世界上第一个成功开发出来自虫胶的细胞粘附生物材料 - 开发虫胶，它也用于巧克力糖果，作为可用于再生医学的细胞培养材料 -

演示要点

〇 成功开发出以虫胶为原料的新型生物材料，虫胶是紫胶介壳虫分泌的天然树脂物质，在工业上用作巧克力糖果和药片的表面包衣材料
〇​我们在世界上第一个证明，通过对虫胶进行轻微的化学修饰，可以赋予哺乳动物细胞粘合性能，并成功开发出作为生物材料的工业应用。此外，我们成功开发了一种光响应生物材料，可以通过光照射失去细胞粘附
〇 虫胶作为一种可与传统天然生物材料相媲美的新材料，有望在医学和生物科学领域找到新的工业用途

摘要

　由V体育工学研究科研究生院硕士研究生 Yurino Sunakawa 和副教授 Toshihisa Mizuno 领导的研究小组和岐阜 Cellac Manufacturing Co, Ltd 成功开发了一种以虫胶为原料的新型生物材料，虫胶是介壳虫分泌的天然树脂物质。紫胶是一种常见的天然产物，不仅在日本，而且在欧洲、美洲和世界其他国家都被认为是食品添加剂和药品添加剂（图1）。通过这项研究，我们在世界上首次发现，通过轻微的化学修饰，可以赋予紫胶对哺乳动物细胞的粘合性能，并成功开发了紫胶作为生物材料的新工业应用。哺乳动物（例如人类）的细胞大致分为浮动细胞（例如血细胞）和贴壁细胞（例如表皮细胞、肌肉细胞和神经细胞）。对于贴壁细胞的生长来说，与某种培养基质的粘附是必不可少的，通过赋予紫胶粘附性，可以开发基于紫胶的细胞培养材料。

　

　

　

图1 分泌虫胶的紫胶介壳虫、树枝上分泌的虫胶和纯化虫胶粉的照片（左）以及表面涂有虫胶的巧克力糖果的示例（右）

　

　此外，这种化学修饰可以用光裂解关在笼子里酯^(注1)以21173_21286|的形式因此，我们还成功开发了一种基于虫胶的细胞培养材料，该材料可以通过光照射失去其细胞粘附特性（图2）。

图2 虫胶光响应细胞培养材料的开发
（以浅蓝色突出显示的虫胶改性产品的化学结构被光裂解，导致细胞粘附丧失）

　

　该结果将于2023年11月17日发表在《''

研究背景

　同时具有“细胞粘附/增殖”、“生物相容性”和“生物吸收性”以及足够的机械强度的树脂生物材料的需求不断增加，特别是作为利用与细胞和组织直接接触的医疗材料的支架治疗的基础材料，或者作为细胞治疗中细胞治疗药物和细胞片的大量制备的基本技术，预计未来市场规模将大幅扩大。此外，细胞粘附和生物吸收率可以通过光等外部刺激来控制，预计将被用作细胞递送材料的基础材料，从而能够将细胞治疗药物释放到特定的管理人员手中，预计未来其需求将会增加。
在开发满足上述目标的天然生物材料时，主要使用胶原蛋白、明胶、壳聚糖、透明质酸、来自蚕和蜘蛛的丝素蛋白、来自玉米的玉米醇溶蛋白等进行研究。然而，由于这项研究而出现的具有不同材料特性的新型生物材料将根据预期用途扩大选择范围。

研究内容/结果

紫胶是树脂酸和羟基脂肪酸的交替低聚酯^(注2)组成的天然产物，但它对哺乳动物细胞不具有任何粘附特性，因此在世界任何地方从未被开发为具有细胞粘附特性的生物材料。通过化学改性来扩展紫胶的功能或添加新功能长期以来一直被避免，但这可能是因为紫胶是具有复杂化学结构的聚合物链的混合物，使得选择性化学改性变得困难。该研究小组认为，由于酯类低聚物在每个聚合物链的末端总是有一个羧基，通过对这些末端羧基进行化学改性，可以赋予每个改性残基均匀的物理性能。
　为了赋予细胞粘附和增殖特性，我们合成了一种虫胶改性产品，其中在酯键处引入了一系列具有不同疏水性和亲水性的取代基，并评估了该旋涂膜上的细胞粘附和增殖特性。西标准时间通过测定、共焦荧光显微镜等进行。结果，我们发现，当引入疏水性芳香族取代基（如苄基、三氟苄基和吡啶甲基）时，可以有效地赋予细胞粘附和增殖特性，并且我们在世界上第一个成功地从紫胶中开发出具有细胞粘附特性的生物材料。而且，在这种虫胶改性材料的表面上，不仅有成纤维细胞和表皮细胞，而且间充质干细胞也可以粘附和增殖，并且间充质干细胞还可以用于分化成骨细胞。
　也可光切关在笼子里当我们合成带有羟基苯乙酮基团（称为酯）的改性紫胶并评估其光照射前后的细胞粘附和增殖时，我们发现虽然在光照射前观察到有效的细胞增殖，但光照射后根本没有细胞粘附或增殖（图3）。换句话说，我们成功地开发了一种基于虫胶的生物材料，它可以响应光而改变细胞粘附和增殖。

图3 当NIH3T3细胞接种在含有羟基苯乙酮的改性虫胶上时细胞增殖行为的评估。蓝色条形图显示了将 NIH3T3 细胞接种到未经光照射的虫胶修饰细胞上时的增殖行为。与阳性对照一样，当 NIH3T3 细胞接种在盖玻片上时（黑色条形图），随着培养天数的增加，观察到有效的细胞增殖。另一方面，光照射（340 nm，2小时）后的紫胶改性产物没有表现出任何细胞增殖特性（红色条形图）。

社会意义/未来展望

　紫胶是一种廉价的天然树脂物质，已经建立了工业化生产工艺，并且通过本研究新开发的具有细胞粘附特性的改性紫胶也可以以低成本大量生产。因此，作为一种新的天然来源的细胞粘附生物材料，其用途有望扩大，可与胶原蛋白、明胶、壳聚糖、透明质酸、来自蚕和蜘蛛的丝素蛋白以及来自玉米的玉米醇溶蛋白相媲美。近年来，通过对明胶进行化学改性得到的甲基丙烯酸改性明胶（GelMA)作为骨再生医学的新型培养基质而备受关注，它是通过对天然来源的生物材料进行化学修饰来增强功能和添加功能的成功范例，因此引人注目。此外，天然生物材料因其低生物毒性、生物吸收性和高生物相容性而在再生医学领域的应用受到特别关注，但它们也可能用于培养肉和人造食品生产技术，以应对预期的未来食品问题。此外，通过光照射改变细胞粘附的培养材料的开发不仅可能导致大规模生产干细胞和细胞片的基本技术，而且可能导致新医疗技术的发展。

　本研究结果由公益基金会提供JKA的“2023此项目得到了 2018 年机械推广补贴项目研究资助金的支持。

术语表

（注1）笼中的以斯帖
笼状酯是指在羧基上以酯键的形式引入可光降解的保护基团，在光照射后，该保护基团被除去，羧基恢复到原来的状态。

(注2)树脂酸和羟基脂肪酸的交替酯
紫胶由酯类低聚物组成，其中树脂酸（例如酒瓶酸和乳二酸）和羟基化脂肪酸（例如阿留香酸）通过酯键交替连接。

论文信息

论文标题：细胞粘附紫胶衍生物的设计和光可切换细胞粘附特性的赋予
作者姓名：Yurino Sunakawa、Mai Kondo、Yasushi Yamamoto、Tomohiko Inomata、Yasumichi Inoue、Daisuke Mori、Toshihisa Mizuno*
期刊名称：ACS Applied Bio Materials
发布日期：2023 年 11 月 17 日
DOI：101021/acsabm3c00684
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