基于双酶交联的透明质酸水凝胶的长期干细胞3D培养系统

来源：生物医用材料杂志IOP

摘要

三维（three-dimensional，3D）干细胞培养是组织工程学的基础，目前制备高效3D细胞培养的支架材料依然是一项技术挑战。双酶催化的透明质酸水凝胶具有优异的稳定性以及良好的细胞/组织相容性，可以实现骨髓间充质干细胞的长期高活性3D培养。

研究背景

传统的二维细胞培养无法模拟实际的细胞生长环境，细胞的代谢状态，细胞外基质（ECM）蛋白的产生和形态都可能发生改变。因此，可以用于三维（3D）细胞培养的功能性支架依然在持续的探索中。天然基质的水凝胶具有较高的水含量，良好生物相容性，并且结构类似于ECM。然而，用于高效且特别是用于长时间细胞培养的3D水凝胶支架仍然缺乏。因此，制备具有良好稳定性，生物相容性和可控制的生物降解性的水凝胶来优化3D细胞培养具有深远的意义。

通过辣根过氧化物酶（HRP）和过氧化氢（H2O2）交联的苯酚基修饰化透明质酸（Hyaluronicacid–tyramine，HT）水凝胶可以显著改善凝胶的稳定性和机械强度。在这种交联体系中，HRP通过消耗H2O2作为氧化剂来催化富酚类聚合物的交联。供应H2O2的最常用方法是从外部环境直接添加H2O2溶液。然而直接添加H2O2溶液会导致局部的H2O2浓度过高和极快的胶凝速率，这会损害凝胶的相容性，均一性以及可操作性。双酶催化体系提供了一种获得均质水凝胶并克服该问题的新颖方法。该系统由两种酶组成：产生H2O2的氧化酶（例如葡萄糖氧化酶或半乳糖氧化酶）和HRP，其通过聚合物中氧化酚或苯胺基团之间的C–C或C–O交联以形成水凝胶。双酶催化体系可以在温和的环境（中性pH和37°C）下制造水凝胶，而不使用任何有害的化学交联剂。这种方法可以较好地控制水凝胶的凝胶化速率，明显改善其均一性和细胞相容性。

研究内容及主要成果

近日，郑州大学生命科学学院的关芳霞教授及姚明浩副教授团队选择胆碱氧化酶（ChOx）及其底物胆碱来产生H2O2，使用双酶催化体系（ChOx/HRP）制备HT水凝胶。胆碱和ChOx自然存在于人体中，不会引起有害反应。本实验系统评价了双酶催化系统制备的HT水凝胶，其细胞相容性和稳定性得到了显著地改善，实现了长期高效的3D干细胞培养。

图 ：骨髓间充质干细胞在HT水凝胶中的三维培养

研究意义及价值

该成果于近期在线发表于Biomedical Materials杂志。本研究提供了一种模拟细胞外基质的微纳米拓扑结构的表面修饰方案，为优化种植体系统不同部件表面的形貌特征设计提供依据。

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