离子液体/壳聚糖基导电水凝胶的制备及促神经分化研究

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导电水凝胶因其良好的导电性、可调控的力学模量和适宜的多孔结构,可为细胞提供良好生存环境,有利于细胞间电信号的传递,促进神经功能的恢复。但目前制备具有导电性、类组织模量和良好生物相容性的组织工程支架材料,并用于改善脊髓损伤后病灶部位的细胞微环境,仍是脊髓损伤修复的难点。基于此,本研究首先通过自由基聚合的方法,制备了光响应性的羧甲基壳聚糖水凝胶(pCM)。其次,在光引发剂存在的情况下,通过紫外聚合C=C双键将离子液体(Ionic liquids,ILs)接枝于pCM水凝胶侧链,制备导电水凝胶(pCM@IL)。分析了pCM@IL水凝胶的微观结构、力/电学性能和体内、外细胞亲和性和组织相容性和相关机理,探讨其作为脊髓组织工程支架的应用潜力。首先将甲基丙烯酸酐接枝于羧甲基壳聚糖侧链,制备了光响应性pCM水凝胶。通过紫外聚合C=C双键将由阴阳离子聚合物配位形成的ILs接枝于pCM水凝胶侧链,制备了pCM@IL导电水凝胶,并对紫外辐射时间、pCM与ILs组分最佳配比等进行筛选。结果显示:紫外辐射时间40 s时,pCM水凝胶成胶性较好,电镜观测显示该材料呈现均匀的三维多孔结构。pCM浓度在2.0 w/v%,弹性模量及微孔结构与脊髓组织性能接近,10 w/v%ILs有利于pCM@IL水凝胶维持良好的导电性能、体外降解性能、溶胀性能和力学模量。进一步,通过体外细胞实验,系统评价了pCM@IL水凝胶的细胞毒性和对PC12细胞粘附、活性、分化的影响。支架浸提液的细胞CCK-8实验显示pCM@IL具有较好的细胞亲和性;pCM@IL电活性支架可促进PC12细胞粘附生长、在二维、三维pCM@IL材料体系均能维持细胞活性,并在电活性基质表面培养的条件下,可促进PC12细胞的神经分化。进一步,为了探讨pCM@IL导电水凝胶应用于体内的安全性、有效性和相关促神经再生的可能机制,首先通过大鼠体内皮下埋植试验,探讨了pCM@IL水凝胶的体内降解、组织炎症反应和促血管再生的影响和材料、组织的相互作用。术后1,2,3,4周取材观测,水凝胶显示了生物可降解性;取材后,对材料和组织进行HE染色、CD3和CD31免疫组化染色,结果显示pCM@IL具有较低的炎性反应,并能促血管生成。其次通过pCM@IL导电水凝胶模拟电生物效应促神经分化,并对相关基因、蛋白进行分子水平检测,结果表明pCM@IL水凝胶上调了神经元标记物Tubulin-β3、神经元再生的标志物GAP43和突触形成的标志物SYP的基因及蛋白表达,进而促进神经分化和再生。综上:本研究制备的pCM@IL导电水凝胶可实现可注射原位成型、具有力学匹配、低毒性、促进细胞粘附和神经分化的特性。该材料在体内具有可降解性、低免疫原性和良好的组织相容性并能促进血管生成。其机理于与其上调神经早期神经相关的基因、蛋白表达有关。pCM@IL导电水凝胶有望用于改善神经再生微环境,并促进神经分化和再生的新型脊髓损伤支架材料。
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