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不同明膠來源的應用

生物衍生材料 (biofabrication applications) 已經廣泛應用在組織再生或是器官修補上。技術上來說,製造生物衍生材料方式可分為兩大類,分別是 Bioprinting 以及 Bioassembly。Bioprinting 是直接將生物衍生材料印成 3D 的支架,讓細胞或組織生長在上面 ; 相反地,Bioassembly 則是利用細胞本身去製造出支架結構。

 

製作生物衍生材料所需的原料是關鍵,它必須擁有像是壓縮性、熱穩定性、黏性以及細胞貼附性等等特性。 目前最常用的材料為 gelatin methacrylate (GelMA) 水凝膠,這種合成物主要來源是從豬皮中的明膠 (gelatin) 合成而成,但是在先前研究指出 GelMA 對熱較敏感,容易造成黏性過強,進而造成製作出來的支架不均勻或是列印機噴頭堵塞。為了解決這個問題,研究團隊利用魚皮中萃取出的明膠以及冷融明膠 (cold soluble gelatin,來源於豬皮卻有不同的化學修飾) 來解決豬皮明膠造成的問題。結果顯示,常溫下 (20℃) 這兩種明膠比起豬皮明膠較容易溶解。另一方面,相較於冷融明膠及豬皮明膠,魚皮明膠接上 methacryl group 的程度比較低,因此在抗壓程度上面也相較其他兩種來的低。而在膨脹率上魚皮比另外兩種來的高許多,作者指出原因可能是魚皮明膠比較不容易接上太多官能基的緣故。更進一步,明膠通常低於 30℃ 後就會開始凝結,而在研究中所使用的魚皮明膠在 10℃ 時仍然可以保持液態 (冷融明膠在 20℃,豬皮明膠在 40℃)。

 

接下來回到生物應用性上,作者將這三種明膠應用在細胞實驗上,從結果中發現,豬皮及冷融明膠在 2D 細胞培養時,細胞生長速率比起魚皮明膠來的快。但在其他相關研究中指出,豬皮明膠在長時間培養下,細胞反而會開始停止生長。此外,在 3D 培養情況中,這三種明膠都能維持細胞在三度空間中的生長。最後作者也去測試三種明膠是否也能應用在微滴 (microdroplet) 的實驗,微滴在生醫工程上面有重要的應用,像是影像偵測,藥物遞送以及細胞運輸等等。結果顯示,只有魚皮及冷融明膠能在 20℃ 中仍可以形成微滴,而豬皮明膠因為凝固而無法形成。在微滴的大小上,魚皮跟冷融明膠比豬皮明膠來的小許多。

 

總結整個研究中,作者指出不同來源的明膠有著不同的特性,進而影響了生醫材料上的應用範圍。因此將來組織修復再造的研究上,我們應該要考慮所需的應用來決定使用的明膠種類。

 

在不同的溫度下,魚皮明膠、冷凝明膠及豬皮明膠(左至右)有無凝固,以測量膨脹率及應力性質(圖上方)。微滴實驗則僅有魚皮明膠及冷凝明膠可以在20℃下形成微滴,豬油明膠則因溫度過低產生凝固 (圖左下)。在 2D 細胞培養上,則可以看到冷凝明膠及豬皮明膠細胞生長率較佳 (圖右下)。圖片來源:https://goo.gl/SUTJLR

 

參考資料:

  1. Wang, Z., Tian, Z., Menard, F., & Kim, K. (2017). Comparative study of gelatin methacrylate hydrogels from different sources for biofabrication applications. Biofabrication9(4), 044101. doi:10.1088/1758-5090/aa83cf
  2. Murphy, S. V., & Atala, A. (2014). 3D bioprinting of tissues and organs. Nature Biotechnology32(8), 773-785. doi:10.1038/nbt.2958

     

撰文│ 李丞釩

修訂│ 楊仁龍

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李 丞釩

台大醫學院生物化學暨分子生物研究所博士班,主要研究癌症轉移的機制。目前在美國UT southwestern做研究交流。希望透過Investigator平台認識更多興趣相投的朋友,也能在科研上切磋成長。希望能跟這個大家族一起為台灣的生醫領域有所貢獻。