研究背景
可注射多孔微球是細(xì)胞遞送、藥物遞送和組織再生的有前途的治療平臺(tái)。然而，具有高度互連多孔結(jié)構(gòu)的絲素蛋白微球的工程仍然是一個(gè)未解決的挑戰(zhàn)。已經(jīng)開發(fā)了多種絲素蛋白微球的制備策略，包括噴霧干燥、乙醇和冷凍誘導(dǎo)自組裝、鹽析、油包水乳化等，但這些方法制備的微球互連孔結(jié)構(gòu)低，并不是作為組織重建的細(xì)胞載體或支架的理想候選者。一項(xiàng)研究在高壓靜態(tài)噴霧冷凍和凍干相結(jié)合的基礎(chǔ)上，選擇葡萄糖作為制孔劑，制備了具有高度互連孔結(jié)構(gòu)的SF微球。該工作以《Engineering Injectable and Highly Interconnected Porous Silk Fibroin Microspheres for Tissue Regeneration》為題發(fā)表在《Advanced Healthcare Materials》上。
研究?jī)?nèi)容
篩選了糖類（葡萄糖、蔗糖、甘露糖和木糖醇）、鹽（NaCl、NH4Cl、KCl）、氨基酸（丙氨酸、甘氨酸、絲氨酸）、酒精和合成聚合物（PEG、PVP）作為致孔劑候選材料。將致孔劑與SF混合，通過高壓靜電噴霧將溶液變成微小液滴，并在液氮中冷凍成球，凍干后用乙醇處理成不溶于水的微球。葡萄糖表現(xiàn)出優(yōu)越的成孔能力，這是由于葡萄糖降低玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的能力及其獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)。葡萄糖-SF（SF-Glu）微球的平均表面孔徑（31.3±6.1μm）顯著大于SF（1.5±0.4μm），SF-Glu微球的孔隙率明顯高于SF微球（64.9±4.3%vs.12.5±6.4%）。大小均勻的高度互連的孔結(jié)構(gòu)分布在SF-Glu微球的表面和內(nèi)部，微球表明未表現(xiàn)出任何開裂跡象，分布在SF-Glu微球中的絲素蛋白材料的密度小于SF微球中觀察到的密度。
圖1 微球的孔徑、微觀結(jié)構(gòu)表征
通過調(diào)節(jié)電噴涂中的噴嘴尺寸或流速，可將微球的直徑調(diào)整在50至450μm的范圍內(nèi)。冷凍保存溫度、冷凍保存時(shí)間、絲素蛋白和葡萄糖的質(zhì)量比影響微球孔徑結(jié)構(gòu)，冷凍溫度（-20℃最佳）、冷凍時(shí)間（48小時(shí)以上孔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定）、葡萄糖與絲素蛋白比例（1:1）時(shí)可以獲得高度互連的孔隙結(jié)構(gòu)。
圖2 微球的孔隙結(jié)構(gòu)受各種參數(shù)的調(diào)節(jié)
體外實(shí)驗(yàn)中，SF-Glu微球表面粗糙、孔洞豐富，能讓骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（BMSCs）更易黏附、增殖，甚至通過孔洞鉆進(jìn)微球內(nèi)部；而普通SF微球表面光滑，細(xì)胞只能零星分布。在相互連接的多孔結(jié)構(gòu)中，細(xì)胞之間的相互作用促進(jìn)了細(xì)胞聚集的形成，這可以應(yīng)用于基于細(xì)胞的治療或藥物篩選。
圖3 用SF-Glu和SF微球處理和培養(yǎng)的BMSC的行為
作為藥物載體，SF-Glu微球和普通SF微球一樣能持續(xù)釋放模型藥物（如 BSA），前3小時(shí)僅有少量“爆發(fā)釋放”，之后10天內(nèi)穩(wěn)定釋放，說明其能長(zhǎng)效發(fā)揮藥效。
圖4 BSA在SF和SF-Glu微球中的釋放動(dòng)力學(xué)
體外注射試驗(yàn)表明，注射過程中微球之間的擠壓壓力和摩擦力不會(huì)破壞微球的球形形貌。在大鼠皮下注射實(shí)驗(yàn)中，SF-Glu 微球展現(xiàn)出驚人的組織整合能力 ——2 周內(nèi)，宿主細(xì)胞大量涌入微球內(nèi)部，SF-Glu微球中的細(xì)胞數(shù)量顯著高于SF微球中的細(xì)胞數(shù)量。而普通 SF 微球則被纖維組織包裹，難以與周圍組織融合。SF-Glu微球的多孔結(jié)構(gòu)還對(duì)巨噬細(xì)胞極化行為有影響，M2巨噬細(xì)胞的比例高于M1巨噬細(xì)胞。SF-Glu微球中充分的血管化對(duì)于保證微球內(nèi)細(xì)胞的營養(yǎng)物質(zhì)和代謝廢物的及時(shí)交換并維持其功能至關(guān)重要。新形成的毛細(xì)血管分布在SF-Glu微球內(nèi)部和周圍，而僅存在于SF微球之間的間隙中。
圖5 大鼠皮下植入模型中SF-Glu和SF微球的細(xì)胞浸潤、血管化和免疫原性特性
結(jié)論
在這項(xiàng)研究中，開發(fā)了一種簡(jiǎn)單有效的方法，不需要使用有機(jī)溶劑來制備具有互連多孔的絲素蛋白微球。通過在制備過程中添加葡萄糖，成功制備了具有高度開放和互連孔隙的SF-Glu微球。SF-Glu微球展示了其在藥物釋放、細(xì)胞遞送和組織再生微創(chuàng)材料中的多方面應(yīng)用。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adhm.202402932
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