GelMA水凝胶微球用于再生医学研究的相关应用

 

一、细胞3D培养
 

相比传统的细胞培养模式，具有较高比表面结构的GelMA微球可为细胞提供更多的更多的增殖分化空间，进而准确模拟组织微环境。如负载癌细胞构建体外肿瘤模型，用于病理研究或高通量药物筛选等。

1. Small：电场辅助生物打印载细胞GelMA微球

材料：GelMA、间充质干细胞(BMSC)

方法：研究者开发了基于电场辅助的微球生物打印方法，通过高压电场的吸附，从喷嘴中拉出微液滴，油相的接收装置收集后，使用可见光即可高效批量固化载细胞微球。

结果：载BMSC的微球第二天就有很好的伸展发育，第三天就完全伸展发育。将载细胞微球作为成形单元，通过控制喷头有序移动可直接实现3D载细胞结构的打印。

2. Acta Biomaterialia：HAMA+GelMA复合凝胶微球3D共培养肿瘤模型用于药物筛选

材料：聚苯乙烯、甲基丙烯酰化透明质酸(HAMA)、GelMA

方法：在超疏水聚苯乙烯修饰的界面上，利用HAMA和GelMA光交联，复合构建微凝胶生物反应器。

结果：相比其他两相法制备凝胶微球的方法，单一水相产生凝胶微球克服了油相损害细胞的缺点。所制备的凝胶微球模型可转移至96或384孔板中，为实现药物的高通量筛选提供可能。

3. ACS Applied Materials & Interfaces：通过动态交联反应组装微凝胶改善挤出生物打印墨水印刷适性，微孔率，组织附着力和自愈性

材料：苯硼酸、甲基丙烯化透明质酸(HAMA)、GelMA、多巴胺修饰的透明质酸(HA-DA)

方法：微凝胶是通过基于液滴的微流控将HAMA-PBA和GelMA交联，然后用动态交联剂HA-DA组装成DC-MA生物墨水来制备的。

结果：具有高形状保真度的2D和3D结构可以在无需后处理的情况下打印，并且封装的L929细胞在挤压后表现出高的细胞活力。此外，动态交联剂（HA-DA）的加入还改善了DC-MA生物墨水的微孔、组织粘附和自愈合性能，有望应用于组织工程和再生医学（如创面愈合等）领域。
 

原文链接：
//doi.org/10.1021/acsami.2c01295

4. Biomaterials Science：三维共培养新思路——生物3D打印带纤维微球

材料：GelMA、海藻酸钠、HUVECs和MDA-MB-231s细胞

方法：这种三维共培养微球通过同轴生物3D打印结合电流体喷墨实现不同结构的形态及尺寸控制。纯GelMA从外喷头流出，形成球状结构。GelMA与海藻酸钠混合（用于增加粘度）从内喷头流出，在球体内形成纤维结构。

结果：该技术应用同轴生物打印和电喷墨技术，并利用多组分流体流动时的“悬绳效应”，实现了带复杂纤维结构的微球制造，并将其应用于细胞3D共培养。
 

二、药物载体

相较于块状的GelMA水凝胶，GelMA微球具有体积小、比表面积大等优点。此外，GelMA微球内部多孔结构及表面易于改性的活性基团（如氨基，羧基等），可通过物理掺杂或化学键合的方式负载药物及生物活性因子，在病灶部位实现微创递送、控释药物的目的。

5. Nano Letters：可注射水凝胶微球能够调节局部过度活跃性炎症反应

材料：GelMA、活性肽APETx2、髓核细胞

方法：通过微流控同步光交联装置制备GelMA微球(GM)，清洗并冷冻干燥后制备出多孔GelMA微球。制备APETx2共轭多孔GelMA微球(GA)并负载髓核细胞，得到“肽-细胞-水凝胶”微球(GNA)

结果：研究证实了这种GNA微球除了参与组织再生过程，还可以调节局部过度活跃性炎症反应，以维持椎间盘髓核中细胞外基质的合成/分解代谢平衡。
 

6. Biofabrication：载干细胞可注射缓释微球修复椎间盘退变

材料：大鼠脂肪来源间充质干细胞rADSC、活性因子GDF5、GelMA

方法：由电喷工艺制备含干细胞rADSC和GDF5因子的GelMA微球。

结果：GelMA微球缓释系统可缓释生长因子，并可负载干细胞增殖及类髓核细胞分化。在体内该微球缓释系统可微创注射靶向至退变椎间盘区域，维持椎间盘高度，减缓椎间盘的退变。
 

7. Small：用于减轻骨关节炎的微球生物润滑剂

材料：GelMA、甲基丙烯酰化多巴胺、磺基甜菜碱接枝GelMA、双氯芬酸钠(DS)

方法：利用微流控技术制备了粒径均匀的单分散GelMA微球。DA与甲基丙烯酸酐反应得到DMA的碳双键。然后采用自由基聚合法制备了PDA-甲基丙烯酰胺-磺基甜菜碱接枝GelMA微球（MGS@DMA-SBMA）。最后负载药物DS，用于动物实验模型。

结果：研究表明研制的载药超润滑微球(MGS@DMA-SBMA@DS)具有良好的水化润滑和药物缓释能力，在治疗骨关节炎疾病以及其他润滑功能障碍等疾病方面具有巨大的潜力。
 

8. Chemical Engineering Journal：微流体制备混合微凝胶—长效给药平台的构建

材料：GelMA、脂质体(Lipo)、KGN

方法：基于PDMS的微流体装置制备了GelMA@Lipo微凝胶球。中间通道含脂质体-凝胶单体混合物为分散相，外通道含石蜡油为连续相。石蜡油对脂质体-凝胶混合物施加剪切力，使混合物分裂成乳状液滴。在紫外线照射下，出口处的液滴聚合成微凝胶，将脂质体固定在微凝胶内。

结果：体内研究表明，GelMA@Lipo@KGN在大鼠DMM模型中可以增强软骨再生，抑制OA进展，增强药物关节处的滞留作用。
 

三、组织修复

在组织工程应用支架的设计中，GelMA基水凝胶微球具有可调的孔隙率和孔尺寸。这样的模块化设计，更有利于模拟细胞外基质微环境，促进血管形成，使得新组织得以形成和重塑。再生医学研究中，常将负载种子细胞或生物活性成分的GelMA微球递送至受损部位，提供组织再生原动力，加速修复进程，已成为创面修复、软骨再生、成骨再生等领域常用的策略之一。

9. Acta Biomaterialia：血小板裂解液功能化GelMA微球用于促进牙髓再生

材料：GelMA、血小板裂解液(PL)、纳米粘土皂石(Loponite)、人类牙髓干细胞(hDPSCs)

方法：以GelMA/PL/Loponite(GPL)水凝胶前驱体溶液为原料，使用静电微滴技术(180~380μm)制备水凝胶微球。

结果：与纯GelMA微球相比，GPL微球显著改善了所封装的人类牙髓干细胞（hDPSCs）的扩散、增殖和牙源性分化，而且还能增强体内微血管的形成和牙髓样组织的再生。
 

10. Materials Science & Engineering C：利用静电微滴法制备hDPSC-GelMA牙髓再生微球

材料：GelMA、人牙髓干细胞(hDPSC)

方法：先将hDPSC与GelMA溶液混合作为前体溶液，然后利用静电微滴装置制备载细胞微球，并将其置于超低粘附培养板中培养，用于后续的细胞行为、低温冻存和复苏、体内移植等实验。

结果：hDPSC-GelMA在体外表现出优良的生物活性和低温冻存性能，并且在体内降解性能和牙髓组织新生能力上优于水凝胶团块。因此载细胞凝胶微球在牙髓再生方面具有巨大的应用潜力。
 

11. Advanced Functional Materials：用于骨缺损修复的BMSCs封装GelMA微球制备

材料：GelMA、骨髓间充质干细胞(BMSCs)、生长因子BMP-2

方法：使用毛细微流体装置制备了负载BMSCs 和BMP-2的GelMA单分散液滴，将液滴暴露在紫外光下，使聚合物聚合，形成凝胶微球。

结果：凝胶微球能维持干细胞的生存能力，支持细胞在微球内的伸展和从内部到表面的迁移，增强细胞的增殖能力。此外，在GelMA微球中包裹的BMSCs在体外和体内均显示出增强的成骨作用，这与矿化显著增加有关。
 

12. Chemical Engineering Journal：集成信号肽可注射微凝胶促进骨再生

材料：SVVYGLRC多肽、GQGFSYPYKAVFSTQ多肽、GelMA

方法：基于微流控技术，首先通过固相合成方法偶联成骨和血管生成信号肽，构建集成生物信号肽系统(SVVYGLR-BFP)，然后通过巯基和双键的点击反应(GelMA-S-B)交联成由GelMA组成的生物信号集成微凝胶。

结果：体内实验表明，GelMA-S-B可以通过诱导成骨分化和新生血管，显著促进骨缺损处的骨组织再生。
 

原文链接：
//doi.org/10.1016/j.cej.2022.135176

13. Small：内耳治疗用黏性及可注射微凝胶

材料：GelMA、聚多巴胺(PDA)、Ebselen脂质体

方法：利用GelMA微球(GM)耦合PDA层(GM@PDA)，将具有优异粘附能力的Ebselen脂质体进一步装载到载体中构建了GM@PDA@Lipo Ebselen。

结果：体内成像系统显示，粘附微球可以延长中耳腔的保留时间超过7天。转基因小鼠的听力明显恢复，尤其是在噪声暴露后第14天，每个频率的听力恢复到基线水平。
 

原文链接：
//doi.org/10.1002/smll.202106591.

14. ACS Nano：微流控水凝胶微球促进松质骨再生

材料：GelMA、双膦酸盐(BP)、镁离子(Mg2+)

方法：利用微流控技术制备粒径可控的GelMA-BP水凝胶微球，随后捕获Mg2+得到GelMA-BP-Mg。

结果：体内和体外实验结果表明，复合微球通过刺激成骨细胞和内皮细胞，抑制破骨细胞，有利于成骨和血管生成，最终有效促进松质骨再生。
 

15. Bioactive Materials：仿生可注射水凝胶微球用于骨关节炎治疗

材料：GelMA、甲基丙烯酰化多巴胺 (DMA)、2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱(MPC)

方法：首先通过微流控技术制备得到光交联GelMA水凝胶微球，然后通过自由基聚合得到自粘聚合物DMA-MPC，最后通过浸涂法得到润滑性微球（GelMA@DMA-MPC），并负载消炎药双氯酚酸钠（DS）。

结果：体内外实验显示GelMA@DMA-MPC@DS功能化微球对骨关节炎的发展具有积极的治疗作用。该功能化微球有潜力成为一种有前景的方法来抑制早期骨关节炎退行性改变。