研究背景
可注射多孔微球是細胞遞送、藥物遞送和組織再生的有前途的治療平臺。然而，具有高度互連多孔結構的絲素蛋白微球的工程仍然是一個未解決的挑戰(zhàn)。已經(jīng)開發(fā)了多種絲素蛋白微球的制備策略，包括噴霧干燥、乙醇和冷凍誘導自組裝、鹽析、油包水乳化等，但這些方法制備的微球互連孔結構低，并不是作為組織重建的細胞載體或支架的理想候選者。一項研究在高壓靜態(tài)噴霧冷凍和凍干相結合的基礎上，選擇葡萄糖作為制孔劑，制備了具有高度互連孔結構的SF微球。該工作以《Engineering Injectable and Highly Interconnected Porous Silk Fibroin Microspheres for Tissue Regeneration》為題發(fā)表在《Advanced Healthcare Materials》上。
研究內(nèi)容
篩選了糖類（葡萄糖、蔗糖、甘露糖和木糖醇）、鹽（NaCl、NH4Cl、KCl）、氨基酸（丙氨酸、甘氨酸、絲氨酸）、酒精和合成聚合物（PEG、PVP）作為致孔劑候選材料。將致孔劑與SF混合，通過高壓靜電噴霧將溶液變成微小液滴，并在液氮中冷凍成球，凍干后用乙醇處理成不溶于水的微球。葡萄糖表現(xiàn)出優(yōu)越的成孔能力，這是由于葡萄糖降低玻璃化轉變溫度的能力及其獨特的分子結構。葡萄糖-SF（SF-Glu）微球的平均表面孔徑（31.3±6.1μm）顯著大于SF（1.5±0.4μm），SF-Glu微球的孔隙率明顯高于SF微球（64.9±4.3%vs.12.5±6.4%）。大小均勻的高度互連的孔結構分布在SF-Glu微球的表面和內(nèi)部，微球表明未表現(xiàn)出任何開裂跡象，分布在SF-Glu微球中的絲素蛋白材料的密度小于SF微球中觀察到的密度。
圖1 微球的孔徑、微觀結構表征
通過調節(jié)電噴涂中的噴嘴尺寸或流速，可將微球的直徑調整在50至450μm的范圍內(nèi)。冷凍保存溫度、冷凍保存時間、絲素蛋白和葡萄糖的質量比影響微球孔徑結構，冷凍溫度（-20℃最佳）、冷凍時間（48小時以上孔結構穩(wěn)定）、葡萄糖與絲素蛋白比例（1:1）時可以獲得高度互連的孔隙結構。
圖2 微球的孔隙結構受各種參數(shù)的調節(jié)
體外實驗中，SF-Glu微球表面粗糙、孔洞豐富，能讓骨髓間充質干細胞（BMSCs）更易黏附、增殖，甚至通過孔洞鉆進微球內(nèi)部；而普通SF微球表面光滑，細胞只能零星分布。在相互連接的多孔結構中，細胞之間的相互作用促進了細胞聚集的形成，這可以應用于基于細胞的治療或藥物篩選。
圖3 用SF-Glu和SF微球處理和培養(yǎng)的BMSC的行為
作為藥物載體，SF-Glu微球和普通SF微球一樣能持續(xù)釋放模型藥物（如 BSA），前3小時僅有少量“爆發(fā)釋放”，之后10天內(nèi)穩(wěn)定釋放，說明其能長效發(fā)揮藥效。
圖4 BSA在SF和SF-Glu微球中的釋放動力學
體外注射試驗表明，注射過程中微球之間的擠壓壓力和摩擦力不會破壞微球的球形形貌。在大鼠皮下注射實驗中，SF-Glu 微球展現(xiàn)出驚人的組織整合能力 ——2 周內(nèi)，宿主細胞大量涌入微球內(nèi)部，SF-Glu微球中的細胞數(shù)量顯著高于SF微球中的細胞數(shù)量。而普通 SF 微球則被纖維組織包裹，難以與周圍組織融合。SF-Glu微球的多孔結構還對巨噬細胞極化行為有影響，M2巨噬細胞的比例高于M1巨噬細胞。SF-Glu微球中充分的血管化對于保證微球內(nèi)細胞的營養(yǎng)物質和代謝廢物的及時交換并維持其功能至關重要。新形成的毛細血管分布在SF-Glu微球內(nèi)部和周圍，而僅存在于SF微球之間的間隙中。
圖5 大鼠皮下植入模型中SF-Glu和SF微球的細胞浸潤、血管化和免疫原性特性
結論
在這項研究中，開發(fā)了一種簡單有效的方法，不需要使用有機溶劑來制備具有互連多孔的絲素蛋白微球。通過在制備過程中添加葡萄糖，成功制備了具有高度開放和互連孔隙的SF-Glu微球。SF-Glu微球展示了其在藥物釋放、細胞遞送和組織再生微創(chuàng)材料中的多方面應用。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adhm.202402932
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