AFM|4D可改变形状的水凝胶诱导高细胞密度组织

近期，美国Eben Alsberg教授团队在Advanced Fucntional Materials上发表题为“Induction of Four‐Dimensional Spatiotemporal Geometric Transformations in High Cell Density Tissues via Shape‐Changing Hydrogels”的文章。

摘要：发育和愈合的组织从细胞凝结开始。组织几何结构的时空变化，细胞空间分布的变化以及细胞外基质对于其向功能性组织的进化至关重要。4D材料——能够进行几何变化的3D材料可能具有重现上述生物学现象的潜力。但是，大多数报道的4D材料是不可降解的和/或生物相容的，从而限制了它们在再生医学中的应用，并且迄今为止，还没有控制高密度细胞凝集和分化的几何结构的系统。在此，描述了基于可变形水凝胶的4D高细胞密度组织。通过氧化和甲基丙烯酸化的藻酸盐（OMA）和甲基丙烯酸化的明胶（GelMA）的顺序光交联，制备呈现可控的几何变化而没有任何外部刺激的双层水凝胶。成纤维细胞和人类脂肪干细胞（ASC）的浓度最高为每毫升1.0×10^8细胞数量，并且与ASC分化成软骨和成骨谱系相一致，可实现可控的形状变化。通过对高密度细胞载有OMA和GelMA进行生物打印，可以形成具有定义的4D几何变化的更复杂的构建体，这可能会进一步扩展这种方法在再生医学应用中的前景。

文章简述

已经报道了几种生产4D材料和系统的技术，这些材料和系统潜在地用于引起细胞培养条件的时间几何变化的组织工程应用中。已经使用多种材料的结合或在一种材料中创建网络渐变来生成空间变化的溶胀，以将其用作几何变化的驱动力。但是，其中一些系统没有显示出生物材料的生物可降解性，而且它们都没有显示出能够精确调整构造4D形状变化或它们发生的时间范围的能力。重要的是，可生物降解和/或生物相容性4D材料中掺入的细胞的最高浓度被限制在每毫升0.5–10.0×10^6个细胞之间。这些浓度主要是数量级比发展期间存在下，在愈合过程，并在天然组织这可能是必要的工程组织中，而且这些系统都没有实现与材料中分化细胞的缩合。

为了解决当前4D系统面临的上述挑战，我们旨在设计一个新的4D生物材料平台，该平台具有随时间推移进行定制的几何变化的能力，同时允许并入具有维持活力和功能性的高密度细胞。为此，通过紫外线辐射介导的简单顺序交联将OMA和GelMA水凝胶连接起来，合成了具有不同氧化度的氧化和甲基丙烯酸藻酸盐（OMA）和GelMA，以形成双层水凝胶的基础。我们假设两种材料之间的溶胀速率的时间差异会驱动结构变形。

具体来说，与相邻的具有相对较低溶胀特性的GelMA水凝胶相比，OMA水凝胶的更高氧化度是否会导致更大的溶胀和随时间变化的形状变化，已得到检验。还评估了层厚度的作用，该作用是通过改变玻璃板模具之间的间隔物的厚度以及所掺入的细胞（即NIH3T3成纤维细胞和人脂肪组织来源的基质细胞[ASC]）的密度对系统的4D特性的作用。然后将NIH3T3和ASC以每毫升10^8细胞的高密度确定系统维持高细胞生存能力的能力。通过研究细胞与细胞以及细胞与ECM的相互作用和分化能力，评估了高细胞密度构建体的组织和功能。最后，探讨了使用两种载有细胞的聚合物组分作为生物墨水材料生物打印具有复杂初始和预编程最终几何形状的4D高细胞密度构建体的可行性。这项研究提出了一种新的，多用途的4D高细胞密度组织凝结系统，该系统基于可生物降解和细胞相容性材料，能够随着时间的流逝精确地控制几何变化以及功能性4D组织构造的发展。

打印支架各种性能表征

打印结构的4D变形

参考文献
Lee Y B ,  Jeon O ,  Lee S J , et al. Induction of Four‐Dimensional Spatiotemporal Geometric Transformations in High Cell Density Tissues via Shape‐Changing Hydrogels[J]. Advanced Functional Materials, 2021.

https://doi.org/10.1002/adfm.202010104（点击文末阅读原文查看英文原文）

文章来源：https://mp.weixin.qq.com/s/nL5uB6dF8qsQF83l30lIag

文章来源：微信公众号  上普生物