Preparation of Photo/reduction Dual-responsive Hydrogel Microspheres and Their Application in Three-dimensional Cell Culture

doi:10.7503/cjcu20220116

Abstract

Abstract:

A kind of photo/reduction dual-responsive hydrogel microsphere was designed and prepared to achieve scalable three-dimensional（3D） cell culture and enzyme free harvest under mild conditions. The hydrogel microsphere contains a dual-responsive functional monomer（M1）， in which the functional groups of ortho-nitrobenzyl ester can ligate with amino compounds under ultraviolet（UV） irradiation， thus achieving effective immobilization of adhesive proteins on the surface of hydrogel microspheres and mediating cell adhesion through protein-integrin interaction. After the growth and proliferation of cells on the surface of microspheres， the disulfide bond group can be reduced by glutathione， which mediates the non-enzymatic and non-destructive release of cells. Such a novel method that regulates cell adhesion and release by immobilization and release of bioactive molecules on the surface of hydrogel microspheres provides a universal and effective strategy for cell engineering.

Key words: Hydrogel microspheres, Three-dimensional（3D） cell culture, Dual stimuli-responsive, Cell adhesion and release

CLC Number:

O631

TrendMD:

WANG Xuebin, XUE Yuan, MAO Hua’nyu, XIANG Yanxin, BAO Chunyan. Preparation of Photo/reduction Dual-responsive Hydrogel Microspheres and Their Application in Three-dimensional Cell Culture[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(8): 20220116.

Figures/Tables 8

References 27

1	Villa⁃Diaz， L. G.， Ross A. M.， Lahann J.， Krebsbach P. H.， Stem Cells， 2013， 31（1）， 1—7
2	Schnaper H. W.， Grant D. S.， Stetler⁃Stevenson W. G.， Fridman R.， D'Orazi G.， Murphy A. N.， Bird R. E.， Hoythya M.， Fuerst T.R.， French D. L.， Quigley J. P.， Kleinman H. K.， J. Cell Physiol.， 1993， 156（2）， 235—246
3	Tohyama S.， Fujita J.， Fujita C.， Yamaguchi M.， Kanaami S.， Ohno R.， Sakamoto K.， Kodama M.， Kurokawa J.， Kanazawa H.， Seki T.， Kishino Y.， Okada M.， Nakajima K.， Tanosaki S.， Someya S.， Hirano A.， Kawaguchi S.， Kobayashi E.， Fukuda K.， Stem Cell Reports， 2017， 9（5）， 1406—1414
4	Tanaka H.， Murphy C. L.， Murphy C.， Kimura M.， Kawai S.， Polak J. M.， J. Cell Biochem.， 2004， 93（3）， 454—462
5	Choi S. W.， Yeh Y. C.， Zhang Y.， Sung H. W.， Xia Y.， Small， 2010， 6（14）， 1492—1498
6	Kapałczyńska M.， Kolenda T.， Przybyła W.， Zajączkowska M.， Teresiak A.， Filas V.， Ibbs M.， Bliźniak R.， Łuczewski L.， Lamperska K.， Arch. Med. Sci.， 2018， 14（4）， 910—919
7	Riedl A.， Schlederer M.， Pudelko K.， Stadler M.， Walter S.， Unterleuthner D.， Unger C.， Kramer N.， Hengstschläger M.， Kenner L.， Pfeiffer D.， Krupitza G.， Dolznig H.， J. Cell Sci.， 2017， 130（1）， 203—218
8	Duval K.， Grover H.， Han L. H.， Mou Y.， Pegoraro A. F.， Fredberg J.， Chen Z.， Physiology， 2017， 32（4）， 266—277
9	Sun M.， Liu A.， Yang X. F.， Gong J. X.， Yu M. F.， Yao X. H.， Wang H. M.， He Y.， Adv. Nanobiomed Res.， 2021， 1（5）， 2000066
10	Castiaux A. D.， Spence D. M.， Martin R. S.， Anal. Methods， 2019， 11（33）， 4220—4232
11	Huh D.， Hamilton G. A.， Ingber D. E.， Trends Cell Biol.， 2011， 21（12）， 745—754
12	Wang H.， Brown P. C.， Chow E. C.， Ewart L.， Ferguson S. S.， Fitzpatrick S.， Freedman B. S.， Guo G. L， Hedrich W.， Heyward S.， Hickman J.， Isoherranen N.， Li A.， Liu Q.， Mumenthaler S. M.， Polli J.， Proctor W. R.， Ribeiro A.， Wang J.， Wange R. L.， Huang S. M.， Clin. Transl. Sci.， 2021， 14（5）， 1659—1680
13	Caliari S. R.， Burdick J. A.， Nat. Methods， 2016， 13（5）， 405—414
14	Tibbitt M. W.， Anseth K. S.， Biotechnol. Bioeng.， 2009， 103（4）， 655—663
15	Wen J.， Xu Z. M.， Qi D. S.， Wang J. Y.， Yu S. J.， He C. L.， Han B.， Chem. J. Chinese Universities， 2019， 40（9）， 2020—2027
	文静，徐志民，齐德胜，王佳玉，于双江，贺超良，韩冰. 高等学校化学学报， 2019， 40（9）， 2020—2027
16	Li Q.， Qi G. Y.， Liu X. M.， Bai J. F.， Zhao J. K.， Tang G. S.， Zhang Y. S.， Chen⁃Tsai R.， Zhang M.， Wang D. H.， Zhang Y. Y.， Atala A.， He J. Q.， Sun X. S.， Adv. Funct. Mater.， 2021， 31（41）， 2104046
17	Ma D. D.， Zhou N. Z.， Zhang T. Z.， Hu K.， M X. E.， Gu N.， Colloids Surf. A Physicochem. Eng. Asp.， 2017， 522， 97—104
18	Xu P. W.， Jiang F. L.， Zhang H. B.， Yin R. X.， Cen L.， Zhang W. J.， Tissue Eng. Part C Methods， 2020， 26（8）， 418—432
19	Yang M. Y.， Wang W.， Tian Z. Q.， Li Y. Y.， Yuan Z.， Chem. J. Chinese Universities， 2017， 38（2）， 326—334
	杨美跃，王蔚，田志清，李营营，袁直. 高等学校化学学报， 2017， 38（2）， 326—334
20	Skardal A.， Sarker S. F.， Crabbé A.， Nickerson C. A.， Prestwich G. D.， Biomaterials， 2010， 31（32）， 8426—8435
21	Pan G.， Guo Q.， Ma Y.， Yang H.， Li B.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2013， 52， 6907—6911
22	Ekerdt B. L.， Fuentes C. M.， Lei Y.， Adil M. M.， Ramasubramanian A.， Segalman R. A.， Schaffer D. V.， Adv. Healthc. Mater.， 2018， 7（12）， 1800225
23	Lee T. J.， Wu T. P.， Park J. H.， Song J. H.， Jeong， G. J， Hyun， J. Y.， Lee J. Y.， Lee S. H， Lee D. S.， Bhang S. H.， J. Ind. Eng. Chem.， 2020， 88， 373—381
24	Xue Y.， Liu D.， Wang C. X.， Bao C. Y.， Wang X. B.， Zhu H. Y.， Mao H. N.， Cai Z. W.， Lin Q. N.， Zhu L. Y.， ACS Appl. Bio. Mater.， 2020， 3（4）， 2410—2418
25	Cai Z. W.， Huang K. P.， Bao C. Y.， Wang X. B.， Sun X. C.， Xia H.， Lin Q. N.， Yang Y.， Zhu L. Y.， Chem. Mater.， 2019， 31（13）， 4710—4719
26	Ming Z. Z.， Ruan X.， Bao C. Y.， Lin Q. N.， Yang Y.， Zhu L. Y.， Adv. Funct. Mater.， 2017， 27（25）， 1606258
27	Sudo Y.， Kawai R.， Sakai H.， Kikuchi R.， Nabae Y.， Hayakawa T.， Kakimoto M. A.， Langmuir， 2018， 34（2）， 653—662

[1]	JIAO Long, DAI Xuemin, MU Jianxin, DU Zhijun, WANG Hanfu, DONG Zhixin, QIU Xuepeng. Preparation and Properties of High Heat-resistant Polyimide Films for Flexible OLED [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(11): 20220390.
[2]	XU Huan, KE Lyu, TANG Mengke, SHANG Han, XU Wenxuan, ZHANG Zilin, FU Yanan, HAN Guangdong, CUI Jinsheng, YANG Haoran, GAO Jiefeng, ZHANG Shenghui, HE Xinjian. In⁃situ Liquid Exfoliation of Montmorillonite Nanosheets in Poly（lactic acid） to Resist Oxygen Permeation [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(11): 20220316.
[3]	YANG Weiming, XI Aoqian, YANG Bin, ZENG Yanning. Fabrication and Properties of Epoxy Vitrimer Based on Multiply Dynamic Covalent Bonds [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(11): 20220308.
[4]	CHANG Sihui, CHEN Tao, ZHAO Liming, QIU Yongjun. Thermal Degradation Mechanism of Bio-based Polybutylactam Plasticized by Ionic Liquids [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(11): 20220353.
[5]	ZHANG Tao, SHAO Liang, ZHANG Menghui, MA Zhonglei, LI Xiaoqiang, MA Jianzhong. Preparation and Properties of Bifunctional Polydimethysiloxane/Copper Nanowire Composite Films [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(11): 20220359.
[6]	YAN Shuting, YAO Yuan, TAO Xinfeng, LIN Shaoliang. Synthesis and Properties of Polypeptoid Hydrogels Containing Sulfonium Groups [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(11): 20220381.
[7]	TAN Lejian, ZHONG Xuanshu, WANG Jin, LIU Zongjian, ZHANG Aiying, YE Lin, FENG Zengguo. Low Critical Dissolution Temperature Behavior of β⁃Cyclodextrin and Its Application in the Preparation of β⁃Cyclodextrin Sheet Crystal with Ordered Nano⁃channel [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(11): 20220405.
[8]	GAO Huiling, CAO Zhenzhen, GU Fang, WANG Haijun. Monte Carlo Simulation on Self-healing Behaviour of Hydrogen-bonded Hydrogel [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(11): 20220482.
[9]	WANG Shoubai, WU Xiuming, SHU Chen, ZHONG Min, HUANG Wei, YAN Deyue. Gas Separation Performance of Polyimide Homogeneous MembranesContaining tert-Butyl Groups [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(11): 20220357.
[10]	JIA Hongjun, ZHANG Jiatao, MA Zhuoli, WANG Heng, YANG Xinyu, YANG Jiazhi. Preparation of PTFE/PAA/Nafion Composite Membrane by Aqueous Polymerization of Acrylic Acid and Its Properties [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(11): 20220350.
[11]	ZHU Ge, LI Zhihan, LIU Kun, SUN Tianmeng. Effect of Aluminium Nanopowders on Activation of Dendritic Cells [J]. Chem. J. Chinese Universities, 0, (): 20220602.
[12]	LI Jichen, CAI Shanshan, PENG Jubo, LI Hongfei, DUAN Xiaozheng. Structural Variations of Ionic Polymeric Vesicles under Electric Field: A Molecular Dynamics Simulation Study [J]. Chem. J. Chinese Universities, 0, (): 20220553.
[13]	. Novel Biodegradable Nanodrugs ZnO2@Fe3+-TA@PVP for Chemodynamic Therapy [J]. Chem. J. Chinese Universities, 0, (): 20220554.
[14]	LI Lun, ZHANG Jingyan, LUO Jing, LIU Ren, ZHU Yi. Synthesis and Properties of UV/Vis-LED Excitable Photoinitiators Based on Coumarin Pyridinium Salt [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(10): 20220178.
[15]	TAO Xingfu, HAN Chenglong, YANG Yang, LIU Kun. Synthesis of Aluminum Nanoparticles@Polymer Core-shell Nanostructures by Surface-initiated Polymerization [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(10): 20220367.