基于可见光激活生物偶联反应的3D细胞基质的原位构建

Artificial construction of 3D extracellular matrix (ECM) to simulate the real environment of cells in vivo has great significance. Chemical cross-linking methods used by bio-conjugate reaction or light-initiated radical polymerization of unsaturated double bonds to produce hydrogels, is currently the main approach for constructing ECM. Among them, the bio-conjugate reaction proceeds in mild condition with high biocompatibility but lack of controllability. While photo-initiated radical-induced crosslinking reaction with advantages of non-intrusive and spatiotemporal control, always causes great cell toxicity as the free radical mechanism. Integrating the pros and cons of the above reactions, this project proposes a new photo-induced gelation mechanism, in which “photo-cleavage” activates bio-conjugate reaction to build ECM with non-radical photo-crosslinking for in situ gelation. Based on the “photo-cleavage” property of coumarin phototrigger, polymer modified by protected-thiol molecules is designed as a pre-gel. Under visible light or two-photo NIR light irradiation, the mercapto group is photo-activated for crosslinking with the other pre-gel polymer with maleimide groups to form cell-laden hydrogels in situ. This novel mechanism is expected to resolve the defect of uncontrollability of spontaneous bio-conjugate reaction, and fabricate 3D-ECM with high cell viability and precise spatiotemporal control. Further, more applications of the new photo-crosslinking gelation mechanism will be explored for artificial tissue 3D printing, tissue surface in situ gelation for wound repair and regenerative medicine.

人工构建3D细胞外基质（ECM）以模拟细胞在体内的真实状态具有重大的意义。共价键化学交联，例如生物偶联反应或光引发自由基促使不饱和双键聚合，实施水凝胶对细胞的原位包裹是当前构建ECM的最主要方法。其中，生物偶联反应生物相容性好，条件温和但是缺乏控制性；而光引发自由基诱导的交联反应具有非物理接触和时空可控等特征，但其自由基机制致使细胞毒性大。本项目针对以上机制的优缺点，提出“光剪切”激活生物偶联反应，实施非自由基光交联凝胶化原位构建ECM的新机制。选择从香豆素光扳机的“光剪切”功能入手，通过合成具有光释放巯基的功能大分子，在光照下激活巯基，与另一加成受体高聚物有效光交联凝胶化原位包裹细胞。该机制有望解决自发的生物偶联反应不可控的缺陷，实现高细胞成活率、精确时空控制性的3D-ECM的原位构建。进一步，将探索该机制实施人工组织的3D打印及组织表面原位凝胶化，促使创面的的修复和组织再生的可能性。

水凝胶是最接近人体软组织的生物材料，可以高度模拟细胞在体内的真实状态。构建具有良好生物相容性、过程可控性及组织自粘附整合性的水凝胶技术具有重大的意义。本项目针对当前构建水凝胶的生物偶联反应生物相容性好但不可控，光引发自由基聚合交联可控性好但具有生物毒性的矛盾，提出“光剪切”激活生物偶联反应，实施非自由基光交联原位构建水凝胶。首先，选择香豆素光扳机的“光剪切”功能入手，通过合成具有光释放巯基的功能大分子，在光照下激活巯基，与另一加成受体高聚物有效光交联凝胶化原位包裹细胞，该体系有效解决自发的生物偶联反应不可控的缺陷，实现高细胞成活率、精确时空控制性的水凝胶的原位构建，同时由于没有自由基的存在，使成胶过程不受环境氧的影响，胶层可薄可厚。进一步，选择邻硝基苄醇光板机的光异构醛基化功能入手，通过合成具有光异构醛基的功能大分子，在光照下，与另一含氨基交联受体高聚物有效光交联，同时，如果实施创面原位光交联，则生成的醛基也可与富含氨基的组织表面交联，使凝胶与组织整合一体化，规避了传统方法构建的凝胶，柔弱表面光滑无法实施外科固定的难题，能有效促进凝胶周边组织的细胞迁移进凝胶进行分化繁殖，从而促进创面愈合。基于以上光激活生物偶联反应的技术优势，本项目进一步探索该技术实施术后防粘连及作为细胞或外泌体等的载体作为组织工程材料的应用，研究结果证明该技术具有安全、有效、便捷的临床应用前景，具有广泛的应用价值。