新聞 丨 2025.06.30
酚接枝聚葡萄糖醛酸在生物墨水中的應用
本文開發了酚接枝聚葡萄糖醛酸（PGU-Ph），通過與酪胺共軛獲得，其水溶液可在辣根過氧化物酶（HRP）催化下凝膠化。2.0 w/v% PGU-Ph 溶液（含 5 U/mL HRP）能成功打印出形狀保真度高的水凝膠結構，包裹的小鼠成纖維細胞和人肝癌細胞打印后存活率約 95%，并存活 11 天。該研究證實 PGU-Ph 在組織工程，尤其是擠出式 3D 生物打印油墨中具有巨大潛力。
思維導圖
詳細總結
一、研究背景與目的
- 聚葡萄糖醛酸（PGU）特性：由 Sinorhizobium meliloti M5N1CS 菌株產生的高分子量葡萄糖醛酸均聚物，具有生物相容性、免疫刺激等多種生物活性，且微生物來源使其生產不受環境因素影響。
- 研究目的：合成酚接枝 PGU（PGU-Ph），通過 HRP 催化凝膠化制備生物墨水，應用于擠出式 3D 生物打印，評估其在組織工程中的潛力。
二、材料與方法
- PGU 生產：在 20 L 生物反應器中培養菌株，離心、超濾純化后凍干獲得 PGU。
- PGU-Ph 合成：在 MES 緩沖液中，通過 WSCD/NHS 活化，將酪胺共軛到 PGU 上，丙酮沉淀純化，1H NMR 和 UV-Vis 表征。
- 性能測試
- 流變學：HAAKE MARS III 流變儀測量剪切速率 – 粘度曲線。
- 凝膠時間：在 48 孔板中，HRP 和 H?O?觸發凝膠化，磁攪拌受阻時為凝膠點。
- 機械性能：EZ-test 測量壓縮力，計算 Young’s 模量。
- 細胞實驗：CCK-8 法評估細胞存活率，熒光染色觀察細胞形態。
- 3D 打印：改裝 Bio X 系統，27 號針頭擠出，H?O?氣氛中凝膠化，評估形狀保真度和細胞 viability。
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三、關鍵結果
- PGU-Ph 合成表征
- 1H NMR：PGU-Ph 在 6.7-7.2 ppm 出現酚羥基峰。
- UV-Vis：275 nm 處出現酚羥基特征吸收峰，Ph 含量為 3.7×10?? mol-Ph/g PGU-Ph。
- 溶液與凝膠特性
- 剪切稀化：2 w/v% PGU-Ph 溶液在 1 s?1 時粘度約為 1 w/v% 的 8 倍，隨剪切速率增加粘度顯著下降。
- 凝膠時間：2 w/v% PGU-Ph+5 U/mL HRP+1 mM H?O?時凝膠時間為 3.5 s，隨 PGU-Ph 和 HRP 濃度增加而縮短，隨 H?O?濃度增加先縮短后延長。
- 機械性能：2 w/v% PGU-Ph hydrogel 的 Young’s 模量為 2.0 kPa，隨 HRP 和 H?O?濃度變化呈現先升后降趨勢。
- 細胞相容性
- 溶液實驗：5 w/v% PGU-Ph 對 10T1/2 細胞線粒體活性無顯著影響，存活率與 PGU 相當，高于海藻酸鹽（Alg）。
- 水凝膠實驗：PGU-Ph 單用水凝膠細胞粘附性低，與明膠 – Ph 混合后細胞粘附、增殖良好。
- 3D 打印結果
- 形狀保真度：2 w/v% PGU-Ph 墨水在 H?O?氣氛中可打印 2 mm 和 10 mm 高度的六邊形結構，Young’s 模量為 1.5±0.2 kPa。
- 細胞存活：10T1/2 和 HepG2 細胞打印后存活率分別為 95% 和 94%，存活 11 天，HepG2 細胞形成聚集體。
四、討論與結論
- PGU-Ph 優勢：微生物來源易生產，HRP 催化凝膠化快速，細胞相容性好，適合 3D 生物打印。
- 應用前景：可用于組織工程構建、藥物篩選，與明膠 – Ph 混合或引入細胞粘附配體可優化細胞行為。
- 結論：PGU-Ph 是擠出式 3D 生物打印的有前途材料，為功能性組織構建提供新選擇。
關鍵數據表格
關鍵問題
問題：PGU-Ph 是如何合成的？
答案：PGU-Ph 通過酪胺與 PGU 的共軛反應合成。具體步驟為：將 PGU 溶解在 MES 緩沖液（pH 6.0）中，依次加入酪胺鹽酸鹽、NHS 和 WSCD（濃度分別為 45 mM、10 mM、20 mM），室溫攪拌 20 小時，然后用過量丙酮沉淀，90% 乙醇 + 10% 水洗滌至無游離酪胺，通過 1H NMR 和 UV-Vis 光譜確認合成成功。
問題：PGU-Ph 在 3D 生物打印中的凝膠化條件是什么？
答案：PGU-Ph 在 HRP 催化和 H?O?存在下凝膠化。最佳條件為 2.0 w/v% PGU-Ph 溶液中加入 5 U/mL HRP，在含有 8 ppm H?O?的空氣中擠出，凝膠時間可縮短至 3.5 秒，形成的水凝膠 Young’s 模量為 1.5±0.2 kPa，具有良好的形狀保真度。
問題：PGU-Ph 的細胞相容性如何證明？
答案：通過細胞存活率和形態觀察證明。10T1/2 細胞在 0.5 w/v% PGU-Ph 溶液中培養 24 小時后，線粒體活性與 PGU 組無顯著差異（p=0.45），且高于 Alg 組（p<0.03）。打印后 1 天，包裹的 10T1/2 和 HepG2 細胞存活率分別為 95% 和 94%，并存活 11 天，HepG2 細胞在水凝膠中形成聚集體，證明 PGU-Ph 具有良好的細胞相容性。
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