方法文章

糖注射水凝胶的制备及其在3D 细胞培养中的应用

DOI：

10.3791/56253

⸱

2017年9月29日

 ,  ,  , 
1The Key Laboratory of Bioorganic Phosphorus Chemistry & Chemical Biology (Ministry of Education), Department of Chemistry, Tsinghua University, 2Institute of Chemical Materials, China Academy of Engineering Physics

本文内容

摘要

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在这里, 我们描述了一个轻便的制备糖注射水凝胶使用动态胺化学。介绍了水凝胶的机械强度调整方法及其在3D 细胞培养中的应用。

摘要

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该协议提出了一种简便, 高效, 通用的方法来制备糖水凝胶使用动态胺化学。将乙二醇壳聚糖与合成的苯甲醛终止聚合物胶混合溶液制备水凝胶, 在室温下在几分钟内有效地获得凝胶。通过对乙二醇壳聚糖、高分子胶和含水量的不同配比, 得到了不同凝胶时间和硬度的多功能水凝胶。当损伤时, 由于动态胺键的可逆性, 水凝胶可以恢复其外观和模量, crosslinkages。这种 self-healable 的性质, 使水凝胶是可注射的, 因为它可以 self-healed 从压缩件的整体散装水凝胶后, 注射过程。由于动态胺键的不同平衡状态, 水凝胶还 multi-responsive 许多生物活性刺激。该水凝胶被证实为生物相容, L929 小鼠成纤维细胞被植入遵循标准的程序和细胞增殖容易评估的3D 细胞培养过程。水凝胶可以为不同的研究提供一个可调节的平台, 在这种情况下, 对细胞的3D 环境进行生理模拟是有益的。随着它的 multi-responsive, self-healable, 和可注射性的性质, 水凝胶可以作为多种载体用于药物和细胞在未来的生物医学应用。

引言

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水凝胶是一种交联高分子材料, 具有大量的水分和软机械性能, 已在许多生物医学应用中使用1,2。水凝胶可以提供一个柔软和潮湿的环境, 这是非常类似的生理环境的细胞在体内。因此, 水凝胶已成为最受欢迎的3D 细胞培养支架之一3,4。3D 细胞培养与2D 培养皿细胞培养基相比, 具有先进的细胞外基质 (ECM) 的模拟微环境, 为增殖和分化目的而进行接触和组装.5。此外, 含有天然高分子的水凝胶可以为细胞增殖和分化提供生物相容和促进的环境, 从而使3。合成聚合物的水凝胶是首选的简单和明确的成分, 排除复杂的影响, 如动物起源的蛋白质或病毒。在所有的水凝胶候选3D 细胞培养中, 容易制备和具有一致的特性的凝胶总是首选。调整水凝胶的性质, 以适应不同的研究要求的设施是重要的, 以及6。

在这里, 我们介绍了一个简便的糖水凝胶使用动态胺化学, 这成为一个多功能的水凝胶平台的3D 细胞培养7。在这种方法中, 众所周知的生物相容的乙二醇壳聚糖是用来建立框架的水凝胶的网络。它的氨基是反应与苯甲醛终止聚乙二醇作为聚合物胶形成动态胺债券作为 crosslinkages 水凝胶8。动态胺键可可逆和回应地形成和分解, 使水凝胶具有机械可调的交联网络9,10,11。由于其高含水量, 生物相容材料和可调节的机械强度, 水凝胶成功地应用于3D 细胞培养中的 L929 细胞的支架12,13。这里的协议详细的程序, 包括聚合物胶合成, 水凝胶制备, 细胞嵌入, 和3D 细胞培养。

水凝胶还显示了其他一些特点, 由于其动态胺 crosslinkages, 包括其 multi-responsive 各种生物刺激 (酸/pH, 维生素 B6 衍生物哆, 蛋白木瓜蛋白酶,等), 表明水凝胶可以在生理条件下诱发分解8。水凝胶还 self-healable 和注射, 这意味着水凝胶可以通过微创注射法, 并获得优势的药物和细胞交付14,15。通过添加功能性添加剂或特定的预先设计的聚合物胶, 水凝胶可以获得诸如磁性、温度、pH 响应、等16、17等特定属性, 从而实现广泛的研究要求。这些特性表明, 水凝胶的潜在能力是可注射的多种药物和细胞在体外和体内生物医学研究和应用。

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方案

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警告: 请在使用前查阅所有相关的材料安全数据表 (MSDS)。在进行化学实验时, 请使用适当的安全做法, 包括使用油烟罩和个人防护设备 (安全眼镜、防护手套、实验室大衣、 等 )。该协议要求标准的细胞处理技术 (杀菌, 细胞恢复, 细胞传代, 细胞冻结, 细胞染色, 等 ).

1. 水凝胶的制备

  1. 合成苯甲醛终止的 di 官能化聚乙二醇 (DF peg)
      预干燥 peg 聚合物
      1. 重4.00 克 peg (兆瓦 4000, 1.00 摩尔),将其转成圆底烧瓶 (250 毫升), 并加入甲苯 (100 毫升).
        注: 其他具有不同分子量的销子可用于水凝胶的形成, 但会导致不同的刚度.
      1. 用热枪 (或热板大约40和 #176 C) 加热溶液, 温和地帮助溶解所有的聚合物。所有的聚合物溶解后, 用蒸发器除去所有的溶剂。重复此溶解和干燥过程两次, 使干 PEG 聚合物.
        注意: 这应该是在油烟罩中进行的, 要格外小心。甲苯是易燃的.
    2. peg 的苯甲醛终止反应
      1. 在烧瓶中添加磁力搅拌器和四氢呋喃 (呋喃, 100 毫升), 并使用搅拌器将 peg 溶解。将 4-甲醛 (0.90 克, 6.0 摩尔) 和 4-吡啶 (0.07 g, 0.6 摩尔) 依次添加到解决方案中, 以完全溶解所有固体.
      2. 添加 n、n 和 #39;-dicyclohexylcarbodiimide (DCC, 1.25 克, 6.0 摩尔) 的解决方案, 并添加一个干燥管, 充满无水 CaCl 2 到烧瓶。使反应在室温 (〜20和 #176; C) 下搅拌12小时左右.
    3. 后反应过程
      1. 在反应结束后通过真空过滤出溶液中产生的白色固体。将溶液倒入冷二乙醚 (500 毫升) 搅拌下沉淀白色固体。收集所有的白色固体过滤器和干燥的固体在一个油烟罩.
      2. 再次将白色固体溶解到呋喃中, 过滤掉任何不溶性的白色固体, 将溶液倒入新鲜的冷二乙醚中沉淀白色固体, 并将其晒干。重复这个过程二到三次, 然后安置白色固体在真空干燥烤箱 (20 和 #176; C, 0.1 毫巴) 完全地烘干他们。收集白色粉末作为最终产品: 苯甲醛终止 DF PEG.
  2. 水凝胶的制备
      重量不同量的 DF PEG (0.11 克, 0.028 摩尔; 0.22 克, 0.055 摩尔; 0.44 克, 0.110 摩尔) 在管中 (10 毫升), 添加去离子水 (5.0 毫升), 并使用涡流或磁力搅拌器来帮助 溶解聚合物.
    1. 溶解乙二醇壳聚糖 (0.495 克, 6.18 x 10 -3 摩尔) 在去离子水 (15.0 毫升) 在一个管 (50 毫升), 并使用一个漩涡几分钟质壳聚糖溶液 (3%).
    2. 在试管 (2.0 毫升) 中依次添加乙二醇壳聚糖溶液 (0.2 毫升、3%) 和 DF PEG 溶液 (0.2 毫升)。使用涡流混合的解决方案, 形成水凝胶在几分钟内。按照 表 1 中的比率来制作不同机械强度的水凝胶.
      注: 使用管倒置法确定水凝胶是否已经形成.
  3. 流变分析
    1. 用平行钢板 (直径:20 mm) 对旋转流变仪进行流变分析。对于凝胶试验, 将乙二醇壳聚糖溶液 (0.2 毫升, 3%) 涂在下板上。然后, 加入 DF PEG 水溶液 (0.2 毫升, 2%) 均匀滴到壳聚糖溶液表面, 并迅速与吸管混合。从上到下板开始测试.
    2. 对于水凝胶和 #39 的刚度测试, 将水凝胶切割成一个圆 (直径:20 mm), 并测量存储模数 (G 和 #39;) 值与1% 应变频率分析。典型的 G 和 #39; 在 表 1 中列出了 6.3 rad 和 #8722; 1 中的值.
      注: 对水凝胶形成后 0.5 h 的水凝胶进行流变学分析, 确保水凝胶的动态粘结稳定.
    3. 水凝胶和 #39 的 self-healable 性能测试, 将水凝胶切成碎片, 然后将这些碎片聚在一起, 自我成一个完整的部分。然后将水凝胶片切割成一个圆 (直径:20 mm), 并将其放在流变仪上进行流变分析.

2. 水凝胶中的3D 细胞培养

  1. 凝胶凝胶溶液的制备
    1. 在无菌管 (4.0 毫升) 中称 DF PEG (0.44 克, 0.11 摩尔), 在细胞培养基中添加 (RPMI-1640, 2。0毫升), 并使用涡流或搅拌器来帮助溶解聚合物获得聚合物溶液 (20%)。将溶液装入注射器 (10.0 毫升) 中, 然后通过微米级细菌保留过滤器 (0.22 和 #181; m) 将其消毒.
    2. 在无菌管 (15.0 毫升) 中称量乙二醇壳聚糖 (0.165 克, 2.06 x 10 -3 摩尔), 加入细胞培养基 (RPMI-1640, 4.0 毫升) 和涡流, 以帮助溶解聚合物获得乙二醇壳聚糖溶液 (4.0%)。在注射器 (10.0 毫升) 中装入溶液, 并用0.22 和 #181 过滤。
  2. 细胞在水凝胶中培养 警告: 在组织培养罩中执行所有与细胞相关的过程。有无菌技术的基本知识。
    1. 细胞悬浮液的制备
      1. 培养 RPMI-1640 培养基中的 L929 细胞, 辅以 10% FBS、5% 青霉素 (10 毫升) 在 Petri 盘 (直径10厘米), 孵育在37和 #176; C, 5% CO 2 。使用前每天更换介质.
      2. 用含有胰蛋白酶 (0.025 瓦特/五%) 和 EDTA (0.01% w/v) 的 PBS L929 细胞, 然后离心机 (70 x g, 5 分钟) 和 re-suspend RPMI-1640 培养基中的细胞 (1.0 毫升)。使用血计数板的标准操作进行细胞计数。重新挂起细胞, 调整细胞浓度为 ~ 3.75 和 #215; 10 6 单元格/mL.
    2. 水凝胶中的细胞封装
      1. 将 L929 细胞悬浮液 (0.4 毫升, 3.75 x 10 6 细胞 mL -1 ) 与乙二醇壳聚糖溶液 (0.4 毫升) 在试管 (4.0 毫升) 中由涡旋混合。将 L929/glycol 壳聚糖溶液 (0.8 毫升) 移入共焦培养皿 (直径2.0 厘米) 的中心。吸管的 DF PEG 解决方案 (0.2 毫升) 到同一盘, 并轻轻吸管混合溶液和诱导水凝胶的形成.
        注: 通过倾斜培养皿来评估水凝胶的形成.
      2. 对于直接的细胞培养, 在水凝胶的顶部添加额外数量的 RPMI-1640 培养基 (1.0 毫升)。把细胞嵌入水凝胶 (1.0 毫升, 1.5% 乙二醇壳聚糖, 4.0% DF PEG, 1.5 和 #215; 10 6 细胞 mL -1 ) 在孵化器 (37 和 #176; C, 5% CO 2 ), 并改变媒体每天。在单元封装后1、3、5和7天准备细胞成像.
    3. 对于在注射后的水凝胶中的3D 细胞 post-culture, 在注射器 (10.0 毫升, 48 克针) 上准备细胞载入的凝胶 (1.0 毫升, 见步骤 2.2.2)。水凝胶形成后, 将水凝胶慢慢注入培养皿中进行共聚焦成像。在水凝胶的顶部添加额外的培养基 (1.0 毫升), 每天更换。将培养皿放入孵化箱 (37 和 #176; C, 5% CO 2 ), 然后准备成像.
      注意: 请检查并遵守注射器的安全操作协议.
  3. 单元可行性分析
    1. 共聚焦观测
      1. 用 PBS (1.0 毫升) 冲洗水凝胶两次。用荧光素双乙酸 (FDA, 0.5 毫升, 0.05 毫克/毫升) 和碘碘化物 (PI, 0.5 毫升, 0.08 毫克/毫升) 溶液对水凝胶进行染色, 15 分钟。染色后, 去掉所有的溶剂.
      2. 在 488 nm 和 543 nm 的激发波长下使用共聚焦显微镜观察水凝胶, 分别显示活细胞和死单元。采取 z 栈通过每2和 #181; m 深度的水凝胶, 以验证整个细胞均匀分布.
        注: FDA 对活细胞进行染色, 而 PI 染色死细胞.
    2. 将水凝胶 (1.0 毫升) 与乙酸 (醋酸、3 v%、1.0 毫升) 降解为5分钟, 将吸管放入试管 (4.0 毫升)。通过离心机收集细胞 (70 x g, 5 分钟) 和 re-suspend 细胞在 RPMI-1640 细胞培养基 (1.0 毫升)。使用血球计数板进行细胞计数.

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结果

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在图 1中提供了有关水凝胶制剂的示意图, 并将其用作3D 细胞培养。在表 1中总结了不同机械强度的水凝胶的含量和配比的信息。在图 2中, 水凝胶的 self-healable 和流变性通过存储模量与频率测试来显示水凝胶的刚度。在图 3中, 在水凝胶中培养的细胞共焦图像和细胞数, 并通过3D 细胞培养确认细胞的活力和细胞增殖。图 4提供了显微镜、共焦图像, 并分析了在注射和 post-culture 的水凝胶中嵌入的细胞的增殖速率。高细胞活力和细胞增殖表明, 嵌入在水凝胶的细胞没有破坏性的伤害, 并可以恢复 post-culture, 表明水凝胶的可。

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讨论

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该协议中提出的水凝胶 (图 1) 有两个主要组成部分: 天然高分子乙二醇壳聚糖和合成苯甲醛终止聚合物胶 DF PEG, 两者都是生物相容性的材料。采用 one-step 改性反应合成 DF PEG。在溶解度、改性效率以及水凝胶刚度等方面, 选择了分子量4000的 PEG。采用不同的固体含量和乙二醇壳聚糖与 DF PEG 的配比, 制备了一系列不同机械强度的水凝胶。均匀水凝胶通过在室温下混合凝胶溶液, 在几分钟内迅速形成, 虽然凝胶速度也会因稀溶液而减慢。采用流变学试验方法评价不同水凝胶的力学强度。这些水凝胶的存贮模量 (G) 发现了近似地不同从 900 pa (软), 2100 pa (中等) 到 4700 pa (刚性) (表 1和图 2A)。通过在水凝胶网络中加入更多的聚合物胶, 从而提高了交联密度, 从而提高了贮存模量 (更高的刚度)。水凝胶的弹性模量 (图 2B) 的恢复也证实了 self-healable 的特性。众...

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披露

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作者没有什么可透露的。

致谢

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这项研究得到了中国国家科学基金会 (21474057 和 21604076) 的支持。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
乙二醇壳聚糖Wako Pure Chemical Industries39280-86-990% 脱乙酰度
4-羧基苯甲醛上海阿拉丁 Bio-Chem Technology Co.，LTD619-66-999%
N，N'-二环己基碳二亚胺上海阿拉丁 Bio-Chem Technology Co.，LTD538-75-099%
氯化钙无水上海阿拉丁 Bio-Chem Technology Co.，LTD10043-52-496%
4-二甲基氨基哌啶上海阿拉丁 百奥凯科技股份有限公司1122-5899%
聚乙二醇试剂5254-43-799%
四氢呋喃试剂109-99-999%
甲苯国108-88-399%
乙醚国药化学试剂60-29-799%
醋酸中药化学试剂64-19-799%
无水 CaCl2中药化学试剂10043-52-499%
荧光素二乙酸酯 Sigma596-09-899%
碘化丙啶 Sigma25535-16-494%
RPMI-1640 培养基Gibco
胎牛血清Gibco
胰蛋白酶-EDTAGibco0.25%
PBSSolarbio0.01 M
青霉素链霉素溶液Hyclone10,000 U/mL
流变仪TA 仪器AR-G2
共聚焦显微镜司710-3 通道
L929 细胞ATCCNCTC 克隆 929;L 细胞，L929，菌株 L
蒸发器EYELAN-1100
48 号针头上海知宇医用材料有限公司48 号
显微镜LeicaDM3000 B
显微镜软件Imaris
热风枪ConfuKF-5843 
培养皿NEST
国药化学 国药化学药化学试剂 蔡的衍生物

参考文献

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Hoffman, A. S. Hydrogels for biomedical applications. Adv. Drug. Deliver. Rev. 64, 18-23 (2012).
  2. Seliktar, D. Designing cell-compatible hydrogels for biomedical applications. Science. 336 (6085), 1124-1128 (2012).
  3. Tibbitt, M. W., Anseth, K. S. Hydrogels as extracellular matrix mimics for 3D cell culture. Biotechnol. Bioeng. 103 (4), 655-663 (2009).
  4. Sawicki, L. A., Kloxin, A. M. Light-mediated Formation and Patterning of Hydrogels for Cell Culture Applications. J. Vis. Exp. (115), (2016).
  5. Haycock, J. W. 3D cell culture: a review of current approaches and techniques. 3D Cell Culture: Methods and Protocols. , 1-15 (2011).
  6. Breslin, S., O’Driscoll, L. Three-dimensional cell culture: the missing link in drug discovery. Drug. Discov. Today. 18 (5), 240-249 (2013).
  7. Yang, B., et al. Facilely prepared inexpensive and biocompatible self-healing hydrogel: a new injectable cell therapy carrier. Polym. Chem. 3 (12), 3235-3238 (2012).
  8. Zhang, Y., Tao, L., Li, S., Wei, Y. Synthesis of multiresponsive and dynamic chitosan-based hydrogels for controlled release of bioactive molecules. Biomacromolecules. 12 (8), 2894-2901 (2011).
  9. Cao, L., et al. An injectable hydrogel formed by in situ cross-linking of glycol chitosan and multi-benzaldehyde functionalized PEG analogues for cartilage tissue engineering. J. Mater. Chem. B. 3 (7), 1268-1280 (2015).
  10. Ding, F., et al. A dynamic and self-crosslinked polysaccharide hydrogel with autonomous self-healing ability. Soft Matter. 11 (20), 3971-3976 (2015).
  11. Wei, Z., et al. Self-healing gels based on constitutional dynamic chemistry and their potential applications. Chem. Soc. Rev. 43 (23), 8114-8131 (2014).
  12. Li, Y., et al. Modulus-regulated 3D-cell proliferation in an injectable self-healing hydrogel. Colloid. Surface. B. 149, 168-173 (2017).
  13. Tseng, T. C., et al. An Injectable, Self‐Healing Hydrogel to Repair the Central Nervous System. Adv. Mater. 27 (23), 3518-3524 (2015).
  14. Yu, L., Ding, J. Injectable hydrogels as unique biomedical materials. Chem. Soc. Rev. 37 (8), 1473-1481 (2008).
  15. Yang, L., et al. Improving Tumor Chemotherapy Effect by Using an Injectable Self-healing Hydrogel as Drug Carrier. Polym. Chem. , (2017).
  16. Zhang, Y., et al. A magnetic self-healing hydrogel. Chem. Commun. 48 (74), 9305-9307 (2012).
  17. Zhang, Y., et al. Synthesis of an injectable, self-healable and dual responsive hydrogel for drug delivery and 3D cell cultivation. Polym. Chem. 8 (3), 537-534 (2017).
  18. Yang, C., Tibbitt, M. W., Basta, L., Anseth, K. S. Mechanical memory and dosing influence stem cell fate. Nat. Mater. 13 (6), 645-652 (2014).
  19. Geerligs, M., Peters, G. W., Ackermans, P. A., Oomens, C. W., Baaijens, F. Linear viscoelastic behavior of subcutaneous adipose tissue. Biorheology. 45 (6), 677-688 (2008).
  20. Banerjee, A., et al. The influence of hydrogel modulus on the proliferation and differentiation of encapsulated neural stem cells. Biomaterials. 30 (27), 4695-4699 (2009).
  21. Benoit, D. S., Schwartz, M. P., Durney, A. R., Anseth, K. S. Small functional groups for controlled differentiation of hydrogel-encapsulated human mesenchymal stem cells. Nat. Mater. 7 (10), 816-823 (2008).

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