“水凝膠”小課堂

時間：2023-11-14閱讀：546

生物材料的研發和應用，對于改善和提升人類生活質量具有重要意義。例如，通過研究和開發新型生物材料，可以解決一些傳統醫學方法無法解決的問題，如組織缺損修復、誘導再生、等，也可以用于制造醫療器械、藥物載體等，為人類健康提供了重要的支持。

水凝膠作為生物材料中的一種，具有多種優勢和特點。首先，水凝膠具有三維網絡結構，能夠提供類似細胞外基質（ECM）的微環境，為細胞提供接近動物體內的生長環境，用于3D細胞培養。其次，水凝膠具有很好的生物相容性和生物活性，可以被生物降解，在體內降解為無害的物質。同時，一些凝膠材料還可以與生物分子結合，如蛋白質、DNA等，從而進一步增強其生物活性和應用范圍。此外，水凝膠還具有很好的物理化學性質，如可塑性、可調性等，可以用于制備各種形狀和大小的生物材料。由于凝膠具有多孔結構，也可以用于藥物輸送、組織工程、生物成像和生物檢測等方面。

1. 膠膠分不清楚：

基于水凝膠的應用拓展，各種“膠"結尾的名詞及產品出現的概率也增加了，Pubmed上檢索到的與水凝膠相關的文獻累計約63965篇。即便尚未從事相關領域的同行們也會互相閑聊幾句，但是一細究，這模糊的詞義就讓人淺嘗輒止。以下列出了常見的各種“膠"，讓學習與討論更絲滑：

名稱	釋義
細胞外基質（Extracellular matrix，簡稱ECM）	指多細胞有機體中，細胞周圍由多種大分子組成的復雜網絡。這些大分子包括膠原蛋白、彈力蛋白、黏附性糖蛋白、整合素、蛋白多糖等。它們在維持組織結構、調節細胞生長、分化、遷移、識別、附著以及細胞間通信等方面發揮著重要作用。
水凝膠	是一種由親水性聚合物交聯得到的含有大量水分的軟材料。由于其含水量大、充分吸水卻不溶于水、質地柔軟且有生物相容性，相比其他材料更加接近細胞外基質。水凝膠有多種分類方法，根據水凝膠的合成材料進行分類，可分為明膠水凝膠、溫水凝膠、多糖水凝膠、透明質酸水凝膠、葡聚糖水凝膠、共聚物水凝膠等。
dECM水凝膠	是去細胞外基質水凝膠，dECM水凝膠通過脫細胞方法獲得的天然組織的脫細胞支架，經過研磨、酶消化等處理后形成的水凝膠。這種水凝膠保留了組織或器官的三維結構和一些天然纖維成分，具有生物活性、生物相容性和非免疫原性，可以與種子細胞形成“實時互動"，重塑組織和器官的結構，對組織和器官再生和功能修復至關重要。
EHS水凝膠	是一種可溶性的基底膜基質，從小鼠EHS (Engelbreth-Holm-Swarm) 肉瘤組織中提取并純化得到。其主要成分包括層粘連蛋白、IV型膠原、巢蛋白、硫酸肝素糖蛋白，還含有轉化生長因子和其他的一些生長因子。對貼壁細胞特別是一些難養的細胞，如人胚胎干細胞、神經細胞、肝細胞、黑色素瘤細胞、血管內皮細胞、毛囊上皮細胞等細培養具有促進細胞粘附和生長的作用。EHS水凝膠在4℃左右時為粘稠液體，37℃ 時水凝膠固化。使用時需要從-20℃取出一支EHS水凝膠，放在4℃過夜緩慢融化，勿用37℃水浴。故相關操作都要在冰上進行并提前一夜預冷耗材。
明膠（Gelatin）	是經膠原蛋白適度水解和熱變性得到的天然生物高分子材料，其具有和膠原相似的氨基酸序列。明膠側鏈上含有多種活性基團，如氨基、羧基、羥基等，多位點化學修飾的可能性使明膠受到眾多水凝膠研究者的青睞。
甲基丙烯酰化明膠（GelMA）	為雙鍵改性明膠，一種光敏性的生物材料，其可通過紫外及可見光在光引發劑作用下交聯固化成膠。GelMA兼具天然和合成生物材料的特征，具有適于細胞生長和分化的三維結構、優異的生物相容性和細胞反應特性，其可替代人工基底膜或其他天然膠原蛋白水凝膠。GelMA明膠水凝膠是一種光敏性的生物材料，它是由甲基丙烯酰化明膠（GelMA）和明膠水凝膠結合而成的。這種材料具有細胞黏附位點及基質金屬蛋白酶水解位點，可以良好地支持細胞的增殖及遷移。

2、 GelMA水凝膠的應用

GelMA水凝膠在生物醫學領域中具有廣泛的應用：

細胞3D培養：GelMA水凝膠可以作為細胞培養基質，支持細胞的黏附、增殖和分化，模擬細胞的3D微環境。

組織工程：GelMA水凝膠可以作為組織工程支架，填充骨缺損或軟組織缺損，促進組織的再生和修復。

生物3D打印：GelMA水凝膠常被用作生物打印的通用生物墨水。在生物打印過程中，GelMA通常與細胞、生長因子和其他生物活性物質混合，然后通過3D打印技術創建具有特定結構和功能的組織工程構建物。

藥物傳遞系統：GelMA水凝膠可以作為藥物傳遞系統，控制藥物/基因/生長因子的釋放或定位，實現精準治療。

醫用敷料和手術供應材料：它們能夠吸收大量的水分，并在需要時釋放出來，為傷口提供良好的濕潤環境，促進傷口的愈合。同時，水凝膠還可以作為手術止血劑。

3. 部分市售凝膠從3D打印的角度進行比較

凝膠材料可以在常規實驗室中合成，但是在成分和機械性能方面容易出現批次間差異，購買商業生產的可確保結果的可重復性。

公司名稱	產品名稱	水凝膠類型、成分和性質	應用說明和特性
BIOGELX	BiogelxTM-INK-S（生物凝膠TM-INK-S）	一種合成肽水凝膠墨水	這種墨水呈現出與溫度和pH值變化無關的凝膠化。
	BiogelxTM-INK-精氨酸-甘氨酸-Asp （RGD）	一種纖連蛋白功能化合成肽水凝膠油墨	凝膠化與溫度和pH值的變化無關。該油墨還采用精氨酸、甘氨酸和天冬氨酸三肽作為表面配體，以增強功能。
	BiogelxTM-INK-GFOGER	膠原功能化合成肽	凝膠化與溫度和pH值無關。為了實現增強的功能，GFOGER的六肽被用作增強功能的表面配體。
Manchester BIOGEL	PeptiInks®	中性或帶電。纖連蛋白、層粘連蛋白或膠原蛋白 Alpha 1，G′ （kPa） = 5 α 2，G′ （kPa） = 10 α 4，G′ （kPa） = 1 功能化 = RGD、IKVAV、YIGSR、GOFGER	由于剪切稀化特性，它可以用于基于擠出的打印機。此外，細胞的封裝是可能的，因此，當直接打印時，細胞可能具有增強的結構穩定性和長期活力。
Regmat-3d	纖連蛋白	功能化合成肽水凝膠墨水	這種墨水能夠通過形成納米纖維網絡來模擬細胞外基質。它具有生物相容性，可以用于不同的印刷應用，因為它的機械和化學性能可以改變。
Gelomics	明膠甲基丙烯酰（GelMA）—豬	基于豬明膠（A型）。它的特點是甲基丙烯化程度從75%到85%	該墨水可在磷酸鹽緩沖鹽水或緩沖液中復溶，同時保持所需濃度。油墨還可以與光引發劑結合，從而使所得水解物可光交聯。還實現了在體溫下的穩定性。
	明膠甲基丙烯酰（GelMA—牛）	基于牛明膠（B 型）。它的特點是甲基丙烯化程度從75%到85%	與明膠甲基丙烯酰（GelMA）–豬類似，這種墨水也可以在磷酸鹽緩沖鹽水或緩沖液中復溶，同時保持所需濃度。油墨還可以與光引發劑結合，從而使所得水解物可光交聯。還實現了在體溫下的穩定性。
	LunaGel™即用型	是基于牛骨或豬皮明膠的可光交聯細胞外基質。這種墨水由 I、III、IV 和 V 型膠原蛋白組成。它還含有結締組織糖蛋白和蛋白聚糖	油墨可以作為低剛度（0–6.5 kPa）或高剛度試劑盒（0–25 kPa）存在。
Brinter-bio inks	纖維蛋白原、I型膠原蛋白和明膠	-	-
Advanced Biomatrix	Lifeink® 200	pH值為7，并且是等滲的，表明其用于細胞添加和印刷	它本質上是一種中和的I型牛膠原蛋白墨水
Advanced Biomatrix	Lifeink® 240	pH值為<7（即酸性），被歸類為I型膠原蛋白基墨水	它可用于神經化后產生高分辨率的膠原支架。
Corning	PuraMatrix™	I型膠原蛋白、牛或大鼠尾肌腱或人胎盤、III型膠原蛋白、人胎盤蛋白、IV型膠原蛋白、層粘連蛋白、小鼠、纖連蛋白、人、VI型膠原蛋白	它是一種合成基質，可用于為各種細胞培養實驗創建3D微環境。在生理條件下，基質能夠通過肽組分的自組裝到3D水凝膠中進行自組裝。納米尺度的纖維結構表征了所得的 3D 水凝膠。
Cellink	Cellink fibrin	含有纖維蛋白原	該墨水能夠使用凝血酶和離子結合劑形成穩定的化合物網絡。Cellink 還可以在交聯后提供與生理相關的傷口愈合環境。Cellink纖維蛋白還含有交聯后的原位纖維蛋白和纖維蛋白原。
	GelXA ink	含有纖維蛋白原	雙交聯能力的存在是 GelXA 的特征;雙重交聯能力是通過光固化和含離子凝血酶的交聯劑處理來實現的。
	Cellink gelma	GelMA A：GelMA和海藻酸鹽	這種油墨具有剪切稀化流變特性，因此可以在低壓下打印，以便在沉積后形成長絲。
	-	GelMA HA：	該油墨由GelMA基料、黃原膠和海藻酸鹽組成，具有增強的印刷適性、易用性和穩定性。該油墨還可用于促進光引發劑輔助交聯、離子交聯或兩者的組合。
	-	GelMA HA：	這種墨水由GelMA基和黃原膠組成
	-	GelMA C：GelMA和納米原纖化纖維素	這種墨水由GelMA和納米纖化纖維素組成。它的特點是在室溫下印刷適性平滑，無需溫度控制。該墨水還提供纖維狀形態，以造福特定細胞。該油墨還能夠在沒有離子交聯溶液的情況下通過光固化快速交聯。
Cellink laminink	111、121、411、521 和LAMININK+	這種墨水由三個亞基組成——α鏈、β鏈和γ鏈。不同的油墨可用于不同的特化細胞，如肝細胞、心肌細胞、神經元等。	-
Bio conductink	含0.25%光引發劑（LAP）的Gleatin明膠甲基丙烯酸酯油墨	這種墨水可以導電，可用于肌肉收縮和神經組織模型。該油墨還具有對溫度敏感的印刷適性	-

4、Gelomics水凝膠的介紹

Gelomics公司坐落于澳大利亞，在生物材料供應方面有自然條件、技術、質量、環保和安全性等方面的優勢。經過多年的研發，gelomics提供了即用型、批間穩定的無需“冰上操作"的產品方案LunaGelTM——一款甲基丙烯酸化明膠水凝膠，具有光敏性和溫敏性，可通過光照調節膠體硬度，可應用于3D細胞培養、類器官、生物打印、動物實驗、血管生成、細胞侵襲等。以實惠的價格提供高質量產品服務，助力生物醫學的研究和發展。

參考文獻：Protein-Based 3D Biofabrication of Biomaterials.Bioengineering 2021, 8(4), 48

上海漢堯儀器設備有限公司

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