組織工程學與3D打印生物墨水的發展為組織再生提供新思路。但當前生物墨水存在功能單一、適配性不足等問題，難以滿足病理微環境下缺損修復的難題。開發藥物遞送生物墨水或許可以針對不同病理微環境進行治療，但藥物與遞送材料進行物理共混會導致藥物突釋和細胞刺激，而化學接枝可能會破壞藥物的官能團，降低其藥理活性；自組裝的納米顆粒和微球往往面臨體內難以降解的風險。
為了解決這一問題，湖南大學劉海蓉、周征團隊開發了一種細胞膠囊遞送策略，以關節軟骨損傷作為實驗模型，氧化應激環境作為病理模型，開發載安石榴苷細胞膠囊多功能生物墨水。該生物墨水具有加速軟骨再生、抗氧化、抑菌等功能，在組織工程與臨床應用領域具有巨大應用潛力。該研究以題為“Cellular Capsule Delivery Bioink with Punicalagin-Loaded Chondrocyte Membrane Vesicles for Tissue Engineering Therapy"的論文發表在國際期刊《Advanced Functional Materials》上，碩士研究生于夢依為第一作者。關節中受損軟骨的修復是臨床治療面臨的一大挑戰，因為病理狀況會阻礙由炎癥因子和活性氧（ROS）引起的軟骨再生。為了解決這一難題，作者開發了一種細胞膠囊遞送生物墨水。通過丙烯酸酯-聚（乙二醇）-琥珀酰亞胺酯（AC-PEG-NHS）修飾軟骨細胞膜囊泡（CMVs），并在其內部負載多個反應性羥基的安石榴苷，制備成細胞膠囊。這些膠囊與甲基丙烯酰化絲膠（SerMA）結合，形成光固化生物墨水前體，該前體不僅表現出優異的抗氧化性能，還具有顯著的抗菌活性和強大的軟骨保護效果。研究使用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術打印的所有結構都保持了高形狀保真度，并維持了良好的細胞活力和活性。負染色TEM 圖像顯示囊泡表現出特征性的雙層杯狀結構，尺寸約為100 nm。核磁共振氫譜出現特征峰表明AC─PEG─NHS 修飾的 mCMVs的制備成功。通過將天然抗氧化劑安石榴苷負載到 mCMVs內部制備PUN@mCMVs納米粒。TEM 圖像顯示 mCMVs的杯狀結構被密封，藥物成功加載到 mCMV 內部。通過免疫熒光染色在軟骨細胞表面觀察到與細胞整合作用相關的特定蛋白質，包括 CD44 、整合素 α 1、整合素 β 1 和 E-鈣粘蛋白。且細胞可以攝取PUN@mCMVs，細胞膠囊制備成功。其中 PUN8@SerMA-mCMVs 水凝膠的增殖促進細胞增殖作用最高。且PUN8@SerMA-mCMV 組表現出更典型的軟骨腔隙結構和更顯著的細胞外基質分泌，蛋白多糖沉積增強，軟骨細胞分泌 COL II 增加。軟骨損傷部位的 ROS 過度積累經常導致氧化應激，從而抑制細胞增殖，降解細胞外基質，并破壞內源性組織修復過程。安石榴苷中的 17 個活性酚羥基充當氫原子供體，中和自由基并形成穩定的非自由基物質。這個過程終止了自由基鏈式反應，從而減緩或防止對細胞和組織的氧化損傷。因此，PUN8@SerMA-mCMVs 的抗氧化活性可能支持細胞增殖和軟骨再生。實驗結果表明，細胞膠囊水凝膠具有顯著的自由基清除活性，能夠有效清除細胞內的多余活性氧，顯著上調編碼抗氧化金屬酶的 SOD1 和 SOD2 和下調基質金屬蛋白酶 MMP-3 和 MMP-13 的表達，從而來保護軟骨細胞免受細胞炎癥引起的氧化應激。PUN8@SerMA-mCMV 細胞膠囊水凝膠表現出的抑菌活性，能夠明顯抑制大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的活性，這可能有利于3D生物打印和組織工程的整個過程。采用摩方精密nanoArch® S140（精度：10 μm）3D打印機測試細胞膠囊遞送生物墨水的打印能力，并將軟骨細胞負載到PUN8@SerMA-mCMV 生物墨水中。實驗表明，生物墨水打印的水凝膠產品表現出優異的可打印性和形狀保真度。生物3D打印后，封裝在打印水凝膠中的軟骨細胞表現出高細胞活力。這些結果表明，細胞膠囊遞送生物墨水 PUN8@SerMA-mCMVs適用于 3D 生物打印和組織工程應用。圖3. PUN@SerMA-mCMVs生物墨水的DLP生物打印。PUN8@SerMA-mCMV 生物墨水在SD大鼠體內促進軟骨缺損修復。結果表明，與空白組相比，實驗組新軟骨覆蓋原始缺損區域，并與周圍的正常軟骨組織高度融合，具有最高的組織學評分，micro-CT表明新生軟骨已經填充了缺損，修復區域的表面相對平坦。組織學染色實驗表明，在 PUN8@SerMA-mCMVs 組中，軟骨細胞增殖并整齊排列，表現出特征性的軟骨腔隙和層狀結構，具有最小的不全修復組織。此外，新生軟骨呈現清晰完整的潮線，分泌了更多更均勻的細胞外基質，上調COL II的表達和并降低 MMP-13的表達，表明該生物墨水具有有效修復軟骨缺損的能力。圖4. 關節軟骨修復的宏觀、組織學和免疫組織化學評估。在這項研究中開發了一種組成細胞膠囊遞送生物墨水的策略，通過該策略，將普通生物墨水材料（如 SerMA）和 mCMVs組合為加載一定量抗氧化試劑的細胞膠囊，從而產生生物墨水。與使用替代藥物負載方法的生物墨水相比，這種策略不僅延長了藥物的半衰期，還增強了生物墨水的生物相容性、可打印性和利用率。SD 大鼠軟骨缺損修復試驗結果表明，與 SerMA 生物墨水和對照相比，PUN8@SerMA─mCMV 生物墨水的組織再生效率高。考慮到 PUN8@SerMA-mCMV 生物墨水的抗氧化活性和抗菌能力，它在未來可能應用于組織工程，特別是特定的病理微環境，如在氧化應激下。
更新時間：2025-09-12
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