酚接枝聚葡萄糖醛酸在生物墨水中的应用

本文开发了酚接枝聚葡萄糖醛酸（PGU-Ph），通过与酪胺共轭获得，其水溶液可在辣根过氧化物酶（HRP）催化下凝胶化。2.0 w/v% PGU-Ph 溶液（含 5 U/mL HRP）能成功打印出形状保真度高的水凝胶结构，包裹的小鼠成纤维细胞和人肝癌细胞打印后存活率约 95%，并存活 11 天。该研究证实 PGU-Ph 在组织工程，尤其是挤出式 3D 生物打印油墨中具有巨大潜力。

思维导图

详细总结

一、研究背景与目的

1. 聚葡萄糖醛酸（PGU）特性：由 Sinorhizobium meliloti M5N1CS 菌株产生的高分子量葡萄糖醛酸均聚物，具有生物相容性、免疫刺激等多种生物活性，且微生物来源使其生产不受环境因素影响。
2. 研究目的：合成酚接枝 PGU（PGU-Ph），通过 HRP 催化凝胶化制备生物墨水，应用于挤出式 3D 生物打印，评估其在组织工程中的潜力。

二、材料与方法

1. PGU 生产：在 20 L 生物反应器中培养菌株，离心、超滤纯化后冻干获得 PGU。
2. PGU-Ph 合成：在 MES 缓冲液中，通过 WSCD/NHS 活化，将酪胺共轭到 PGU 上，丙酮沉淀纯化，1H NMR 和 UV-Vis 表征。
3. 性能测试

1. 流变学：HAAKE MARS III 流变仪测量剪切速率 – 粘度曲线。
2. 凝胶时间：在 48 孔板中，HRP 和 H₂O₂触发凝胶化，磁搅拌受阻时为凝胶点。
3. 机械性能：EZ-test 测量压缩力，计算 Young’s 模量。
   4. 细胞实验：CCK-8 法评估细胞存活率，荧光染色观察细胞形态。
   5. 3D 打印：改装 Bio X 系统，27 号针头挤出，H₂O₂气氛中凝胶化，评估形状保真度和细胞 viability。

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三、关键结果

1. PGU-Ph 合成表征

1. 1H NMR：PGU-Ph 在 6.7-7.2 ppm 出现酚羟基峰。
2. UV-Vis：275 nm 处出现酚羟基特征吸收峰，Ph 含量为 3.7×10⁻⁴ mol-Ph/g PGU-Ph。
   2. 溶液与凝胶特性
3. 剪切稀化：2 w/v% PGU-Ph 溶液在 1 s⁻¹ 时粘度约为 1 w/v% 的 8 倍，随剪切速率增加粘度显著下降。
4. 凝胶时间：2 w/v% PGU-Ph+5 U/mL HRP+1 mM H₂O₂时凝胶时间为 3.5 s，随 PGU-Ph 和 HRP 浓度增加而缩短，随 H₂O₂浓度增加先缩短后延长。
5. 机械性能：2 w/v% PGU-Ph hydrogel 的 Young’s 模量为 2.0 kPa，随 HRP 和 H₂O₂浓度变化呈现先升后降趋势。
   3. 细胞相容性
6. 溶液实验：5 w/v% PGU-Ph 对 10T1/2 细胞线粒体活性无显著影响，存活率与 PGU 相当，高于海藻酸盐（Alg）。
7. 水凝胶实验：PGU-Ph 单用水凝胶细胞粘附性低，与明胶 – Ph 混合后细胞粘附、增殖良好。
   4. 3D 打印结果
8. 形状保真度：2 w/v% PGU-Ph 墨水在 H₂O₂气氛中可打印 2 mm 和 10 mm 高度的六边形结构，Young’s 模量为 1.5±0.2 kPa。
9. 细胞存活：10T1/2 和 HepG2 细胞打印后存活率分别为 95% 和 94%，存活 11 天，HepG2 细胞形成聚集体。

四、讨论与结论

1. PGU-Ph 优势：微生物来源易生产，HRP 催化凝胶化快速，细胞相容性好，适合 3D 生物打印。
2. 应用前景：可用于组织工程构建、药物筛选，与明胶 – Ph 混合或引入细胞粘附配体可优化细胞行为。
3. 结论：PGU-Ph 是挤出式 3D 生物打印的有前途材料，为功能性组织构建提供新选择。

关键数据表格

关键问题

问题：PGU-Ph 是如何合成的？

答案：PGU-Ph 通过酪胺与 PGU 的共轭反应合成。具体步骤为：将 PGU 溶解在 MES 缓冲液（pH 6.0）中，依次加入酪胺盐酸盐、NHS 和 WSCD（浓度分别为 45 mM、10 mM、20 mM），室温搅拌 20 小时，然后用过量丙酮沉淀，90% 乙醇 + 10% 水洗涤至无游离酪胺，通过 1H NMR 和 UV-Vis 光谱确认合成成功。

问题：PGU-Ph 在 3D 生物打印中的凝胶化条件是什么？

答案：PGU-Ph 在 HRP 催化和 H₂O₂存在下凝胶化。最佳条件为 2.0 w/v% PGU-Ph 溶液中加入 5 U/mL HRP，在含有 8 ppm H₂O₂的空气中挤出，凝胶时间可缩短至 3.5 秒，形成的水凝胶 Young’s 模量为 1.5±0.2 kPa，具有良好的形状保真度。

问题：PGU-Ph 的细胞相容性如何证明？

答案：通过细胞存活率和形态观察证明。10T1/2 细胞在 0.5 w/v% PGU-Ph 溶液中培养 24 小时后，线粒体活性与 PGU 组无显著差异（p=0.45），且高于 Alg 组（p<0.03）。打印后 1 天，包裹的 10T1/2 和 HepG2 细胞存活率分别为 95% 和 94%，并存活 11 天，HepG2 细胞在水凝胶中形成聚集体，证明 PGU-Ph 具有良好的细胞相容性。

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