ACS AMI┃Rayleigh不稳定性驱动的同轴纺丝技术制备串珠状人造淋巴管

英文原题： Rayleigh Instability Driven Coaxial Spinning of Knotted Cell-laden Alginate Fibers as Artificial Lymph Vessels

通讯作者：聂广军，国家纳米科学中心；Menglin Chen，奥胡斯大学

作者： Sara Seidelin Majidi, Yingchun Su, Mathias Lindh Jørgensen, Christoph Müller, Pourya Forooghi, Guangjun Nie and Menglin Chen

免疫组织具有高度复杂的网络系统，由各种免疫细胞和淋巴管组成，其中淋巴管具有“串珠”结构。作为淋巴系统的一部分，淋巴结有助于免疫细胞与淋巴液输送物质之间的相互作用。为了进一步研究淋巴系统相关疾病病理学，构建可功能性替换、可研究各种免疫细胞免疫应答机制的人工淋巴管意义重大。细胞外基质由蛋白聚糖水凝胶网络组成，已有大量研究利用海藻酸盐水凝胶进行三维细胞封装，用于各种组织工程和生物医学相关的研究。微流体纺丝技术已被报导用于构建具有“串珠”结构的纤维。国家纳米科学中心聂广军和奥胡斯大学Menglin Chen团队探索了由Plateau-Rayleigh不稳定性驱动的同轴纺丝技术，成功制备包封细胞的“串珠”状海藻酸盐纤维，并用于人造淋巴管。

研究者首先评估了不同流速和海藻酸盐浓度对所形成结构形貌及尺寸的影响（图1）。改变壳溶液的流速，可改变“串珠”结构的形态。在较低的流速和较低的浓度下，所形成的珠粒的尺寸相对均匀，流速和浓度增加会导致尺寸较大和尺寸较小的珠粒同时出现（分别定义为主珠粒和卫星珠粒），粒径分布的高斯拟合曲线中亦可看出同一实验条件下存在两个峰，分别属于主珠和卫星珠。

图1. 不同流速及不同海藻酸盐浓度对所形成“串珠”结构及尺寸的影响

并尝试通过Plateau-Rayleigh不稳定性解释串珠形成的原因。主珠的尺寸增加与海藻酸盐溶液的流速增加（与We成正比）和其粘度的增加（与 Oh成正比）相关（图2A）。小主珠与大主珠均可用直线拟合，具有近似的斜距，但截距不同。不稳定的卫星珠（由×形符号表示）均在这两条直线下，表现出尺寸的波动（图2B）。

图2. (A) 以数Ohnesorge数和Weber数为横纵坐标，所表示大主珠和小主珠的相图。(B) 归一化后珠粒的平均大小。 O形及×形符号分别表示主珠及卫星珠。

通过乳酸脱氢酶（LDH）检测试剂盒及活/死细胞染色分别评估材料的生物相容性。PBMC在2％，3％和4％（w / v）海藻酸盐水凝胶中的细胞毒性水平分别为18.1±2.0％，12.5±2.1％和21.9±3.1％（图3A）。 当LDH毒性低于20％时，一般认为生物材料具有生物相容性。海藻酸盐浓度为4％时，由于交联的水凝胶的密度较高，而具有较低的渗透性，阻碍了营养物质的运输，进而导致了较高的细胞毒性。对封装的PBMC细胞（图3B）和Jurkat细胞（永生化的T淋巴细胞系）进行了活/死细胞染色，几乎没有死细胞，进一步证明该生物材料对细胞无毒。

图3. 不同浓度海藻酸盐水凝胶中封装的PBMC的LDH细胞毒性分析及活/死细胞染色。

为了监测细胞的行为，将具有绿色荧光的间充质干细胞eGFP-MSC封装在3％（w / v）海藻酸盐中。封装细胞前后，均可明显地观察到串珠和核壳结构（图4A, D）。通过多图像拼接，可以观察到大规模的串珠结构（图4B）。荧光图像中（图4C），珠粒和细绳结构中均可见eGFP-MSC细胞的荧光信号，这证实了eGFP-MSC已成功封装并分布在整个结构中。培养13天后，可以从图4D和E中可观察细胞形态。

图4. 未包封及包封细胞的串珠结构的显微镜图像。

最后，通过抗CD3抗体诱导T细胞活化，通过ELISA测定IL-2分泌量，证实了PBMC封装在2％海藻酸盐中可保留其原有功能（图5）。在抗CD3（OKT3）激活后的第1天，与阴性对照（未激活的封装细胞，-14.6±6.9 pg / mL）相比，被激活的PBMC封装后的IL-2水平显着增加（Alg.+ C + OKT3，100.0±6.2 pg / mL）。结果表明，可以激活包封的细胞于水凝胶环境中分泌IL-2。

图5. 封装在“串珠”状海藻酸盐凝胶纤维中的PBMC细胞激活实验。

综上所述，利用同轴纺丝技术可成功制备海藻酸盐凝胶的“串珠”结构。海藻酸盐溶液的流速和浓度对珠粒结构的直径有显著影响，其中较高的流速（30 mL/h）和较高的浓度（3.2％，w/v）可形成较大尺寸的珠粒，而较低的流速 （15 mL/h）和较低的浓度（1.6％，w/v）有助于形成较小尺寸的珠粒，珠粒尺寸范围从0.26±0.05 mm到0.81±0.12 mm可调。“串珠”状纤维具有很高的生物相容性，可在2-3％ w/v藻酸盐中封装多种细胞系，包括人PBMC、eGFP-MSC和Jurkat细胞。本文以简化的方式模拟淋巴管结构，所包封的PBMCs的功能良好，可以被激活并分泌IL-2。

相关论文发表在ACS Applied Materials & Interfaces 上，奥胡斯大学博士研究生Sara Seidelin Majidi和博士后苏迎春为文章的共同第一作者，聂广军教授和Menglin Chen教授为共同通讯作者。

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Rayleigh Instability-Driven Coaxial Spinning of Knotted Cell-Laden Alginate Fibers as Artificial Lymph Vessels

Sara Seidelin Majidi, Yingchun Su, Mathias Lindh Jørgensen, Christoph Müller, Pourya Forooghi, Guangjun Nie*, and Menglin Chen*

ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021, 13, 22142–22149, DOI: 10.1021/acsami.1c00798

Publication Date: May 7, 2021

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（本稿件来自ACS Publications）