石榴皮素負(fù)載軟骨細(xì)胞膜囊泡的細(xì)胞膠囊遞送生物墨水用于組織工程治療

來(lái)源：EFL生物3D打印與生物制造

關(guān)節(jié)軟骨損傷修復(fù)是臨床治療的重大挑戰(zhàn)，病理?xiàng)l件下炎癥相關(guān)細(xì)胞因子及活性氧（ROS）積累阻礙軟骨再生。傳統(tǒng)基于水凝膠的抗氧化遞送策略存在藥物突釋、細(xì)胞刺激性高、抗氧化效率降低及體內(nèi)難降解等局限。湖南大學(xué)劉海蓉教授、周征團(tuán)隊(duì)開發(fā)了細(xì)胞膠囊遞送生物墨水，將負(fù)載石榴皮素的軟骨細(xì)胞膜囊泡（CMVs）與甲基丙烯酰化絲膠（SerMA）結(jié)合，形成可光固化生物墨水前體。該生物墨水兼具優(yōu)異抗氧化、抗菌及軟骨保護(hù)性能，通過(guò)數(shù)字光處理3D生物打印機(jī)打印的結(jié)構(gòu)具有高形狀保真度及細(xì)胞活性，有效促進(jìn)軟骨再生。相關(guān)工作以“Cellular Capsule Delivery Bioink with Punicalagin-Loaded Chondrocyte Membrane Vesicles for Tissue Engineering Therapy”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。

研究?jī)?nèi)容
1. 細(xì)胞膠囊遞送生物墨水的制備與應(yīng)用示意圖，通過(guò)構(gòu)建負(fù)載石榴皮素的軟骨細(xì)胞膜囊泡（CMVs）并與甲基丙烯?；z膠（SerMA）結(jié)合，制備出可光固化生物墨水，研究了其在ROS環(huán)境下用于軟骨組織工程的可行性。結(jié)果表明該生物墨水能有效 scavenge ROS、促進(jìn)軟骨再生，且可通過(guò)3D打印形成具有高形狀保真度的結(jié)構(gòu)。

圖1. 細(xì)胞膠囊遞送生物墨水的制備與應(yīng)用示意圖。  

2. PUN@mCMVs的制備與表征圖，利用透射電子顯微鏡（TEM）、核磁共振（1H NMR）、動(dòng)態(tài)光散射（DLS）等方法，研究了改性CMVs負(fù)載石榴皮素后的形貌、粒徑及穩(wěn)定性。結(jié)果顯示mCMVs呈杯狀結(jié)構(gòu)，平均粒徑約100 nm，PUN@mCMVs封裝率達(dá)67.8%，且在7天內(nèi)保持穩(wěn)定。

圖2. PUN@mCMVs的制備與表征圖。  

3. SerMA及PUN@SerMA?mCMVs的制備與表征圖，通過(guò)1H NMR、傅里葉變換紅外光譜（FTIR）、掃描電子顯微鏡（SEM）等手段，研究了SerMA的化學(xué)結(jié)構(gòu)及水凝膠的多孔形貌。結(jié)果表明SerMA成功改性，水凝膠孔隙率超70%，且PUN@SerMA?mCMVs水凝膠具有良好的光固化性、力學(xué)性能及H?O?響應(yīng)性釋藥能力。

圖3. SerMA及PUN@SerMA?mCMVs的制備與表征圖。  

4. PUN@SerMA?mCMVs的生物相容性圖，采用FDA染色、CCK-8 assay及RT-qPCR等方法，研究了不同濃度細(xì)胞膠囊對(duì)軟骨細(xì)胞增殖及基因表達(dá)的影響。結(jié)果顯示PUN8@SerMA?mCMVs組細(xì)胞增殖能力最強(qiáng)，顯著上調(diào)SOX9、ACAN等軟骨再生相關(guān)基因，COL II/COL I比值升高。

圖4. PUN@SerMA?mCMVs的生物相容性圖。  

5. PUN8@SerMA?mCMVs的抗氧化活性圖，通過(guò)DPPH、ABTS自由基清除實(shí)驗(yàn)及DCFH-DA熒光探針?lè)?，研究了其體外抗氧化能力。結(jié)果表明該水凝膠對(duì)DPPH、ABTS自由基清除率分別達(dá)79.82%、94.28%，胞內(nèi)ROS清除率達(dá)93.0%，并上調(diào)SOD1、SOD2基因表達(dá)。

圖5. PUN8@SerMA?mCMVs的抗氧化活性圖。  

6. PUN8@SerMA?mCMVs的抗菌性能圖，利用平板菌落計(jì)數(shù)、活/死細(xì)菌染色及SEM觀察，研究了其對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑制作用。結(jié)果顯示該水凝膠使細(xì)菌存活率降至10%以下，能破壞細(xì)菌細(xì)胞膜并抑制生物膜形成。

圖6. PUN8@SerMA?mCMVs的抗菌性能圖。  

7. PUN8@SerMA?mCMV生物墨水的3D打印性能圖，通過(guò)數(shù)字光處理（DLP）3D打印技術(shù)，研究了其打印精度及細(xì)胞活性。結(jié)果表明打印結(jié)構(gòu)形狀保真度高，細(xì)胞存活率超80%，且在培養(yǎng)7天后仍保持良好增殖能力。

圖7. PUN8@SerMA?mCMV生物墨水的3D打印性能圖。  

8. 體內(nèi)軟骨修復(fù)評(píng)估圖，通過(guò)SD大鼠軟骨缺損模型，采用大體觀察、Micro-CT、組織學(xué)染色及免疫組化等方法，研究了PUN8@SerMA?mCMVs的修復(fù)效果。結(jié)果顯示該生物墨水組新生軟骨完全覆蓋缺損區(qū)，與周圍組織融合良好，ICRS評(píng)分最高，且MMP-13表達(dá)顯著降低。

圖8. 體內(nèi)軟骨修復(fù)評(píng)估圖。

研究結(jié)論
本研究構(gòu)建了一種細(xì)胞膠囊遞送生物墨水策略，將甲基丙烯?；z膠（SerMA）與負(fù)載石榴皮素的改性軟骨細(xì)胞膜囊泡（mCMVs）結(jié)合，制備出PUN8@SerMA?mCMV生物墨水。該生物墨水相比其他藥物負(fù)載方式，延長(zhǎng)了藥物半衰期，提升了生物相容性、打印性和利用率。SD大鼠軟骨缺損修復(fù)實(shí)驗(yàn)表明，其組織再生效率高于SerMA生物墨水及對(duì)照組。鑒于PUN8@SerMA?mCMV生物墨水的抗氧化與抗菌能力，其在組織工程中具有應(yīng)用潛力，尤其適用于氧化應(yīng)激等特定病理微環(huán)境。相關(guān)成果為3D生物打印在組織再生中的應(yīng)用提供了新思路。

文章來(lái)源：
https://doi.org/10.1002/adfm.202504180