上海交通大学:微流控明胶水凝胶微球捕获镁离子

【介绍】

金属离子是人体内重要的微量元素，直接影响人体的新陈代谢和受损组织的再生。例如，镁离子(Mg2+)与骨修复材料的先进结合，使复合材料具有促进血管修复和增强成骨细胞粘附的功能。

【摘要】

最近，受磁铁吸引金属的启发，同济大学蔡明副教授/上海交通大学崔文国教授团队共同利用金属离子配体的配位反应构建了双膦酸盐功能化可注射水凝胶微球(GelMA-BP-Mg)，该微球可以通过捕获 Mg2+ 促进骨质疏松性骨缺损的松质骨重建。通过在 GelMA 微球上接枝双膦酸盐 (BP)，GelMA-BP 微球可以通过配位反应产生强大的 Mg2+ 捕获能力和缓释性能，而缓释 BP 具有骨靶向特性。在可注射的 GelMA-BP-Mg 微球系统中，捕获的 Mg2+ 的原子百分比为 0.6%，捕获的 Mg2+ 可以有效释放 18 天。

这些证明复合微球能够有效地捕获Mg2+，为复合微球激活成骨细胞和内皮细胞并抑制破骨细胞提供了基础。体内外实验结果表明，磁铁激发的Mg2+捕获复合微球通过刺激成骨细胞和内皮细胞同时抑制破骨细胞，有利于成骨和血管生成，最终有效促进松质骨再生。该研究可为基于金属离子治疗骨质疏松性骨缺损提供一些有意义的思路。相关论文以题为Capturing Magnesium Ions via Microfluidic Hydrogel Microspheres for Promoting Cancellous Bone Regeneration发表在《ACS Nano》上。

【图文解析】

受磁铁吸引金属的自然现象启发，团队通过席夫碱反应和配位键在甲基丙烯腈酰化明胶(GelMA-BP)微球表面螯合Mg2+，以构建一种捕获 Mg2+ 微流体水凝胶微球(GelMA-BP-Mg)受磁铁启发，赋予水凝胶微球主动捕获 Mg2+、微创注射性、持续缓释特性和骨靶向能力，从而增强其激活成骨细胞和 内皮细胞和抑制破骨细胞，最终通过“集成多用途”微球实现松质骨的重建(示意图1)。

示意图 1.(A) 微流体 GelMA-BP 微球的制备过程和捕获 Mg2+的 GelMA-BP-Mg 微球的构建。(B) 具有“磁铁”功能的可捕获Mg2+的微流控GelMA-BP-Mg微球的构建及捕获Mg2+的原理描述。

复合微球的制备与表征

SEM显示GelMA-BP-Mg微球表面存在平均粒径为79±15nm的BP-Mg纳米颗粒，而GelMA-BP和GelMA微球表面不存在这种纳米结构(图1A)。能量色散 X 射线光谱 (EDS) 显示 GelMA-BP 微球具有均匀的 P 元素分布，GelMA-BP-Mg 微球具有均匀的镁元素分布(图 1B)。此外，对于每组复合微球样品，EDS 显示SEM 观察到的 GelMA-BP 和 GelMA-BP-Mg 中存在相应的 P 元素和 Mg 元素(图 1C)。31P NMR谱(图1D)显示只有GelMA-BP和GelMA-BP-Mg在17.6ppm处有明显的共振峰。图1E显示了BP的累积释放曲线。可以观察到，在 GelMA-BP 和 GelMA-BP-Mg 微球药物释放后的 12 天内，BP 的释放速度较快，然后逐渐减慢。发布21天后，BP的发布趋于持平。图 1F 显示了 GelMA-BP-Mg 微球的 Mg2+ 累积释放曲线。图 1G 显示系统中形成粒径为 77±12 nm 的 BP-Mg 纳米粒子，与图 1G 中 SEM 显示的 GelMA-BP-Mg 微球表面纳米粒子基本相同。图 1H 显示了制备可捕获 Mg2+ 的复合微球所涉及的化学方程式。

图 1. 复合微球的特性。(A) GelMA、GelMA-BP 和 GelMA-BP-Mg 微球在不同放大倍数下的典型扫描电子显微镜图像。(B) 双膦酸盐在 GelMA-BP 微球上的均匀分布以及双膦酸盐和捕获的 Mg2+ 在 GelMA-BP-Mg 微球上的均匀分布。(C) 能谱分析，证实复合微球上存在相应的 P 和 Mg 元素。(D) 三种复合微球的 31P 核磁共振谱。(E, F) 复合微球 BP 和 Mg2+ 的释放曲线，证明了 BP 的成功接枝和 Mg2+ 的有效捕获。(G) MgCl2 溶液、BP 溶液以及 MgCl2 和 BP 混合体系的 TEM 图像。(H) 制备可捕获 Mg2+的复合微球所涉及的化学方程式。

文章来源：《上海交通大学学报》 网址: http://www.shjtdxxb.cn/zonghexinwen/2021/0806/856.html