《ACS Nano》综述：用于组织工程的磁性纳米复合水凝胶

【背景介绍】

组织工程（TE）的最终目标是将受损组织完全恢复到受伤前的状态，同时减少愈合时间和医疗并发症。为此，该领域依赖于能够在组织形成的初始阶段提供结构支撑的人造复合材料（支架）的开发。这些工程支架应具有以下特征：（i）从纳米到宏观模拟天然组织的复杂结构；（ii）满足组织的机械，电气和结构特性，这些特性在几乎所有情况下都是异质的；（iii）提供所需的生物物理和生化线索，以诱导所需的包囊细胞生长，增殖和分化；（iv）确保按需设计脚手架设计的技术可扩展性。

【摘要】

人体的大多数组织都具有高度各向异性的物理特性和生物组织。磁性纳米颗粒的固有性质使其能够用作磁机械远程致动器，以在外部磁场的作用下控制封装在水凝胶中的细胞的行为。最近，葡萄牙米尼奥大学Rui M. A. Domingues和 Manuela E. Gomes教授团队在《ACS Nano》上发表题为Magnetic Nanocomposite Hydrogels for Tissue
Engineering: Design Concepts and Remote Actuation Strategies to Control Cell Fate的综述。他们结合了制备显示出可控性能的磁性纳米粒子的主要策略的详细摘要，以及将其掺入水凝胶的不同方法的分析。还综述了磁响应纳米复合水凝胶在不同组织工程中的应用。

【图文解析】

洞察TS-Gel-Ag-Col凝胶成分之间的相互作用

在用于TE支架开发的所有材料中，聚合物水凝胶是最有前途的候选者，因为它们的富水成分类似于生物组织的水，从而可以包裹细胞和其他生物实体，并且有可能成为可能。在作用部位以液态注入，并在原位形成凝胶。在生物医学领域中使用的不同纳米材料中，磁性纳米颗粒（MNP）是最令人感兴趣的一种，因为它有可能被外部施加的磁场远程驱动。单独或作为更复杂结构的一部分将其掺入水凝胶已被广泛评估。MNP的固有特性可通过施加外部磁场来控制其在水凝胶网络的3D空间中的分布，从而实现各向异性磁响应支架材料的受控设计。此外，可以利用外部施加的磁场按需提供的磁/机械刺激，结合由磁性材料定义的分布产生的各向异性结构，来控制封装的细胞的生长，迁移，增殖和分化在磁性水凝胶中朝向目标谱系，从而产生具有特定有序特征的充满细胞的构建体，从而重建了天然组织的结构（图1）。

图1.示意图：使用磁性水凝胶工程化人体的不同组织。

磁性纳米粒子

当施加交变磁场或非交变磁场时，MNP的磁性取决于其响应。通过控制MNP的物理和化学特征（图2），可以预测它们在磁场作用下的响应。因此，在这类纳米材料上感应的磁矩可用于控制其方向和/或在其他更复杂结构内的积累，同时防止其聚集，沉淀和/或非特异性定位，以及发生不良的相互作用或对周围环境的潜在有害副作用。

图2.不同MNP的透射电子显微镜图像

最初的考虑因素：MNP的磁性和结构。

MNP的特殊特性证明了它们在广泛应用中的广泛使用。为了更好地理解MNP的特性可能发生的变化，有必要引入以下幅度来定义磁性材料：

饱和磁化强度（MS）：这是MNP在磁场作用下可以达到的最大磁化强度。

剩余磁化强度（MR）：表示去除磁场后MNP的剩余磁化强度。

矫顽磁场（Hc）：必须施加磁场以使材料的净磁化强度恢复为零。

磁各向异性常数（Ka）：由MNP的物理特性（尤其是晶格的对称性）定义。此大小确定势垒能量以反转磁偶极子的方向。

这些参数是从铁磁性和亚铁磁性材料的磁化强度与外加磁场曲线获得的，这些曲线通常使用超导量子干涉仪（SQUID）或振动样品磁力计（VSM）进行测量。所有这些量值都与磁性材料的物理化学性质有很大的依赖性，可以通过对MNPs的制造过程进行详尽的控制来调整其值。另一方面，非磁性材料的特点是对外部磁刺激的响应极弱，可以分为抗磁性（被磁场排斥）或顺磁性（被磁场吸引）（图3a）。

图3.（a）铁/亚铁磁性，超顺磁性，抗磁性和顺磁性材料的典型磁化强度与施加磁场（MvsH）曲线。（b）当施加外部磁场时，球形MNP和立方MNP中原子磁矩方向的示意图。（c）锌掺杂对磁铁矿MNP影响的示意图。（d）配体交换，取代原始配体（蓝色）和（e）聚合物涂层（MNP被聚合物层（红色）包围）的示意图。最初的油酸封端的MNP在使用聚（马来酸-alt-酸酐）接枝的十二烷基胺进行聚合物涂覆之前和之后在（g）己烷（顶部）-水（底部）混合物中稳定。

磁场：制造和细胞刺激的实验配置

对施加的磁场进行精细控制是实现电磁支架在TE领域中后续应用所需设计的关键因素。根据实验设置，所产生的磁场可以是静态的（在任何给定点，其振幅和方向都是恒定的）或交变的（振幅和方向连续变化，通常以周期性周期变化）。在TE领域，静磁场通常用于在支架中产生各向异性，而AFM最常用于对材料和细胞进行刺激/远程激活。

为了产生静磁场，最常见的实验装置包括两个平行的永磁体，它们可以根据磁体的强度来控制所产生磁场的振幅。他们之间的距离。还可以建立基于大量具有特定空间分布的永磁体的更复杂的配置，它们在其他应用（例如磁性药物输送）中的用途得到了进一步扩展。单个磁体也可以用于产生静磁场，但是磁场线在同一磁体的另一极上闭合，因此很难在远离磁体的地方获得均匀的磁场（图4a）。例如，已使用两个平行的钕N52磁铁产生静磁场，磁场强度为108
mT，以将水凝胶基质中的磁响应粒子排列在一起（图4b）。

图4.产生各向异性生物材料的静磁场

各向异性生物材料的磁辅助设计和远程驱动以指导细胞行为

磁性已被广泛用于在模拟人体天然组织的水凝胶中诱导所需的各向异性程度。通过应用高强度磁场，已开发出不同的非磁性材料（例如聚合物或蛋白质）的弱磁响应来在水凝胶中创建各向异性的结构模式。然而，磁性材料的掺入和在低强度外部磁刺激下控制其响应已成为设计各向异性水凝胶的首选策略。通过施加外部磁场远程控制MNP行为的可能性使这些颗粒成为可能。

为了在生物材料内实现磁性元素的理想分布，所施加的磁场通常是静磁的（磁场强度和方向不会随时间变化）。在这些场的作用下，磁性材料受到均匀的力，通过控制磁性刺激的强度，方向和持续时间，使磁性材料达到所需的各向异性（图5）。

图5.（a）可用于制备载有MNPs的水凝胶的不同策略的示意图。（b）掺入不同数量的垂直和平行排列的磁响应纤维素纳米晶体对明胶水凝胶的储能模量的影响浓度。（d）各向同性和各向异性的明胶水凝胶对接种的人脂肪来源的干细胞（hASC）的排列的影响。（e）封装人间充质干细胞后，软骨蛋白标记物聚集蛋白聚糖（红色），SOX9（绿色）和胶原蛋白II（绿色）在磁性水凝胶中上调。

抗磁性材料负载的水凝胶

在存在外部磁场的情况下，材料原子核周围的电子会做出反应，从而产生电流，这些电流试图抵消施加的磁场所产生的影响。任何材料都显示出对施加磁场的弱抵抗力，这被称为反磁性。以此方式，例如，当抗磁性的棒状颗粒暴露于外部磁场时，由于它们的最小尺寸与该磁场相对，因此它们垂直于其取向，从而使排斥力最小。

还利用碳纳米管和氧化石墨烯颗粒的反磁响应来创建各向异性的聚合物凝胶，在两种情况下都需要达到10 T的磁场才能获得所需的取向。De France等人设计了一种用磁响应性纤维素纳米晶体改性的可注射的各向异性PEG基水凝胶。作者证明了1.2
T的磁场足以在凝胶化过程中诱导纳米晶体的排列，产生具有方向依赖性机械性能的各向异性支架，并能够促进封装的骨骼肌成肌细胞的排列和分化（图6a）。在类似的方法中，400 mT磁场使明胶水凝胶中的纤维素纳米晶体取向，在这种情况下试图模仿肌腱结构。纳米晶体取向所需的低磁场归因于聚合物链在其表面上的吸附，这增加了其有效体积，因此，由于其对磁性取向的敏感性，与其他颗粒间的物理相互作用也共同起作用。

图6.通过掺入磁响应材料并随后施加外部磁场而制备的各向异性水凝胶的显微镜图像。上面的图像显示了静态条件下的样品，下面的图像显示了在磁场作用下的样品。

磁性水凝胶在组织工程中的应用

受伤事件发生后，人体的愈合反应自然会被编程以恢复止血，并始终导致形成修复性纤维化疤痕组织，从而替代原始细胞和ECM。然而，与未受伤的组织相比，新形成的疤痕组织具有较低的组织结构，较差的生物力学性能和较差的功能。再生策略的最终目标是使生物工程系统能够触发这种自然的修复过程，甚至完全替换受损的低功能组织，同时引导新的组织形成并恢复其原始功能。实现这一最终目标意味着需要在成熟步骤的体外和组织工程构建的移植后的体内，控制细胞微环境的多种生物物理，生化和生物学线索。磁性水凝胶是多功能脚手架生物材料，可提供（远程）控制这些线索中的许多线索，尤其是生物物理线索，而其他非磁性响应系统则无法提供这些手段。

身体中的许多组织呈现出特定的基本结构的各向异性组织，其尺寸级别从纳米级到宏观级（图7-12），赋予它们不同的机械，光学和电学性质。在天然组织中，生物学信号起源于响应组织的结构和机械特性而定义的细胞形态（亚细胞器的方向和定位以及细胞极性），是已知的细胞命运调节因子。在TE应用中，控制脚手架生物材料的3D几何参数是调节细胞扩散，迁移和形态的有效策略，从而影响其形态发生。