綜述《先進功能材料》水凝膠中3D圖案化用於功能性生物環境娛樂

Hydrogel水凝膠

1介紹

1.1自然與生物系統的模式

大自然充滿了美麗的結構，展現出精確形狀和大小的重複圖案。但是，這些模式絕不僅僅是美學特征，而是運動，繁殖，保護和營養的必要條件。例如，飛鵝顯示的美麗的V形圖案（圖1A）有助於羊群感知周圍環境並在整個群體中快速傳遞信息。動物皮膚（例如長頸鹿，豹子或斑馬）上存在的黑色素斑點或圖案條紋的周期性，以及鳥類羽毛上的顏色梯度（圖1B）用作偽裝，信號或識別。樹木在遇到外部因素（例如風，光，競爭者以及生物或非生物應激源）時，會以最小的能量消耗形成分支模式（圖1C）以保持其結構特性。這些美麗而實用的圖案是自然界演化出的精確空間組織的直接結果。

圖1 自然界中的圖案。

1.2需要重現結構和化學各向異性

模塊化組織工程（TE）策略已被開發出來，通過從下至上制造活動的構建基塊來工程化組織和器官。實現圖案的需求和潛力並不是什麼新鮮事。
Whitesides及其同事在二十多年前開發的軟光刻技術已在細胞生物學，生物化學，生物技術和生物工程領域產生了巨大影響。這些示例說明了2D或2.5D地形線索可能會對研究或重建生物過程的能力產生影響（圖2A）。想象一下，如果能夠輕松地在複雜的3D環境中制造相似的圖案（圖2B），則可以想象。

圖2 從2D到3D仿生環境。

1.3綜述目的

在這裏，作者回顧了能夠在水凝膠中制造功能性3D模式的領先技術。作者將3D模式定義為在水凝膠內部定位的明確定義的生物功能異質性，賦予其空間定義的生化或結構特性。根據用於制造圖案的主要驅動力將審查分為五組技術，包括光，化學設計，微流體，3D打印以及涉及電場，磁場，聲場或自組裝的非接觸力（圖3）。

圖3 制作3D圖案的方法。

2通過照相制版制作圖案

光已被廣泛用於在水凝膠中產生圖案。光圖案化需要能夠在曝光後發生反應的部分（光敏或光敏）。將這一部分分為不同的多層圖案化技術，後者使用光同時創建圖案和凝膠（圖4A）和後凝膠化圖案技術，後者在凝膠化之後創建圖案（圖5A）。

圖4 通過光圖案化，多層圖案化技術制作圖案。

圖5 通過光圖案化，後凝膠化圖案化技術來制作圖案。

2.2建後模式

凝膠化後的圖案化需要包含反應性光敏部分的合成水凝膠（圖5A）。在此，根據模板掩膜的使用（例如，掩模光刻（MP）或直接激光光刻）來劃分凝膠化後的圖案化技術 （聚焦激光照射（FLI）和雙光子激光掃描光刻（TPLSP））（圖5B–F）。

2.2.1掩模光刻

使用通過軟光刻制造的母版的概念已擴展到MP中水凝膠的3D圖案化。通過使用掩模覆蓋暴露在水之下的水凝膠表面，選擇性照射的未掩模區域會發生光反應，從而形成結構和生化模式（圖5B）。

3通過精確的化學設計制作圖案

化學（生物）綴合反應，例如生物素-鏈黴親和素或酪胺-過氧化物的綴合，PEGygaltion，肽的綴合以及偶聯-點擊反應已被廣泛用於生產細胞反應性材料。其中，點擊化學已被證明是在溫和條件下以高效率和選擇性，高收率和無害副產物結合功能分子的強大工具。點擊化學前體的正交性使其成為水凝膠合成（圖6A）和諸如細胞移植，藥物遞送，體外模型和治療等應用的可行候選者。

圖6 通過精確的化學設計制作圖案。

3.1基於PEG的水凝膠骨架

Anseth和他的同事首先提出了使用Click水凝膠來進行細胞包封和通過四臂PEG四疊氮化物和雙（二氟代環辛炔）雙功能化多肽之間的雙正交的Huisgen環加成法來制作圖案的方法。

3.2糖胺聚糖和基於蛋白質的水凝膠骨幹

還已經探索了其他水凝膠作為利用點擊化學將功能分子圖案化的聚合物主鏈。例如，通過兩步點擊光誘導反應制備的降冰片烯官能化HA水凝膠已用100 m寬的硫醇官能化肽條進行了圖案化（圖 6F）。

4通過微流控技術制作圖案

體內ECM的生化和生物力學特性直接影響細胞行為。

4.1微流控

在過去的20年中，已經提出了多種使用微流體技術對水凝膠和細胞進行圖案化的方法。例如，在微腔設備中，通過層流將Matrigel圖案化成200–500 m寬的平板，方法是將多達五個入口通道組合在一起，從而實現生物分子的共培養和梯度洗脫。其他示例包括通過對流混合微流體設備生成膠原蛋白梯度，原代造血幹細胞模式化，ECM成分和多個細胞模式化以重建腫瘤位（圖7A）。通過一種複雜的方法，通過向多個入口微流控芯片添加氣動閥，在功能上使20 m水凝膠微纖維在空間上具有可調節的結構和化學特征，從而在纖維內控制肝細胞和成纖維細胞的共培養組織（圖7B）。微流控已經成為一種通用且對細胞友好的圖案化技術，允許使用多種類型的水凝膠，同時允許使用流動來操縱細胞（圖7C）。

圖7 通過微流控制備圖案。

5通過3D打印制作圖案

在過去的五年中，對用於組織工程和生物工程的增材制造的興趣呈指數增長。油墨材料的多功能性和可調整性，可擴展性，微尺度精度和制造結構的堅固性使3D打印得以發展。

5.1模仿血管的3D打印模式

人造組織的功能取決於適當的可灌注脈管系統中細胞和ECM的組裝。為了實現這一目標，3D打印已經能夠使用犧牲性策略在水凝膠中制造類似血管的結構，以產生空心結構。利用明膠的熱敏特性，該方法已被用於在膠原蛋白和纖維蛋白水凝膠中打印1 mm寬的犧牲明膠圖案，從而產生了內皮化的可灌注血管樣網絡。同樣，熱敏性Pluronic F127已被用作GelMA中的犧牲材料來工程化血管系統（圖8A），印刷的瓊脂糖纖維已被用作犧牲品，以將類似血管的圖案生成各種水凝膠（圖8B）。無需犧牲策略即可制造類似血管的結構。例如，在非犧牲方法中，通過使微流體設備適應3D打印機，用單個或兩個生物分子對GelMA血管網格進行構圖（圖8C）。

圖8 通過3D打印制作圖案。

6通過非接觸力制作圖案

電場，磁場和聲波以及自組裝的相互作用也可以用作操縱力，以設計3D環境中特定生物功能線索的模式。

6.1電圖案

傳統上，電場已用於刺激細胞群體。但是，非均勻（介電泳）（圖9A–C）或均勻（電泳）（圖9D）電場也已用於創建3D模式。Albrecht等人的開拓性工作。報道了一種在電泳過程中在微凝膠中產生250 m寬條紋圖案的細胞的報道。

6.2磁光成像

磁力還可用於在3D環境中動員和定位提示和單元。例如，將磁性標記的人類黑素瘤M1和成纖維細胞一起培養，並通過銷釘固定器和磁體專門定位以模仿腫瘤環境。

6.3助聽器

聲光止血技術最近已被用作一種清潔（即遠程控制）的技術來生成複雜的細胞模式。該技術利用細胞與周圍流體之間的密度差異，促進細胞向壓力最小的聲波節點平面遷移。類似地，法拉第波施加到纖維蛋白水凝膠上，促進了iPSC衍生的心肌細胞形成多個20 m厚的層，超聲駐波在空間上將水凝膠內120-150 m寬的成肌細胞群體組織在一起。後來的研究還證明了生產機械各向異性支架的可能性（圖9E）。類似地，采用超聲波體聲波將藻酸水凝膠中的hADSC優先排列成條紋狀。通過在過程中使用七邊形聲鑷實現對定位，方向和圖案幾何形狀的更高控制，該鑷子用於在自由水凝膠中的DRG共培養物中創建多種類型的雪旺細胞圖案（圖9F）媒體。

圖9 圖案形成的非接觸力。

6.4通過自組裝進行構圖

自組裝提供了使用非共價力（即氫鍵，疏水相互作用，π–π堆積）從下往上生長，包括具有圖案的3D水凝膠的可能性。這種方法之所以特別有吸引力，是因為它為制造和創建細胞和亞細胞大小尺度的結構和化學模式提供了機會，從而促進了材料-細胞相互作用的優化。此外，自組裝還可以自發地創建具有納米級精度和受控分子表示的圖案，而無需外部力。例如，在液-液界面處產生的疏水力已被用來引導PEG微凝膠組裝成線性，分支或偏移的聚集體，從而支持成纖維細胞的包封（圖9G）。

參考文獻：doi.org/10.1002/adfm.202009574

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