微流控技術(shù)中使用的不同類型的水凝膠

當(dāng)下，微流控技術(shù)已成為一種強(qiáng)有力的工具，其結(jié)合水凝膠等具備良好生物相容性的材料，可用于產(chǎn)生亞毫米大小的細(xì)胞聚集體（即所謂的微組織）來(lái)執(zhí)行組織特異性功能，并進(jìn)一步應(yīng)用于藥物測(cè)試、再生醫(yī)學(xué)和細(xì)胞治療。近日，來(lái)自波蘭科學(xué)院物理化學(xué)研究所的Jan Guzowski教授團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)回顧了該領(lǐng)域的最新進(jìn)展，相關(guān)研究成果以“Microfluidic Formulation of Topological Hydrogels for Microtissue Engineering”為題發(fā)表在Chemical Reviews期刊上。

該綜述主要從五個(gè)模塊進(jìn)行闡述（圖1）：（1）水凝膠維度和拓?fù)涞囊话惴诸?；?）微流控技術(shù)中使用的不同類型的水凝膠；（3）用于微組織工程研究的微流控技術(shù)類別；（4）拓?fù)渌z微結(jié)構(gòu)的制造；（5）微組織工程的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

圖1 基于微流控技術(shù)的微組織工程水凝膠維度和拓?fù)涞囊话惴诸?/p>

首先，研究人員根據(jù)它們的“維度”和“拓?fù)洹睂?duì)水凝膠微結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類。就“維度”而言，主要將其分為0D、1D、2D、3D、4D；通過(guò)結(jié)構(gòu)的拓?fù)湫?，主要?jiǎng)澐譃橥虥](méi)拓?fù)浜蚃anus拓?fù)洌▓D2）。

圖2 水凝膠結(jié)構(gòu)的多樣性基于微流控技術(shù)的水凝膠類別

目前，最常用于制備用于組織工程的水凝膠的生物聚合物包括：（i）天然來(lái)源的聚合物，包括多糖（例如瓊脂糖、透明質(zhì)酸、殼聚糖或藻酸鈣），或基于蛋白質(zhì)的聚合物（例如明膠、膠原、纖維蛋白或基質(zhì)凝膠或其他類型的脫細(xì)胞基質(zhì)（dECM））；（ii）部分合成的聚合物，例如明膠甲基丙烯酰（GelMa）；（iii）完全合成的聚合物，例如聚乙二醇（PEGs）及其衍生物。此外，還需要對(duì)其多方面的性能進(jìn)行考察，包括力學(xué)性能、促細(xì)胞增殖和粘附性能以及生物降解性等。

（1）力學(xué)性能：形成3D細(xì)胞培養(yǎng)支架的水凝膠的機(jī)械性能不僅決定了支架的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，而且通過(guò)機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)，即由外部機(jī)械信號(hào)誘導(dǎo)的生物化學(xué)信號(hào)，直接影響包埋細(xì)胞的行為。在仿生基質(zhì)中，取決于所應(yīng)用的仿生策略，基質(zhì)的機(jī)械性質(zhì)應(yīng)該與天然組織或天然ECM的性質(zhì)相匹配。各種組織和各種水凝膠的楊氏模量之間的詳細(xì)比較總結(jié)于圖3中。

圖3 各種組織與生物材料機(jī)械性能的比較（2）細(xì)胞與水凝膠的相互作用：細(xì)胞粘附和增殖是健康組織生長(zhǎng)所必需的。生長(zhǎng)因子只能在少數(shù)天然來(lái)源的水凝膠中發(fā)現(xiàn)，如Matrigel或dECM，而細(xì)胞粘附基序也天然存在于殼聚糖、膠原、纖維蛋白、明膠和GelMa中，但不存在于瓊脂糖、藻酸鹽、透明質(zhì)酸或PEG中。在后一種情況下，可以通過(guò)水凝膠的適當(dāng)化學(xué)功能化來(lái)促進(jìn)細(xì)胞粘附。

（3）生物降解性：在水凝膠作為臨時(shí)支持物的應(yīng)用中，支架應(yīng)該隨著組織的成熟而逐漸降解。在這種情況下，水凝膠的降解速率需要與組織發(fā)育的速率相匹配，而組織發(fā)育的速率又取決于組織的類型。水凝膠的降解通常由兩種機(jī)制之一引起：酶解或水解。酶促降解是一種局部現(xiàn)象，而由于不穩(wěn)定化學(xué)鍵的存在，水解發(fā)生在水凝膠的整個(gè)體積中。

水凝膠制劑的微流控策略

研究人員主要回顧了水凝膠制劑的微流控策略，通常情況下，交聯(lián)過(guò)程中涉及的物理化學(xué)因素是決定微通道和微流體連接的布局和/或尺寸的因素。

物理交聯(lián)依賴于水凝膠分子自組裝成網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)由溶液溫度的變化誘導(dǎo)或由聚合物鏈和交聯(lián)劑之間的物理（非共價(jià)）相互作用介導(dǎo)，如離子相互作用、氫鍵或主客體絡(luò)合。物理交聯(lián)過(guò)程的優(yōu)點(diǎn)是條件溫和，使得包埋的細(xì)胞保持高水平的生存力（圖4a-c）。

各種化學(xué)交聯(lián)方法已經(jīng)成功地用于制備水凝膠。在可用的方法中，紫外引發(fā)的交聯(lián)具有交聯(lián)時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)，因此即使使用可混溶的水凝膠前體，也可容易地用于產(chǎn)生間隔化的水凝膠。另一方面，酶法、邁克爾加成法或點(diǎn)擊化學(xué)法通常更具生物相容性，并且在技術(shù)上更易于實(shí)施，因?yàn)樗鼈儾恍枰獙⑷魏瓮獠吭O(shè)備（例如紫外光源）整合到微流控工作流程中，并且因此為不太復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)提供了最佳解決方案。

圖4 水凝膠液滴交聯(lián)的微流控策略拓?fù)渌z微結(jié)構(gòu)的制造

對(duì)于1D結(jié)構(gòu)，研究人員主要從橫向圖案化的微纖維、縱向圖案化超細(xì)纖維、“1.5D”帶狀結(jié)構(gòu)、水凝膠纖維和絲帶中的復(fù)雜圖案化和信息編碼幾方面分別展開(kāi)敘述；2D結(jié)構(gòu)構(gòu)成了一組相對(duì)較小的微流控輔助組織工程支架，包括多孔膜、自下而上組裝的2D微凝膠棋盤(pán)圖案和水凝膠液滴網(wǎng)絡(luò)；3D結(jié)構(gòu)主要包括可注射顆粒支架，例如顆粒生物墨水、3D打印的基于液滴的結(jié)構(gòu)、3D打印或捆綁的微纖維和散裝多孔材料。

生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用

在回顧了制造載細(xì)胞微凝膠的微流控方法之后，最后研究人員詳細(xì)地描述它們?cè)诮M織工程中的應(yīng)用。這部分主要從微凝膠的維度和拓?fù)錄Q定的應(yīng)用以及組織和細(xì)胞類型的特定應(yīng)用展開(kāi)敘述。

由微凝膠的維度和拓?fù)錄Q定的應(yīng)用如圖5所示，展示了0D、1D、2D、3D、4D微凝膠的各種結(jié)構(gòu)激發(fā)的多種應(yīng)用，如組織建模、再生醫(yī)學(xué)和細(xì)胞療法、藥物測(cè)試等；此外，研究人員一一研究了廣泛的組織，包括肝臟、胰腺、神經(jīng)元、心臟組織、骨骼肌、骨骼和血管組織，還討論了干細(xì)胞和癌細(xì)胞封裝作為再生和個(gè)性化醫(yī)學(xué)的新興策略的最新進(jìn)展。

圖5 組織工程中的多種應(yīng)用

綜上，微流控最近已成為一種強(qiáng)大的工具，可用于生成能夠執(zhí)行組織特異性功能的亞毫米級(jí)細(xì)胞聚集體，即所謂的微組織，用于藥物測(cè)試、再生醫(yī)學(xué)和細(xì)胞療法。拓?fù)渖锊牧系奈⒘骺胤椒ㄔ谖⑿徒M織和器官（如胰腺、肝臟、肌肉、骨骼、心臟、神經(jīng)組織或脈管系統(tǒng)）的工程設(shè)計(jì)以及為干細(xì)胞擴(kuò)增定制微環(huán)境的制造方面取得了重大進(jìn)展。研究人員在該論文中通過(guò)利用各種交聯(lián)機(jī)制和各種路徑進(jìn)行劃分，回顧了可用的微流控制造方法，并批判性地討論了其在組織工程中的特異性應(yīng)用。最后，研究人員指出目前仍面臨的挑戰(zhàn)，例如簡(jiǎn)化微流控工作流程以使實(shí)現(xiàn)其在生物醫(yī)學(xué)研究中的廣泛使用、從實(shí)驗(yàn)室到臨床的過(guò)渡（包括生產(chǎn)升級(jí)）、進(jìn)一步的體內(nèi)驗(yàn)證、更精確的器官樣模型的生成以及整合誘導(dǎo)多能干細(xì)胞作為邁向臨床應(yīng)用的一步。