微流控技術中使用的不同類型的水凝膠

當下，微流控技術已成為一種強有力的工具，其結合水凝膠等具備良好生物相容性的材料，可用于產生亞毫米大小的細胞聚集體（即所謂的微組織）來執(zhí)行組織特異性功能，并進一步應用于藥物測試、再生醫(yī)學和細胞治療。近日，來自波蘭科學院物理化學研究所的Jan Guzowski教授團隊系統(tǒng)回顧了該領域的最新進展，相關研究成果以“Microfluidic Formulation of Topological Hydrogels for Microtissue Engineering”為題發(fā)表在Chemical Reviews期刊上。

該綜述主要從五個模塊進行闡述（圖1）：（1）水凝膠維度和拓撲的一般分類；（2）微流控技術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類別；（4）拓撲水凝膠微結構的制造；（5）微組織工程的生物醫(yī)學應用。

圖1 基于微流控技術的微組織工程水凝膠維度和拓撲的一般分類

首先，研究人員根據它們的“維度”和“拓撲”對水凝膠微結構進行分類。就“維度”而言，主要將其分為0D、1D、2D、3D、4D；通過結構的拓撲性，主要劃分為吞沒拓撲和Janus拓撲（圖2）。

圖2 水凝膠結構的多樣性基于微流控技術的水凝膠類別

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）天然來源的聚合物，包括多糖（例如瓊脂糖、透明質酸、殼聚糖或藻酸鈣），或基于蛋白質的聚合物（例如明膠、膠原、纖維蛋白或基質凝膠或其他類型的脫細胞基質（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，還需要對其多方面的性能進行考察，包括力學性能、促細胞增殖和粘附性能以及生物降解性等。

（1）力學性能：形成3D細胞培養(yǎng)支架的水凝膠的機械性能不僅決定了支架的長期穩(wěn)定性，而且通過機械轉導，即由外部機械信號誘導的生物化學信號，直接影響包埋細胞的行為。在仿生基質中，取決于所應用的仿生策略，基質的機械性質應該與天然組織或天然ECM的性質相匹配。各種組織和各種水凝膠的楊氏模量之間的詳細比較總結于圖3中。

圖3 各種組織與生物材料機械性能的比較（2）細胞與水凝膠的相互作用：細胞粘附和增殖是健康組織生長所必需的。生長因子只能在少數(shù)天然來源的水凝膠中發(fā)現(xiàn)，如Matrigel或dECM，而細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、透明質酸或PEG中。在后一種情況下，可以通過水凝膠的適當化學功能化來促進細胞粘附。

（3）生物降解性：在水凝膠作為臨時支持物的應用中，支架應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)定化學鍵的存在，水解發(fā)生在水凝膠的整個體積中。

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)過程中涉及的物理化學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絡，該網絡由溶液溫度的變化誘導或由聚合物鏈和交聯(lián)劑之間的物理（非共價）相互作用介導，如離子相互作用、氫鍵或主客體絡合。物理交聯(lián)過程的優(yōu)點是條件溫和，使得包埋的細胞保持高水平的生存力（圖4a-c）。

各種化學交聯(lián)方法已經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)時間短的優(yōu)點，因此即使使用可混溶的水凝膠前體，也可容易地用于產生間隔化的水凝膠。另一方面，酶法、邁克爾加成法或點擊化學法通常更具生物相容性，并且在技術上更易于實施，因為它們不需要將任何外部設備（例如紫外光源）整合到微流控工作流程中，并且因此為不太復雜的微結構提供了最佳解決方案。

圖4 水凝膠液滴交聯(lián)的微流控策略拓撲水凝膠微結構的制造

對于1D結構，研究人員主要從橫向圖案化的微纖維、縱向圖案化超細纖維、“1.5D”帶狀結構、水凝膠纖維和絲帶中的復雜圖案化和信息編碼幾方面分別展開敘述；2D結構構成了一組相對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微凝膠棋盤圖案和水凝膠液滴網絡；3D結構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構、3D打印或捆綁的微纖維和散裝多孔材料。

生物醫(yī)學應用

在回顧了制造載細胞微凝膠的微流控方法之后，最后研究人員詳細地描述它們在組織工程中的應用。這部分主要從微凝膠的維度和拓撲決定的應用以及組織和細胞類型的特定應用展開敘述。

由微凝膠的維度和拓撲決定的應用如圖5所示，展示了0D、1D、2D、3D、4D微凝膠的各種結構激發(fā)的多種應用，如組織建模、再生醫(yī)學和細胞療法、藥物測試等；此外，研究人員一一研究了廣泛的組織，包括肝臟、胰腺、神經元、心臟組織、骨骼肌、骨骼和血管組織，還討論了干細胞和癌細胞封裝作為再生和個性化醫(yī)學的新興策略的最新進展。

圖5 組織工程中的多種應用

綜上，微流控最近已成為一種強大的工具，可用于生成能夠執(zhí)行組織特異性功能的亞毫米級細胞聚集體，即所謂的微組織，用于藥物測試、再生醫(yī)學和細胞療法。拓撲生物材料的微流控方法在微型組織和器官（如胰腺、肝臟、肌肉、骨骼、心臟、神經組織或脈管系統(tǒng)）的工程設計以及為干細胞擴增定制微環(huán)境的制造方面取得了重大進展。研究人員在該論文中通過利用各種交聯(lián)機制和各種路徑進行劃分，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用。最后，研究人員指出目前仍面臨的挑戰(zhàn)，例如簡化微流控工作流程以使實現(xiàn)其在生物醫(yī)學研究中的廣泛使用、從實驗室到臨床的過渡（包括生產升級）、進一步的體內驗證、更精確的器官樣模型的生成以及整合誘導多能干細胞作為邁向臨床應用的一步。