾純化后凍干獲得 PGU。
  • PGU-Ph 合成:在 MES 緩沖液中,通過 WSCD/NHS 活化,將酪胺共軛到 PGU 上,丙酮沉淀純化,1H NMR 和 UV-Vis 表征。
  • 性能測試
    • 流變學:HAAKE MARS III 流變儀測量剪切速率 - 粘度曲線。
    • 凝膠時間:在 48 孔板中,HRP 和 H₂O₂觸發凝膠化,磁攪拌受阻時為凝膠點。
    • 機械性能:EZ-test 測量壓縮力,計算 Young's 模量。
  • 細胞實驗:CCK-8 法評估細胞存活率,熒光染色觀察細胞形態。
  • 3D 打印:改裝 Bio X 系統,27 號針頭擠出,H₂O₂氣氛中凝膠化,評估形狀保真度和細胞 viability。
 

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三、關鍵結果
  • PGU-Ph 合成表征
    • 1H NMR:PGU-Ph 在 6.7-7.2 ppm 出現酚羥基峰。
    • UV-Vis:275 nm 處出現酚羥基特征吸收峰,Ph 含量為 3.7×10⁻⁴ mol-Ph/g PGU-Ph。
  • 溶液與凝膠特性
    • 剪切稀化:2 w/v% PGU-Ph 溶液在 1 s⁻¹ 時粘度約為 1 w/v% 的 8 倍,隨剪切速率增加粘度顯著下降。
    • 凝膠時間:2 w/v% PGU-Ph+5 U/mL HRP+1 mM H₂O₂時凝膠時間為 3.5 s,隨 PGU-Ph 和 HRP 濃度增加而縮短,隨 H₂O₂濃度增加先縮短后延長。
    • 機械性能:2 w/v% PGU-Ph hydrogel 的 Young's 模量為 2.0 kPa,隨 HRP 和 H₂O₂濃度變化呈現先升后降趨勢。
  • 細胞相容性
    • 溶液實驗:0.5 w/v% PGU-Ph 對 10T1/2 細胞線粒體活性無顯著影響,存活率與 PGU 相當,高于海藻酸鹽(Alg)。
    • 水凝膠實驗:PGU-Ph 單用水凝膠細胞粘附性低,與明膠 - Ph 混合后細胞粘附、增殖良好。
  • 3D 打印結果
    • 形狀保真度:2 w/v% PGU-Ph 墨水在 H₂O₂氣氛中可打印 2 mm 和 10 mm 高度的六邊形結構,Young's 模量為 1.5±0.2 kPa。
    • 細胞存活:10T1/2 和 HepG2 細胞打印后存活率分別為 95% 和 94%,存活 11 天,HepG2 細胞形成聚集體。
四、討論與結論
  • PGU-Ph 優勢:微生物來源易生產,HRP 催化凝膠化快速,細胞相容性好,適合 3D 生物打印。
  • 應用前景:可用于組織工程構建、藥物篩選,與明膠 - Ph 混合或引入細胞粘附配體可優化細胞行為。
  • 結論:PGU-Ph 是擠出式 3D 生物打印的有前途材料,為功能性組織構建提供新選擇。

關鍵數據表格

關鍵問題
  • 問題:PGU-Ph 是如何合成的?
    • 答案:PGU-Ph 通過酪胺與 PGU 的共軛反應合成。具體步驟為:將 PGU 溶解在 MES 緩沖液(pH 6.0)中,依次加入酪胺鹽酸鹽、NHS 和 WSCD(濃度分別為 45 mM、10 mM、20 mM),室溫攪拌 20 小時,然后用過量丙酮沉淀,90% 乙醇 + 10% 水洗滌至無游離酪胺,通過 1H NMR 和 UV-Vis 光譜確認合成成功。
  • 問題:PGU-Ph 在 3D 生物打印中的凝膠化條件是什么?
    • 答案:PGU-Ph 在 HRP 催化和 H₂O₂存在下凝膠化。最佳條件為 2.0 w/v% PGU-Ph 溶液中加入 5 U/mL HRP,在含有 8 ppm H₂O₂的空氣中擠出,凝膠時間可縮短至 3.5 秒,形成的水凝膠 Young's 模量為 1.5±0.2 kPa,具有良好的形狀保真度。
  • 問題:PGU-Ph 的細胞相容性如何證明?
    • 答案:通過細胞存活率和形態觀察證明。10T1/2 細胞在 0.5 w/v% PGU-Ph 溶液中培養 24 小時后,線粒體活性與 PGU 組無顯著差異(p=0.45),且高于 Alg 組(p<0.03)。打印后 1 天,包裹的 10T1/2 和 HepG2 細胞存活率分別為 95% 和 94%,并存活 11 天,HepG2 細胞在水凝膠中形成聚集體,證明 PGU-Ph 具有良好的細胞相容性。

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