是的，我知道你在想什么:果冻? 为什么果冻会被材料实验室用来培养细胞呢? 好吧, it isn’t the taste of this childhood snack that makes it perfect for tissue engineering; it is its composition. 我们体内最丰富的蛋白质是一种叫做胶原蛋白的化合物, 细胞所在的细胞外基质主要由什么组成. 如果你把胶原蛋白分解成小块, 就得到了明胶, 制作果冻的材料. 组织工程师, 谁负责维护, 改善, 和/或恢复我们体内的生物组织, 能用明胶来模拟体内环境吗, 意思是生物体生存的自然环境. 这不仅在组织培养中打开了应用，而且在注射治疗中也有无数的应用, 哪些是可注射的溶液，可以再生或增强现有组织. 而组织工程领域还处于起步阶段, 利用明胶等支架进行组织培养的治疗方法已经应用于受伤患者的合成皮肤和器官.
损伤和退行性疾病, 比如老年痴呆症和多发性硬化症, 是否会导致长期的恢复和/或不可逆转的损害. 为了减轻这些影响，人们可以将特定的干细胞注射到受损区域让自己成长，在你的身体里激发新的成长， 限制炎症. 然而, 将细胞直接注射到体内会导致细胞在全身的低活力和显著的分散, 把他们从最需要的地方转移出去. 这就是我们的“科学果冻”的由来. 明胶, 哪个是聚合物的水合复合体, 可用于包裹细胞吗, 从而增加活力和稳定注射后的细胞位置. 我的博士研究. 京宰正在澳门葡京网赌游戏的实验室, 它是由研究经验和学徒计划(REAP)通过哈默尔本科研究中心资助的, 研究了改变明胶制成的水凝胶的方法，使它们在注射治疗中更有效.
图1. 郑实验室的新型10%明胶微凝胶的显微镜图像.
微孔水凝胶方法学与表征
传统的水凝胶是聚合物链的复合体，与它们的质量相比，它能容纳大量的水. 然而，这些水凝胶缺乏孔隙度，减缓了细胞的生长和宿主生物的渗透. 为了解决这个问题，我的导师. 郑博士和我的研究生导师. 赛斯爱德华, 使用由明胶制成的新型可注射微孔水凝胶，促进细胞扩散和增殖. 传统的水凝胶可能更容易想象成一个固体的果冻块，里面粘着细胞, 而微凝胶结构是由许多小的果冻珠和细胞在空间中生长组成的料想. 我的暑期研究重点是微凝胶直径的改变. 控制微凝胶的直径可以影响水凝胶的性质，如营养转移和有效表面积, 细胞反应，比如细胞形态, 传播, 和分化. 这些变量有助于描述细胞行为的可预测性和体内治疗的安全性.
图2. 用笔者研制的TWEEN 20乳化剂制备5%明胶微凝胶的显微镜图像.
我将明胶溶解在水中，然后将溶液滴入油浴中，形成了微凝胶, 制作乳剂. 明胶溶液在油中分解成小液滴，这些液滴可以被收集起来并一起固化. 凝胶的小球体是由微生物转谷氨酰胺酶(mTG)连接起来的。, 一种连接明胶的谷氨酰胺和赖氨酸取代基的细菌酶. 固化后，大量的水凝胶在微球之间留下了细胞生长的空间. (图1)
我在乳化过程中尝试了低浓度的明胶, 改变混合速度和微凝胶固化时间. 每个变量都有自己的影响，有些比其他的更大. 我还加入了不同浓度的乳化剂(TWEEN 20)，以减少水合明胶表面的极性. 通过在水凝胶乳化方案中加入乳化剂并将明胶浓度从原来的10%降至5%, 微凝胶的直径减小到原始尺寸的八分之一(约40微米)。. (图2)
通过这种微凝胶的新操作，我进一步研究了细胞毒性(环境对细胞的毒性)。. 要做到这一点, 我培养了3T3细胞(小鼠成纤维细胞的一种快速生长的细胞系)，形成了小直径和对照直径的微凝胶. 经过三天的培养, 我比较了纯明胶微凝胶与低明胶浓度的TWEEN 20的对照.
图3. 在微孔水凝胶结构中生长的活细胞(绿色)和死细胞(红色)的共聚焦显微镜堆叠图像(左)和切片图像(右).
我通过共聚焦成像进行活/死实验来测量生存能力. 这需要使用高清显微镜，并添加染料将活细胞染成绿色，将死细胞染成红色. 我检测到两种水凝胶的细胞活力没有差异. (图3)
为了进一步分析，我用更小的微凝胶对大块水凝胶进行了流变学测试，以测量和表征其弹性. 这表明，在固化过程的各个点上，较小的水凝胶形成的体积水凝胶比较大的对照微凝胶形成的体积水凝胶更硬. 流变学只进行了一次，使结果不太可靠. 然而, 刚性很可能是由较大的表面积引起的, 哪一个通过mTG交联/键产生更多的相互作用.
组织工程应用的结果与途径
最后我减小了明胶微凝胶的直径, 但我还没有展示它们与细胞生长的关系. 在理论上, 不同浓度的明胶和乳化剂在我创造的微凝胶中应该会诱导不同的细胞增殖和分化. 通过常规的无孔水凝胶研究表明，硬度确实会改变细胞的分化趋势. 然而，目前尚不清楚细胞是否受到多孔环境中刚度变化的影响. 而散装水凝胶可能有更多的mTG交联, 因此要更强硬, 还有一个很大的内部网络可以限制细胞的整体刚度. 如果是这样的话, 水凝胶硬度的变化对于体内不同的应用是很重要的. 这取决于这项技术所应用的生物环境, 可能需要硬度较低、降解速度较快的水凝胶, 而其他人则相反. 例如, 神经元可能喜欢刚性较低的结构和较小的微凝胶，以增加表面积, 而骨细胞可能喜欢更硬的凝胶和更大的微凝胶，以便更好地渗透宿主生物.
通过控制水凝胶中的所有变量，可以获得更大的特异性和定制性, 取决于预期用途. 到目前为止, 传统的水凝胶是无孔的, 从而限制细胞生长, 宿主生物渗透, 养分转移, 细胞活力. 新型微孔水凝胶解决了这些问题，但尚未完全了解. 每个细胞位置和细胞类型都需要不同的条件才能有效地使用注射疗法. 这种技术理论上可以适应这些条件, 但这些可能性必须加以研究. 如果我的研究可以推断的话, 对微凝胶交联和直径的充分了解可能会导致注射治疗的新领域. 就我个人而言, 我希望把这项技术应用到红细胞培养上，继续在郑某实验室工作。. 想想看, 所有这些可能性都在果冻的成分中摆在我们面前.
我要感谢我的教研导师. 京宰正，谢谢你不仅让我成为第一年的研究员，还加速了我的学习，为我营造了一个充满机会的环境. 此外，我要感谢博士. 赛斯爱德华, 我的研究生导师, 感谢你在我人生道路上的每一步都陪伴着我，永远在我身边——在我的人生历程中，你是真正的指导者. 如果没有出色的员工和捐助者，这一切都不可能实现 (Mr. Dana Hamel博士. 乔治·怀尔德曼先生. 尼古拉斯Bencivenga) at the Hamel Center for 本科研究 at UNH; without the 研究, 经验, 及学徒计划, 我今天就不会写作了. 我的未来要归功于这些人的工作和慈善, 我永远感激为我付出的无数努力.
作者和导师简介
他来自新罕布什尔州的康科德， 杰克·芬威·雷诺兹 将于2026年5月毕业并获得生物工程学士学位. 他通过哈默尔大学本科生研究中心资助的研究经验和学徒计划(REAP)进行了他对微凝胶的研究. 杰克正在寻找一个涉及神经元和治疗的项目, 特别是神经退行性疾病因为他母亲被诊断患有多发性硬化症. 他对神经元有限的再生能力和克服这一限制的方法非常感兴趣. 在与博士的谈话中. 郑博士讨论了可能与杰克的兴趣相关的话题. Joeng提出了他的实验室一直在研究的微凝胶. 杰克惊喜地发现，研究是如此容易获得. 作为一名新研究者, 杰克描述了一个陡峭的学习曲线, 但他基本上是独立的，并参与与博士的科学对话.D. 学生和教授在几周内. 他决定服从 调查 因为他热衷于公众对科学的理解. 在这个项目中使用明胶, 他想传达这种技术的简单性，让人们对未来充满期待, 强调可能性, 也许还能激励别人. 杰克想攻读博士学位.D. 在相关的科学领域和药物/治疗开发工作. 而研究的内容和方法非常有启发性，写作为 调查 向他展示了科学与公众相遇的地方. 杰克现在想站在科学的最前沿，向公众宣传科学发展.
Dr. 京宰正 是澳门葡京网赌游戏化学工程和生物工程副教授, 从2013年开始. 他的研究兴趣围绕着生物材料, 给药系统, 医疗设备, 组织工程. 他指导作家, 杰克·雷诺兹, 研究经验学徒计划(REAP)在2023年夏天. Dr. 郑某一直对开发药用功能性注射水凝胶很感兴趣. 然而，可注射的水凝胶是无孔的，不适合细胞递送. 他的实验室在2018年致力于开发利用酶促反应组装明胶微凝胶的方法，并于去年将该方法应用于神经干细胞的封装. Dr. 郑教授指导过 调查 作者瑞安·布德罗(Ryan Boudreau). 他形容杰克“工作愉快”，而且“学习新事物的积极性很高”, 智力明亮, 、勤奋.”
版权所有2024，杰克·雷诺兹
