骨生成是一个复杂的过程，涉及骨细胞与细胞外基质（ECM）之间的动态相互作用。传统的骨组织工程侧重于生成矿化骨植入物，但近年来的研究趋势逐渐转向体外模型，用于疾病建模和药物测试。在骨组织工程领域，构建能够模拟骨生成过程，特别是三维细胞网络生成的模型，一直是研究的热点和难点。传统的二维细胞培养方法虽然被广泛应用，但其无法提供细胞在体内所经历的三维空间和物理支撑，这限制了其在复杂组织工程中的应用。科学界已探索了多种三维细胞培养方法，其中水凝胶因其高含水量、良好的生物相容性和可调控的力学性能而备受关注。然而，目前大多数水凝胶材料在细胞培养过程中存在一些局限性，如孔隙结构难以调控、降解速率难以控制等。
为了解决这一问题，ETH Zurich（苏黎世联邦理工学院）秦晓华课题组利用聚合诱导相分离（PIPS）技术，成功开发出一种具有微孔结构的合成可生物降解水凝胶。这种新型生物材料不仅能够模拟骨细胞在体内的三维生长环境，还能通过调整材料的组成成分来精确调控其孔隙结构和ECM降解速率，为骨细胞提供理想的生长和分化条件。
该研究以题为“Synthetic biodegradable microporous hydrogels for in vitro 3D culture of functional human bone cell networks”的论文发表在最新一期《Nature Communications》上。
【合成可生物降解微孔水凝胶体外三维培养人骨细胞网络】
创意（图1）
骨组织工程常规生物材料与微孔聚乙二醇(PEG)水凝胶的示意图：传统的纳米多孔水凝胶(孔径: 5-100 纳米)通常阻碍细胞铺展，而具有大孔(孔径: 100-600 微米)的大孔支架仅提供2D 细胞培养表面。在本研究中，微孔聚乙二醇水凝胶(孔径: 5-20 微米)支持快速三维细胞网络的形成。
该研究通过聚合诱导相分离（PIPS）技术，成功合成了具有微孔结构的可降解聚乙二醇（PEG）水凝胶用于体外生成功能性人骨细胞网络。这种水凝胶通过硫醇-Michael加成交联形成微孔结构（孔径5-20 µm），使人类间充质基质细胞（hMSC）和成骨细胞在24小时内快速形成3D网络。
主要发现（图4）
在可降解和不可降解微孔PEG水凝胶中的静态人骨细胞培养：可降解水凝胶支持3D细胞网络的形成，而不可降解水凝胶中细胞网络会退化。水凝胶成分显著影响hMSC的存活率和细胞铺展面积。
在这项研究中，我们探究了微孔聚乙二醇水凝胶是否能够在体外产生三维骨细胞网络。人骨髓间充质干细胞(hMSC)被包埋在 基质蛋白酶（MMP） 可降解和不可降解的 PEG 水凝胶中，并在成骨条件下分化。在该系统中，hMSC在包埋后1.5小时内快速扩展，并在24小时内形成3D网络，在MMP可降解水凝胶系统中，hMSC 能不断地重塑其环境并维持3D 细胞网络至少35天。且可降解水凝胶显著促进了hMSC和成骨细胞的形态变化和3D网络的形成。在静态培养条件下，可降解水凝胶中的细胞表现出更高的碱性磷酸酶（ALP）活性和成骨相关基因表达，显示出更强的成骨分化能力。
总结
这项研究通过聚合诱导相分离合成了可生物降解的微孔PEG水凝胶，提供了支持人骨细胞的三维培养环境。该水凝胶促进了细胞的存活率、分化和网络形成，使微流控动态骨类器官培养成为可能。这种创新的微孔水凝胶为研究早期骨生成提供了一个高效的平台，促进了3D骨细胞网络的快速体外生成。该平台不仅有助于理解骨细胞与其微环境之间的相互作用，还为未来开发更加复杂的人体组织模拟材料奠定了基础，有望在组织工程和再生医学中得到广泛应用，助力疾病治疗和组织修复。
【课题组介绍】
文章第一作者为苏黎世联邦理工学院 (ETH) 健康科学技术系博士生Doris Zauchner，通讯作者为秦晓华助理教授。共同作者包括健康科学技术系硕士生Monica Müller,Leana Bissig， 博士生Marion Horrer等，以及苏黎世联邦理工学院Ralph Müller教授和Marcy Zenobi-Wong教授，英国Swansea 大学生物医学工程系赵飞虎研究员。
该研究团队长期致力于开发用于再生医学的人体类骨模型，将先进的生物材料与高分辨率生物制造和器官芯片技术相结合，以重现人体骨组织的微结构和功能，并将开发的微型骨类器官应用于研究骨细胞在分子水平上对机械信号的感知和响应。
--检测服务--
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-49280-3
来源：高分子科学前沿
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