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  在體細胞生活在一定的微環(huán)境中，微環(huán)境中多種信號（包括物理、化學信號）起到維持細胞正常形態(tài)功能的作用。越來越多的研究表明，機體發(fā)育、疾病的發(fā)生發(fā)展等生理病理過程與細胞及其力學微環(huán)境（mechanical microenvironment）的變化密切相關(guān)。細胞微環(huán)境中的多種力學信號（如基質(zhì)剛度、應(yīng)力/應(yīng)變）是調(diào)控在體多種細胞（如肌肉細胞、神經(jīng)細胞等）生物學行為的關(guān)鍵物理因素。為了進一步構(gòu)建細胞力學微環(huán)境，西安交通大學仿生工程與生物力學研究所（BEBC）和孫曉龍教授課題組合作采用“點擊（click）化學”和 “去點擊（declick）化學”等反應(yīng)開發(fā)了一種新型力學性質(zhì)可調(diào)及化學結(jié)構(gòu)可控的水凝膠體系。

  該水凝膠體系的反應(yīng)機理是通過小分子基團化學反應(yīng)實現(xiàn)的，通過“點擊反應(yīng)”在共軛分子受體上發(fā)生胺-硫醇以及硫醇-硫醇的取代反應(yīng)，以及通過“去點擊反應(yīng)”添加DTT在中性反應(yīng)條件下形成新的共軛受體，通過不同的化學反應(yīng)分別調(diào)控水凝膠的形態(tài)和力學性質(zhì)。水凝膠1是整個反應(yīng)凝膠體系的基礎(chǔ)，是通過銅催化的炔基-疊氮點擊化學反應(yīng)形成的聚乙二醇（PEG）水凝膠（圖1）。

圖1.  水凝膠反應(yīng)機理圖

  通過氨基-巰基置換，巰基-巰基置換的化學反應(yīng)，在室溫以及中性緩沖液條件下，分別向水凝膠1種加入線性PEG，最終形成水凝膠2和水凝膠3；通過添加DTT和H₂O₂最終形成含有二硫鍵的水凝膠4（圖2）。作者分別利用流變儀，紫外-可見分光光度計，核磁共振儀等儀器測試和追蹤了化學反應(yīng)和結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化的過程。

圖2. 水凝膠體系反應(yīng)示意圖

  基于干細胞治療在治療各種疾病方面顯示出巨大的潛力，而有效的細胞傳遞是其中的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。為了實現(xiàn)細胞傳遞，水凝膠可以提供細胞保護和一個穩(wěn)定的三維生理環(huán)境。在水凝膠體系中，由于正交反應(yīng)，水凝膠1和水凝膠2的轉(zhuǎn)換可以在原位發(fā)生，對干細胞的包封具有細胞友好性，因此，在水凝膠2的形成過程中加入干細胞（hMSCs）。最終形成的水凝膠2為3D細胞培養(yǎng)提供了良好的支架。當干細胞治療結(jié)束，凝膠需要快速降解時，通過加入DTT將水凝膠2快速降解，離心后釋放細胞。這些結(jié)果表明，水凝膠2作為細胞載體用于細胞治療的巨大潛力（圖3）。

圖3. 水凝膠在3維細胞培養(yǎng)中的應(yīng)用

  以上相關(guān)成果發(fā)表在ACS Macro Letter（DOI: 10.1021/acsmacrolett.1c00276）上。論文的第一作者為西安交通大學BEBC博士生常樂，共同作者分別為西安交通大學BEBC博士生王聰，西安紅會醫(yī)院消化內(nèi)科副主任醫(yī)師韓霜博士，通訊作者為BEBC徐峰教授，共同通訊作者為西安交通大學孫曉龍教授。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsmacrolett.1c00276