1.1 设计 材料学检测及细胞实验,组间比较采用单因素方差分析、Student’s t检验。
1.2 时间及地点 实验于2023年3-8月在军事医学研究院完成。
1.3 材料
1.3.1 实验细胞 小鼠胚胎成纤维细胞BALB3T3(无锡欣润生物科技有限公司,中国);人脐静脉内皮细胞(浙江美森科技有限公司,中国)。
1.3.2 实验试剂 甲基丙烯酰化明胶(SunP Biotech,中国);PBS、胎牛血清(Gibco,美国);青霉素-链霉素双抗(Cytiva,美国);0.25% Trypsin-EDTA(Sigma-Aldrich,美国);DMEM培养基(Sigma,美国);内皮专用培养基(浙江美森科技有限公司,中国);CCK-8试剂盒(碧云天,中国);苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)磷酸锂盐(SunP Biotech,中国);细胞活/死染色试剂盒(Thermo Fisher Scientific,美国);Matrigel(ABW®Matrigengel,美国);0.22 μm一次性针头式过滤器(Millipore,美国);重组Anti-CD31抗体[EPR17260-263] (ab222783,Abcam,英国);山羊抗兔IgG Fc (Alexa Fluor® 568) (ab175697,Abcam,英国)。
1.3.3 实验设备 扫描电子显微镜(QUANTA FEG 250,美国);酶标仪;生物打印机(SunP BioMaker 4,中国);冷冻干燥机(SCIENTZ-10N,中国);荧光显微镜(NIKON Ti-A1,日本);流变仪(Anton Paar MCR 302,澳大利亚)。
1.4 实验方法
1.4.1 细胞培养 实验选择的人脐静脉内皮细胞为第3-6代,BALB3T3细胞为第6-10代。细胞培养采用内皮专用培养基和完全培养基,完全培养基为含体积分数为10%胎牛血清与体积分数为1%双抗的高糖DMEM培养基,置于37 ℃、体积分数5%CO2培养箱内培养。待细胞融合至70%-80%时传代,使用0.25%胰酶进行消化,190×g离心5 min,弃上清后加入培养基重悬后进行下一步实验。
1.4.2 甲基丙烯酰化明胶水凝胶支架的制备 称取0.75 g甲基丙烯酰化明胶冻干粉溶于9 mL PBS中,70 ℃水浴融化,待绵密的泡沫消失后立即使用滤膜孔径为0.22 μm的过滤器进行过滤,得到无菌水凝胶溶液;随后加入1 mL苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)磷酸锂盐光引发剂,制备含有2.5 g/L光引发剂和75 g/L甲基丙烯酰化明胶的生物墨水。将生物墨水装入3D生物打印机注射器中,用体积分数75%乙醇浸泡的纱布擦拭打印机内部,激活打印机的紫外线杀菌系统照射40 min[5]。设置打印参数:打印注射器针头内径0.25 mm,线距3.0 mm,打印喷嘴温度25 ℃,冷却平台5 ℃,打印速度2 mm/s,挤出速度0.3 mm3/s,利用生物打印机在无菌条件下打印出网格结构。打印完成后使用405 nm紫外光照射60 s使水凝胶交联,照射距离10 mm[5]。
1.4.3 水凝胶支架的表征 生物墨水经3D生物打印后形成支架结构,经光固化后将交联完成的水凝胶支架置于液氮中3 min,快速降温后冻干24 h,对支架进行纵向切割并置于样品台上,喷金后扫描电镜下观察支架表面微观结构。利用流变仪测试甲基丙烯酰化明胶水凝支架的流变特性,测试椎板的直径25 mm、间隙高度0.2 mm,设置工作温度为25 ℃,检测水凝胶支架在0.1-100 rad/s角频率范围内频率与存储模量和损耗模量的关系,在剪切速率为0.1-1 000 1/s的范围内生物墨水的剪切速率和黏度的关系。
1.4.4 水凝胶支架浸提液与条件培养基的制备
水凝胶浸支架提液的制备:根据GB/T16886.5-2017标准,按照每0.1 g样品加1 mL液体的比例,将生物墨水光交联后与完全培养基混合,置于37 ℃培养箱内24 h,190×g离心5 min,收集上清液即为水凝胶支架浸提液,收集后置于4 ℃储存。
条件培养基的制备:使用DMEM培养基溶解甲基丙烯酰化明胶粉末并加入光引发剂,制备75 g/L甲基丙烯酰化明胶和2.5 g/L光引发剂的水凝胶溶液。使用水凝胶溶液重悬BALB3T3细胞,使细胞浓度为1×1010 L-1,进行3D生物打印,得到负载成纤维细胞的三维支架结构。将支架置于直径35 mm的培养皿中,每个培养皿中加入1 mL完全培养基,培养1 d后190×g离心5 min,收集上清液,将上清液与完全培养基按照1∶1、1∶2和1∶4体积比进行混合,获得3组条件培养基,以完全培养基为对照。
1.4.5 水凝胶支架的细胞毒性检测 将人脐静脉内皮细胞、BALB3T3细胞分别接种于96孔板内,细胞密度分别为104/孔、2×104/孔,分别加入内皮专用培养基与完全培养基,置于37 ℃、体积分数5%CO2培养箱内培养。每组设置8个复孔,其中4个复孔用于CCK-8检测,4个复孔用于活/死细胞染色。培养24 h后细胞贴壁,吸去上清液后分2组培养:实验组加入水凝胶支架浸提液,对照组加入完全培养基,每孔100 μL,置于37 ℃、体积分数5%CO2培养箱内培养。
培养第1,3,5天,每孔加入100 μL CCK-8工作液避光孵育40 min,使用酶标仪测量450 nm处的吸光度值。培养第1,3,5天,弃上清后用PBS清洗1遍,每孔加入100 μL活/死细胞染液(每1 mL PBS溶解0.5 μL钙黄绿素-AM和2 μL碘化丙啶)37 ℃避光孵育20 min,荧光显微镜下观察细胞生长情况,利用Image J软件对图像进行处理并进行定量分析。
1.4.6 条件培养基对人脐静脉内皮细胞的影响
成管实验:Matrigel基质胶、24孔板、枪头于4 ℃冰箱过夜。将融化的Matrigel基质胶按照200 μL/孔加入到24孔板中,摇晃孔板以确保基质胶均匀覆盖孔板底部,实验在冰上进行。随后将孔板置于培养箱中,40 min后基质胶凝固,将人脐静脉内皮细胞以4×104/孔的密度接种到基质胶表面,分别加入3种条件培养基与完全培养基,每孔500 μL,每组设置3个复孔,继续置于培养箱中孵育。4 h后在明场下观察细胞成管效果,利用Image J软件对图像进行分析。
血管基因检测:将人脐静脉内皮细胞以2×105/孔的密度接种于6孔板中,每孔加入2 mL内皮专用培养基,待细胞贴壁后吸去上清,分别加入3种条件培养基与完全培养基,每孔2 mL,每组设置3个复孔,2 d换液1次。培养1,3,5 d后,吸去上清用PBS清洗1遍,每孔加入1 mL Trizol试剂吹打细胞并收集,随后提取细胞RNA,经反转录得到cDNA,后续进行实时荧光定量PCR实验,设置GAPDH为内参基因,检测促血管基因血管内皮生长因子、碱性成纤维细胞生长因子的mRNA表达。qRT-PCR检测引物序列见表1。
CD31表达:通过细胞免疫荧光染色检测内皮细胞CD31表达水平。在24孔板底部铺上细胞爬片,人脐静脉内皮细胞接种密度为2×104/孔,置于37 ℃培养箱内培养。待细胞贴壁后吸去上清,分别加入3种条件培养基与完全培养基,500 μL/孔,每组设置3个复孔。培养1,3,5 d后,使用PBS清洗1遍,每孔加入40 g/L多聚甲醛200 μL固定30 min,用PBS冲洗3次,每次5 min;每孔加入0.3%
Tritonx-100 200 μL,30 min后吸去该液;每孔加入体积分数5%山羊血清200 μL,在37 ℃下封闭半小时后吸去血清;加入1∶200稀释的重组Anti-CD31抗体在湿盒中4 ℃过夜,吸去多余的抗体并用PBS冲洗3次,每次5 min;加入1∶400稀释的山羊抗兔IgG Fc室温下避光孵育1 h,吸去多余抗体后继续用PBS冲洗3次,每次5 min,最后用抗淬灭的DAPI染液染细胞核,封固。每张选取至少3个视野进行拍摄,使用AI软件处理图片并进行定量分析。
1.5 主要观察指标 水凝胶支架的材料学表征与细胞毒性,条件培养基对人脐静脉内皮细胞成管、血管基因及CD31表达的影响。
1.6 统计学分析 采用GraphPad Prism 9.5.0软件进行统计分析,每个实验组至少分析3个样本。各组均数两两比较采用Student’s t检验,多个独立样本的均数比较采用单因素方差分析,P < 0.05说明差异有显著性意义。文章涉及的统计学方法已经潍坊医学院生物统计学专家审核。