水凝胶在生物医学领域的应用

水凝胶是生物材料研究的主要课题之一。水凝胶是一种三维聚合物网络，由于其结构中存在亲水基团，能够吸收体内大量的水或生物液体。

根据聚合物的类型，水凝胶可分为两类：天然水凝胶和合成水凝胶。天然聚合物包括多糖及其蛋白质，广泛用作释放物质的载体。临床应用中使用的天然水凝胶包括藻酸盐、胶原蛋白、明胶和纤维蛋白。合成水凝胶是疏水性的。在机械结构和化学成分方面，它们优于天然水凝胶。这些聚合物包括聚丙烯酰胺及其衍生物、聚乙烯醇和聚乙二醇(PEG)。PEG 是常用的聚合物之一，用于各种医疗应用中的合成氢化，例如药物输送、组织工程、骨假体和伤口敷料。合成水凝胶因其生物相容性、不刺激免疫系统和抗蛋白质吸附等特性而被用于各种医疗应用。

水凝胶在生物医学中的应用

用于组织工程的水凝胶

高水合聚合物网络的水凝胶与ECM类似，在组织工程和再生医学应用中引起了广泛关注。它们可以用作空间填充剂、生物活性物质的输送载体或组织细胞并提供刺激以确保所需组织发育的三维结构。迄今为止，源自天然或合成聚合物的各种类型的水凝胶已被用于重建有缺陷的皮质骨关节或关节软骨组织。

用于组织工程的水凝胶

用于伤口敷料的水凝胶

水凝胶广泛用作清创剂、湿润敷料和伤口护理的糊剂成分。然而，它们不需要更多的伤口液体即可变成凝胶，并且适合干伤口。

水凝胶所谓的“水分供体”功能有助于自溶清创，增加胶原酶的产生和坏死伤口的水分含量。它们可以通过交联聚合物链的扩展吸收并保留凝胶中受污染的渗出液，从而隔离液体中的细菌、碎片和气味分子。它们的高含水量使得蒸汽和氧气能够传输到伤口，例如压疮、腿部溃疡、手术和坏死伤口、撕裂伤和烧伤。由于其冷却和保湿作用，它们似乎在单独或与其他产品结合使用的紧急烧伤治疗中发挥着重要作用。水凝胶敷料也用于肉芽空洞伤口。无定形凝胶通常每天重新涂抹，而片状水凝胶通常每周更换 2-3 次。

Table.作为伤口敷料的水凝胶和水凝胶片的示例。

用于药物输送的水凝胶

为了递送药物，水凝胶的多孔结构可以提供载药基质，同时保护药物免受恶劣环境的影响。此外，可以通过改变凝胶基质的交联密度来控制这种孔隙率。释放速率是药物载体的另一个重要参数，主要取决于分子通过凝胶网络的扩散系数，也可以根据具体要求进行调整。通过设计水凝胶的某些化学和物理结构，可以获得生物相容性和生物可降解性。所有这些特性赋予水凝胶药物输送巨大的潜力。

用于药物输送的水凝胶的成功例子之一是 Cervidil®，这是一种用于宫颈成熟的阴道插入物，自 1995 年以来一直在市场上销售。这种控释制剂已被用于在或接近分娩的患者中引产或引产。交货时间。每个插入物在 271 毫克交联聚环氧乙烷/聚氨酯聚合物中含有 10 毫克地诺前列酮（前列腺素 E2 或 PGE2），在 12 小时内以大约 0.3 毫克/小时的速度输送。当放置在潮湿的阴道环境中时，水凝胶膨胀会触发药物释放。

通过储库系统中的水凝胶膜释放药物的方案。

水凝胶广泛存在于日常产品中，但其潜力尚未得到充分开发。这些材料在隐形眼镜、卫生用品和伤口敷料市场中发挥了良好的作用，但在组织工程和药物输送方面的商用水凝胶产品仍然有限。人们已经设计和研究了许多基于水凝胶的药物输送装置和支架，预计这两个领域将取得更多进展。在药物递送和组织工程中使用水凝胶的商业产品有限，在一定程度上与其高生产成本有关。

可编程宿主反应的糖胺聚糖基水凝胶介绍

1.简介

三（2-羧乙基）膦（TCEP）和N-（2-氨基乙基）马来酰亚胺三fu乙酸盐购自 西格玛-奥尔德里奇.聚合物水凝胶作为瞬时人工细胞外基质（ECM）替代品广泛用于组织工程技术中，以提供机械支持、细胞粘附位点、细胞响应重塑以及营养物质和代谢物的运输[3-5]。基于糖胺聚糖（GAG）的聚合物网络已成为一种特别强大的水凝胶变体，因为它们允许细胞因子的仿生给药以指导细胞命运决定[6]。为了利用由此产生的选择，我们之前开发了一种基于GAG的水凝胶的理论驱动设计概念，能够独立调节多个细胞指导性基质线索[7]： 由多臂（星形）聚乙二醇（星形PEG）和GAG肝素形成的生物杂化水凝胶通过掺入基质金属蛋白酶敏感（MMP）肽进行交联，以实现细胞响应性重塑和整合素结合RGD肽以控制细胞粘附[8-12]。改变星形PEG与肝素的摩尔比和反应混合物的固体含量，为在水凝胶生物活性成分的固定浓度下调节交联度和机械材料性能创造了选择[7，12-14]。带高度负电荷的GAG肝素与大量不同化学因子和生长因子的非共价络合物相吻合，包括血管内皮生长因子（VEGFa），成纤维细胞生长因子2（FGF2）， 基质细胞衍生因子（SDF1α）[10，15–23]。合理设计的星形PEG-GAG水凝胶可以使用不同的交联反应形成：GAG的羧酸基团和胺封端的星型PEG肽单元之间的同肽键可以通过活性酯（碳化二亚胺）化学形成[13]。或者，马来酰亚胺官能化的GAG可以用硫醇封端的星型PEG偶联物使用迈克尔型加成反应方案转化[12]。后一种方法允许细胞和组织兼容的原位凝胶，因此适用于微创植入技术。 GAG的羧酸基团与胺封端的星型PEG肽单元之间的同肽键可以通过活性酯（碳化二亚胺）化学形成[13]。或者，马来酰亚胺官能化的GAG可以用硫醇封端的星型PEG偶联物使用迈克尔型加成反应方案转化[12]。后一种方法允许细胞和组织兼容的原位凝胶，因此适用于微创植入技术。 GAG的羧酸基团与胺封端的星型PEG肽单元之间的同肽键可以通过活性酯（碳化二亚胺）化学形成[13]。或者，马来酰亚胺官能化的GAG可以用硫醇封端的星型PEG偶联物使用迈克尔型加成反应方案转化[12]。后一种方法允许细胞和组织兼容的原位凝胶，因此适用于微创植入技术。

虽然以前的体内研究一直在探索星形PEG-GAG水凝胶的生物医学应用，包括祖细胞在缺血组织中的积累[10]，慢性皮肤伤口的抗炎治疗和愈合[24，25]以及帕金森病的新细胞移植策略[20]，但他们主要关注材料的细胞指导特性，没有研究宿主对植入物的反应。植入后，所有生物材料都会不同程度地诱导异物反应，并消除它们与宿主组织的相互作用[26]。 据报道，降解和细胞浸润速率（作为组织重建的第一阶段）以及材料的动态变化物理性质及其呈现可溶性介质分子（特别是生长因子）的能力决定了植入物的命运[28]。皮下注射时，不含GAG成分的纯PEG水凝胶可诱发显著炎症反应，掺入RGD细胞粘附配体可部分减弱炎症反应[29，30]。此外，PEG水凝胶已加载各种类型的生长因子，以促进所需的促再生过程，例如血管形成（VEG Fa）[31]或骨修复（骨形态发生蛋白-2（BMP-2））[27]。然而 到目前为止，还没有研究评估原位组装星形PEG-GAG水凝胶的异物反应，由于掺入的GAG单元作为高亲和力结合位点，可持续地提供生长因子，并允许独立调整物理网络特性，粘附性和细胞响应重塑。作为细胞外基质的组成部分，GAG在活组织中实现许多不同的功能。它们创建信号介质库并调节其功能，在胚胎发生和发育[32，33]，体内平衡[34]，炎症[35]，肿瘤形成和进展[36]中发挥多方面作用。提到基于GAG的细胞指导材料的重要性， 本研究旨在系统地评估宿主对具有不同物理和粘附特性、生物降解特性和促血管生成生长因子功能化的模块化原位形成starPEG-GAG水凝胶的反应模式。选择野生型免疫功能正常小鼠（C57BL/6J）皮下植入作为代表性模型[37-40]。对皮下植入材料的免疫和血管生成反应通过组织学确定，包括H&E，CD31和CD68染色。通过评估材料的细胞浸润和邻近组织的血管化来评估靶组织中水凝胶的整合。报告数据证明了优异的组织相容性， 建议使用可调原位组装星形PEG-GAG水凝胶，用于安全有效的体内组织工程应用。

2.材料和方法

2.1.半胱氨酸封端PEG-（MMP）的合成与纯化4

如前所述，合成了PEG-肽偶联物（PEG-（MMP）4）[12]。简而言之，在肽合成器（Activo P14，Activotec）上采用标准Fmoc固相法合成了MMP可切割的Ac-GGPQGIWGQG-GCG-NH2（MMP）肽，并通过分析HPLC色谱法（1100系列;安捷伦科技）和 MALDI 质谱（布鲁克达尔托尼克有限公司）。接下来，将500mg四臂马来酰亚胺封端的PEG-（马来酰亚胺）4（MW 10000）溶解在5ml水中，并与溶解在5ml水中的350mgMMP肽（过量5%）混合。接着，加入5ml磷酸盐缓冲液pH 7.4。通过加入1M NaOH将反应混合物的pH调节至pH 7.5–8。反应在N2气氛下运行5 h，反应完成后进行HPLC。 为了去除StBu保护基团，将摩尔过量（肽）TCEP溶液（pH 7-8）加入反应混合物中，并在室温下搅拌数小时。接下来，将反应混合物蒸发，溶于水中，并通过制备型HPLC纯化。从HPLC收集产物，与0.1ml 1M HCl混合并冷冻干燥至少24小时。将所得的白色粉末形式的PEG-肽偶联物（PEG-（MMP）4）储存在-20°C。1毫升1M HCl并冷冻干燥至少24小时。将所得的白色粉末形式的PEG-肽偶联物（PEG-（MMP）4）储存在-20°C。1毫升1M HCl并冷冻干燥至少24小时。将所得的白色粉末形式的PEG-肽偶联物（PEG-（MMP）4）储存在-20°C。

2.2.肝素-马来酰亚胺偶联物的合成纯化

所有肝素马来酰亚胺偶联物均如前所述合成[12，41]。简而言之，将三倍摩尔过量的EDC和1.5倍摩尔过量的sNHS（指马来酰亚胺）加入溶解在3ml超纯水中的0.5g肝素溶液中。将反应混合物在4°C下保持20分钟。接着，将溶解在超纯水中（4°C）中的N-（2-氨基乙基）马来酰亚胺三fu乙酸盐加入到反应混合物中并在室温下搅拌过夜。通过透析（分子量截止值为8kDa的膜）对1 l的1 M氯化钠纯化3次偶联物，然后用1 l水透析5次，以除去任何未反应的马来酰亚胺。然后将产物冷冻干燥至少24小时并储存在-20°C。 形成的偶联物的纯度和反应性由HPSEC（1100系列;安捷伦科技公司）。
用于肽合成的所有溶剂和试剂均购自IRIS Biotech GmbH.Tris（2-羧乙基）膦（TCEP）和N-（2-氨基乙基）马来酰亚胺三fu乙酸盐购自Sigma-Aldrich。四臂马来酰亚胺封端聚乙二醇（Mn=10.0×103;PDI = 1.06）购自JenKem Technology USA Inc.所有试剂均按原样使用，未经初步纯化。

2.3.水凝胶制备

如前所述制备水凝胶[9]。凝胶制备与体内植入在同一天进行。简而言之，将10mg肝素 – 马来酰亚胺偶联物（MW 15000）溶解在107μl磷酸盐缓冲盐水（PBS）（生物色素）中。将肝素溶液在冰上冷却，并以3mM的终浓度加入0.79mg cRGD（国际肽）中。肝素-RGD溶液与小鼠重组生长因子（VEG Fa，FGF2或SDF1α;培普罗科技）。每个植入物的最终生长因子量是变化的，如表1所示。10mg的PEG-MMP偶联物（MW 15920）或PEG（MW 15000），溶解在372μlPBS中。肝素-RGD溶液与PEG或PEG-MMP偶联液以1∶1的比例轻轻混合， 并将30μl溶液迅速夹在两个涂有Sigmacote（Sigma-Aldrich）的5mm玻璃盖玻片之间。凝胶在室温下在一分钟内形成。交联后，除去盖玻片，留下圆盘状水凝胶。将每个凝胶盘立即浸入400μlPBS中以防止脱水，并储存在4°C直至植入。

2.4.流变学

通过在装有25 mm平行板几何形状的旋转流变仪（Ares LN2，TA仪器）上进行的膨胀凝胶盘上的振荡测量来确定水凝胶的存储模量。频率扫描在25 °C下进行，剪切频率范围为100-102 rad/s，应变幅度为2%。储能模量和损耗模量均作为剪切频率的函数进行测量。由于水凝胶的弹性，损耗模量比储能模量低几个数量级，并且低于流变仪的测量极限。存储模量的平均值是通过至少三个独立实验计算的，每个实验包括三个技术重复。为了评估胶原酶降解对储能模量的影响， 在4°C下形成水凝胶，加入1U / mlIV型胶原酶（生物色素），以1Hz扫描，直到没有进一步增加的刚度。然后将温度升高至37°C以激活胶原酶，并继续1Hz扫描直至植入物降解。

2.5.动物和外科手术

所有动物护理和实验程序均由萨克森州区域办事处（Landesdirektion Sachsen）动物护理和使用委员会以及德累斯顿工业大学机构动物护理和使用委员会（24-9168.11-6/2012-1）批准。将C57BL / 6 J OlaHsd菌株（Harlan Laboratories GmbH）的12周龄雄性小鼠饲养在单通风笼中（每笼3-4只小鼠）。
在手术前，通过腹膜内注射lv胺酮100mg / kg和甲苯噻嗪10mg / kg对小鼠进行称重和麻醉。将动物的背部剃光并用乙醇消毒。通过将水凝胶盘插入皮下的小口袋中并用缝合线闭合皮肤来皮下植入。植入硅盘（硅橡胶MDX4-4210生物医用级弹性体，道康宁）作为对照。每只小鼠在背部的右侧和左侧获得两个植入物。两种植入物中的一种含有生长因子。实验装置包括每个条件八只小鼠，尽管并非所有水凝胶支架都可以在实验结束时取回。监测所有小鼠，直到它们从麻醉中恢复。在 7 天或 28 天时， 小鼠通过CO2窒息和颈椎脱位死亡。将植入物和全层真皮组织的相邻区域一起切除，并立即固定在10%缓冲的福尔马林（Fisher Scientific）中以进行后续分析。

2.6.组织学

对固定的组织样品进行自动化组织处理，包括在乙醇和二甲苯溶液中逐渐脱水。之后，将样品嵌入石蜡块（Paraplast Plus）中，并使用旋转切片机切割矢状切片，包括相邻的修复组织，并使用亲和素-生物素-过氧化物酶复合物（ABC）技术和二氨基联苯胺（DAB）底物试剂用CD31和CD68抗体染色。此外，所有切片均用苏木精-伊红（H&E）染色（细胞核-蓝色;细胞质，弹性蛋白和胶原粉红色）染色。使用自动玻片扫描仪Axio Scan.Z1和Plan-Aurochromat 20×/0.8 M27（蔡司）观察和拍摄染色切片。

2.7.图像分析

使用ImageJ分析图像。根据表2，从盲图像1到5对水凝胶的降解进行评分。通过反复测量与植入物相邻处形成的囊的宽度来评估异物反应。对血管生成的影响被量化为重塑水凝胶内肉瘤下方组织或直接相邻组织中可见的CD31阳性血管。

2.8.统计分析

在所有体外实验中，测试了来自每个水凝胶的至少三个样品。数据以平均值±标准差（SD）表示。通过单因素方差分析（ANOVA）进行统计分析。数据以平均值±标准差（SD）表示。统计分析通过单因素方差分析（ANOVA）进行，如果没有其他描述。任何小于 0.05 的 P 值都具有统计学意义。

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