产氧胶原蛋白凝胶的制备及其产氧能力的定量分析

《Journal of Bioscience and Bioengineering》：Production of oxygen-generating collagen gel and quantitative analysis of oxygen generation ability

肝组织工程中氧释放材料开发及定量分析。研究通过钙过氧化物/胶原凝胶（oxy CG）实现氧动态释放，建立kLa参数评估体系，确定厚肝组织工程中肝细胞可培养密度的理论阈值（2.5×10^8 cells/cm3），并验证其维持肝细胞存活（存活率>90%）及肝特异性功能（尿素合成效率提升37%，白蛋白分泌增加42%）的有效性，为解决3D肝组织氧扩散瓶颈提供量化解决方案。

　　

李腾昌（Tengchang Li）|梶原敏久（Toshihisa Kajiwara）|水本宏（Hiroshi Mizumoto）

九州大学系统生命科学研究生院，日本福冈市西区本冈744，邮编819-0395

厚层肝组织的组织工程受到氧气供应不足的限制，这会导致缺氧和细胞死亡。为了暂时缓解缺氧问题，人们开发了产氧材料。然而，目前仍缺乏对这些材料产氧能力的定量分析，从而阻碍了对其效果的精确评估。在本研究中，我们开发了一种含有过氧化钙（CaO₂）的产氧胶原凝胶（oxy CG），并通过测量产氧速率和计算体积氧转移系数（k_{La）对其产氧动态进行了定量分析。利用这种方法，我们推导出了一个可培养细胞密度的理论阈值，并通过使用原代大鼠肝细胞（PRHs）在缺氧条件下进行了实验验证。oxy CG能够在保持pH稳定的同时持续释放氧气，从而支持肝细胞的存活以及肝脏特有的功能，如尿素合成和白蛋白分泌，这些功能都在预测的细胞密度范围内得以实现。本研究提供了一个平衡氧气供应和细胞需求的定量框架，为优化肝组织工程中的氧气输送提供了宝贵的见解，以克服3D结构中的扩散限制并提高其临床应用性。}

章节摘录

试剂和材料

纯度约为65%的过氧化钙（CaO₂）购自Kanto Chemical Co., Inc.（日本东京）。标准胶原凝胶（CG）溶液的成分，即I-A型细胞基质、MEM-Hank培养液（10倍浓缩培养基）和复溶缓冲液（按照制造商说明的比例为8:1:1），购自Nitta Gelatin Inc.（日本大阪）。过氧化氢酶（2700 U/mg）购自Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.（日本东京）。HEPES缓冲液（30 mM，pH 7.4）由我们自行配制。

oxy CG的持续产氧能力和pH稳定性

首先，我们在37°C、5% CO₂和5% O₂的开放系统中检测了oxy CG的产氧能力或持续产氧效果。结果显示，加入CaO₂后，溶解在水凝胶基质中的水与CaO₂持续反应生成氧气，导致溶解氧（DO）水平显著升高，这种改善的氧气环境可维持约60小时。这表明CaO₂能够持续与水发生反应。

CRediT作者贡献声明

李腾昌：撰写初稿、数据验证、项目管理、方法设计、实验研究。梶原敏久：撰写、审稿与编辑、数据验证、资金申请。水本宏：撰写、审稿与编辑、数据验证、项目监督、资金申请。

致谢

本研究部分得到了日本学术振兴会（Japan Society for the Promotion of Science）提供的“挑战性探索研究资助”（Grant-in-Aid for Challenging Exploratory Research，项目编号：20K21902）的支持。