两性离子水凝胶微球实现间充质干细胞的高效扩增与干性维持

《Colloids and Surfaces B: Biointerfaces》：Zwitterionic hydrogel microspheres for efficient expansion and stemness maintenance of mesenchymal stem cells

本研究针对传统二维培养导致间充质干细胞(MSCs)扩增效率低、干性易丢失的难题，开发了双网络两亲性离子水凝胶微球(DCsa)作为新型微载体。通过引入磺基甜菜碱甲基丙烯酸酯(SBMA)构建高能水合屏障抑制非特异性蛋白吸附，同时利用丙烯酰胺(AAm)提供细胞黏附位点。实验证实DCsa能显著提升MSCs增殖效率并长期维持干性相关基因表达，为再生医学提供可靠的三维培养平台。

　　

在再生医学领域，间充质干细胞(Mesenchymal Stem Cells, MSCs)因其多向分化潜能和免疫调节特性，被视为组织修复和疾病治疗的明星细胞。然而传统二维(2D)培养方式存在扩增效率低、劳动强度大、易污染等瓶颈，更棘手的是长期培养会导致MSCs自发分化或衰老，丧失治疗价值。虽然微载体技术能通过增加比表面积实现三维(3D)规模化培养，但商用微载体（如Cytodex-3）仍难以兼顾高效扩增与干性维持的双重需求。

针对这一矛盾，大连理工大学团队在《Colloids and Surfaces B: Biointerfaces》发表研究，创新性地将两性离子材料磺基甜菜碱甲基丙烯酸酯(SBMA)引入双网络水凝胶微球设计。该研究通过乳液法制备具有核壳结构的DCsa微球，利用SBMA的超亲水性形成高能水合屏障，同时借助丙烯酰胺(AAm)提供动态黏附位点，犹如为干细胞打造既能"防粘附"又能"促生长"的智能栖息地。

关键技术方法包括：采用乳液聚合法构建双网络水凝胶微球，通过磺基琥珀酰亚胺-6-(4'-叠氮-2'-硝基苯胺)己酸酯(sulfo-SANPAH)进行表面功能化修饰，结合扫描电镜、流变仪等表征材料理化性质，并利用转录组测序分析干细胞干性相关基因表达。实验使用人源MSCs进行三维培养验证。

结果与讨论

微载体构建与表征

通过将聚丙烯酸(PAA)与AAm/SBMA共聚物交联，成功制备出直径300-500微米的DCsa微球。力学测试显示双网络结构使微球压缩模量达12.5kPa，优于单网络对照组。溶胀实验证实SBMA引入使微球保持适宜的水合度，为细胞提供柔韧的生长微环境。

蛋白吸附与细胞行为调控

蛋白质吸附实验显示DCsa组非特异性蛋白吸附量仅为商用Cytodex-3的23%。细胞培养7天后，MSCs在DCsa上呈现独特的低黏附增殖模式，细胞直径维持在15-20微米，显著小于对照组（25-30微米），这种形态特征与干细胞干性维持密切相关。

干性维持机制探索

转录组分析发现DCsa组细胞中OCT4、SOX2等多能性基因表达上调2.1-3.4倍，而成骨分化标志物RUNX2下调62%。机制研究表明，SBMA构成的水合屏障有效阻断了血清中分化诱导因子的非特异性吸附，如同为干细胞建立"净化培养舱"。

结论与展望

本研究开发的DCsa微球通过两性离子材料与双网络结构的协同作用，成功破解了MSCs规模化扩增与干性维持难以兼得的行业难题。其创新点在于将抗蛋白吸附功能整合到微载体设计理念中，不仅为干细胞产品工业化生产提供新技术平台，更为理解材料-细胞相互作用提供了新视角。该技术有望加速干细胞疗法从实验室向临床应用的转化进程。