圣地亚哥德孔波斯特拉大学：3D打印海藻酸钠盐气凝胶

来源 : EFL生物3D打印与生物制造

气凝胶是具有高孔隙率和大表面积的纳米结构材料，这些特性使它们成为组织工程应用的理想选择。气凝胶能够模拟细胞外基质，促进细胞粘附、增殖和迁移，对于组织修复和再生具有重要意义。通过3D打印技术，可以为患者个性化制造气凝胶，这为定制治疗方案提供了新的可能性。

在本研究中，圣地亚哥德孔波斯特拉大学Carlos A. García-González团队研究一种3D打印的UCNPs标记的海藻酸盐气凝胶是一种有前景的诊疗植入物，能够用于组织工程和生物成像。

图1 UCNPs修饰气凝胶的显微分析

通过扫描电子显微镜（SEM）图像展示了不同配方的UCNPs装饰的气凝胶的微观结构，包括纯海藻酸盐气凝胶（Alg UCNPs 0.4、Alg UCNPs 0.8和AlgHA UCNPs 0.4）的形态，揭示了UCNPs在气凝胶多孔结构中的均匀分布。图像表明，UCNPs的加入并未破坏气凝胶的完整性和多孔性，反而形成了一个光滑且开放的多孔网络，这对于保持气凝胶的生物相容性和促进细胞生长的特性至关重要。此外，通过能量色散X射线光谱（EDX）分析确认了UCNPs在气凝胶中的存在，且UCNPs的粒径分布分析显示了合成后和加入气凝胶后尺寸的一致性。这些结果证明了UCNPs成功整合到气凝胶中，且保持了其物理化学稳定性。  

图2 不同气凝胶配方的细胞研究

通过WST-1实验评估了与不同气凝胶配方接触后BALB/c 3T3细胞的活性，结果显示细胞活性在24小时和48小时后与阳性对照组相比没有显著差异，证明这些气凝胶对细胞无毒性，具有良好的生物相容性。此外，对人类骨髓间充质干细胞（MSCs）的粘附情况进行了评估，DAPI染色的共聚焦显微镜图像显示，无论是UCNPs标记的还是未标记的气凝胶，MSCs的粘附情况相似，表明UCNPs的加入并不影响细胞的粘附。这些结果强调了UCNPs标记的气凝胶作为生物材料在细胞培养和组织工程应用中的潜力。   

图3 不同气凝胶制剂(分别为Alg, Alg UCNPs 0.8或AlgHA UCNPs 0.4)皮下植入一周后的测试

如图3所示，汇总了小鼠和大鼠在不同气凝胶配方（Alg、Alg UCNPs 0.8和AlgHA UCNPs 0.4）皮下植入1周后，血浆中肿瘤坏死因子α（TNF-α）、白细胞介素6（IL-6）和白细胞介素10（IL-10）的表达水平以及主要器官（脾脏、肝脏和肾脏）的组织指数。结果显示，所有实验组的TNF-α和IL-10水平与对照组相比没有显著差异，且IL-6的水平未检测到，这表明植入的气凝胶引发了低水平的炎症反应。组织指数的测定也未显示出统计学上的显著差异，表明植入的气凝胶没有对主要器官造成毒性。此外，3c图像显示了植入后1周在植入部位形成的结缔组织囊，这表明了气凝胶植入后的局部组织反应。这些结果综合反映了UCNPs标记的气凝胶在体内的生物相容性和安全性。

图4 通过HE染色获得不同组织的组织学图像

通过H&E染色展示了小鼠和大鼠在皮下植入不同气凝胶配方（Alg、Alg UCNPs 0.8和AlgHA UCNPs 0.4）1周后，皮肤、脾脏、肝脏和肾脏组织的组织学图像。这些图像显示了植入部位的皮下肉芽肿性炎症反应，主要由富含巨噬细胞、淋巴细胞和浆细胞的炎症细胞浸润组成。对照组（未植入支架的动物）显示出最小的瘢痕反应，这与手术切口引起的轻微炎症反应一致。研究中未观察到重大的组织异常，植入气凝胶周围的组织反应被认为是对植入物的预期的异物反应的一部分。此外，植入的气凝胶周围的结缔组织囊的形成表明了正常的伤口愈合过程，且未观察到感染或炎症迹象，进一步证实了UCNPs标记的气凝胶良好的生物相容性。   

图5 在745 nm的激发波长和840 nm的发射波长下获得的荧光强度图

使用了植入了标记有UCNPs的海藻酸盐气凝胶的小鼠模型，在植入后的不同时间点（手术后立即、4小时、1天以及1周、2周和3周）利用荧光成像系统（IVIS®）捕捉图像，研究者能够实时且非侵入性地监测气凝胶的荧光信号。结果显示，荧光信号在植入部位均匀分布，并且在长达3周的监测期内保持稳定，这证明了UCNPs标记的气凝胶可以作为可追踪的植入物，用于长期监测植入物在体内的生物降解过程和位置。此外，仅在植入UCNPs标记气凝胶的小鼠的脾脏中检测到微弱的荧光信号，这可能表明UCNPs在体内的分布和代谢。这些发现突显了UCNPs在生物成像中的应用潜力，为开发新型的诊疗一体化植入物提供了科学依据。   

全文总结
本文成功开发了一种3D打印的海藻酸盐-羟基磷灰石气凝胶，通过整合上转换纳米颗粒（UCNPs），实现了一种新型的多功能诊疗植入物。该气凝胶不仅具备了优异的生物相容性和促进组织再生的能力，而且利用UCNPs的荧光特性，实现了植入后的长期实时监测。通过体外细胞实验和体内动物模型验证了其安全性和有效性，展示了在组织工程和生物成像领域的巨大应用潜力。

文章来源：
https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2024.07.033