新型“溫控可收縮“水凝膠！血管、腎小管3D打印成為可能

長久以來，科學家試圖在體外重現(xiàn)人體血管、腎小管等復雜微結(jié)構(gòu)，卻屢屢碰壁，究其原因，主要因為（1）精度極限：傳統(tǒng)3D打印噴嘴直徑普遍＞200微米，強行打印微小管道會導致堵塞；（2）細胞存活困境：模具灌注法易造成細胞分布不均，存活率不足70%；（3）成像障礙：收縮后材料渾濁，顯微鏡下無法觀測細胞動態(tài)。

近日，荷蘭烏得勒支大學科研團隊突破性研發(fā)出一種能感知溫度的神奇水凝膠，并結(jié)合3D體積打印技術(shù)，成功實現(xiàn)打印直徑在微米級的管狀結(jié)構(gòu)，為人工器官制造開辟了全新路徑。相關研究發(fā)表于《Advanced Functional Materials》的“Tunable Thermoshrinkable Hydrogels for 4D Fabrication of Cell-Seeded Channels"，這項研究成果不僅刷新了微觀制造的精度紀錄，更讓"在實驗室培育功能性器官"的夢想照進現(xiàn)實。

實  驗  結(jié)  果：

1、熱響應性水凝膠前驅(qū)體的合成與表征

本研究首先合成了一種ABA三嵌段共聚物PNH-MA，如下圖。該共聚物設計整合了三個關鍵組分：i) 基于PNIPAM的熱響應域，ii) 基于PEG的親水塊（確保收縮前后充分水合），iii) 共聚到熱響應域中的HEA單體（通過甲基丙烯酸酯基團（MA）實現(xiàn)光交聯(lián)）。

合成聚合物通過1H-NMR、尺寸排阻色譜（SEC）和超高效液相色譜（UPLC）表征，并測定濁點（CP）溫度。

2、熱收縮 PNH─MA 水凝膠的細胞相容性

為了評估新開發(fā)的可收縮材料的細胞相容性，將 ciPTECs 接種到圓柱形 PNH?MA 水凝膠的表面上，并在 14 天內(nèi)監(jiān)測細胞活力和表面覆蓋率。結(jié)果表明，溫度觸發(fā)的收縮過程對涂層以及由此產(chǎn)生的細胞粘附和活力沒有影響

3、通過體積打印獲得的細胞接種的微通道

為了克服在直徑小于 200 μm 的通道中接種細胞的限制，通過3D體積打印技術(shù)制造了具有特定設計的基于 PNH─MA 的支架中的空心通道，如下圖A、B。

在細胞灌注接種過程中，為防止細胞懸液殘留在入口區(qū)域或泄漏到出口，我們通過在干燥、潮濕的環(huán)境中暫時保持細胞灌注通道處于水平方向，直到發(fā)生細胞粘附。粘附在通道表面的細胞在 10 天內(nèi)保持活力，隨著時間的推移以增殖狀態(tài)覆蓋通道表面，如下圖。

（H) 注入收縮通道的ciPTEC共聚焦顯微鏡圖像（第7天），用鈣黃蛋白AM（綠色，活）和PI（紅色，死）染色。I，J) ciPTEC共聚焦顯微鏡圖像（第7天）粘附在支架出口袋（I）和通道（J）上，用DAPI（藍色，細胞核）和phalloidin（紅色，肌動蛋白）染色。

結(jié)    論

在這項工作中，作者合成了一種新的熱響應聚合物，它顯示出可調(diào)特性，并允許通過光交聯(lián)形成穩(wěn)定的水凝膠，這些水凝膠響應于浸沒其中的水介質(zhì)的溫度升高而發(fā)生（可逆的）各向同性收縮。這種收縮工藝被用作細胞接種的空心通道的 4D 制造策略，以將其直徑減小 35-50%。此外，借助于3D體積打印制造技術(shù)打印的通道，收縮特性還顯示出其密封塑料管周圍水凝膠入口的優(yōu)勢，實現(xiàn)了防漏灌注，并將細胞接種到直徑小于 200 μm 的通道中。與以前開發(fā)的熱收縮材料相比，PNH─MA 在所有溫度下都保持透明，有助于對通道內(nèi)的細胞進行成像。

這項研究，標志著生物制造進入"細胞級精度"時代，這項技術(shù)不僅改寫了制造規(guī)則，更讓我們窺見了"人造器官"的無限可能。