微流控技术中使用的不同类型的水凝胶

当下，微流控技术已成为一种强有力的工具，其结合水凝胶等具备良好生物相容性的材料，可用于产生亚毫米大小的细胞聚集体（即所谓的微组织）来执行组织特异性功能，并进一步应用于药物测试、再生医学和细胞治疗。近日，来自波兰科学院物理化学研究所的Jan Guzowski教授团队系统回顾了该领域的最新进展，相关研究成果以“Microfluidic Formulation of Topological Hydrogels for Microtissue Engineering”为题发表在Chemical Reviews期刊上。

该综述主要从五个模块进行阐述（图1）：（1）水凝胶维度和拓扑的一般分类；（2）微流控技术中使用的不同类型的水凝胶；（3）用于微组织工程研究的微流控技术类别；（4）拓扑水凝胶微结构的制造；（5）微组织工程的生物医学应用。

图1 基于微流控技术的微组织工程水凝胶维度和拓扑的一般分类

首先，研究人员根据它们的“维度”和“拓扑”对水凝胶微结构进行分类。就“维度”而言，主要将其分为0D、1D、2D、3D、4D；通过结构的拓扑性，主要划分为吞没拓扑和Janus拓扑（图2）。

图2 水凝胶结构的多样性基于微流控技术的水凝胶类别

目前，最常用于制备用于组织工程的水凝胶的生物聚合物包括：（i）天然来源的聚合物，包括多糖（例如琼脂糖、透明质酸、壳聚糖或藻酸钙），或基于蛋白质的聚合物（例如明胶、胶原、纤维蛋白或基质凝胶或其他类型的脱细胞基质（dECM））；（ii）部分合成的聚合物，例如明胶甲基丙烯酰（GelMa）；（iii）完全合成的聚合物，例如聚乙二醇（PEGs）及其衍生物。此外，还需要对其多方面的性能进行考察，包括力学性能、促细胞增殖和粘附性能以及生物降解性等。

（1）力学性能：形成3D细胞培养支架的水凝胶的机械性能不仅决定了支架的长期稳定性，而且通过机械转导，即由外部机械信号诱导的生物化学信号，直接影响包埋细胞的行为。在仿生基质中，取决于所应用的仿生策略，基质的机械性质应该与天然组织或天然ECM的性质相匹配。各种组织和各种水凝胶的杨氏模量之间的详细比较总结于图3中。

图3 各种组织与生物材料机械性能的比较（2）细胞与水凝胶的相互作用：细胞粘附和增殖是健康组织生长所必需的。生长因子只能在少数天然来源的水凝胶中发现，如Matrigel或dECM，而细胞粘附基序也天然存在于壳聚糖、胶原、纤维蛋白、明胶和GelMa中，但不存在于琼脂糖、藻酸盐、透明质酸或PEG中。在后一种情况下，可以通过水凝胶的适当化学功能化来促进细胞粘附。

（3）生物降解性：在水凝胶作为临时支持物的应用中，支架应该随着组织的成熟而逐渐降解。在这种情况下，水凝胶的降解速率需要与组织发育的速率相匹配，而组织发育的速率又取决于组织的类型。水凝胶的降解通常由两种机制之一引起：酶解或水解。酶促降解是一种局部现象，而由于不稳定化学键的存在，水解发生在水凝胶的整个体积中。

水凝胶制剂的微流控策略

研究人员主要回顾了水凝胶制剂的微流控策略，通常情况下，交联过程中涉及的物理化学因素是决定微通道和微流体连接的布局和/或尺寸的因素。

物理交联依赖于水凝胶分子自组装成网络，该网络由溶液温度的变化诱导或由聚合物链和交联剂之间的物理（非共价）相互作用介导，如离子相互作用、氢键或主客体络合。物理交联过程的优点是条件温和，使得包埋的细胞保持高水平的生存力（图4a-c）。

各种化学交联方法已经成功地用于制备水凝胶。在可用的方法中，紫外引发的交联具有交联时间短的优点，因此即使使用可混溶的水凝胶前体，也可容易地用于产生间隔化的水凝胶。另一方面，酶法、迈克尔加成法或点击化学法通常更具生物相容性，并且在技术上更易于实施，因为它们不需要将任何外部设备（例如紫外光源）整合到微流控工作流程中，并且因此为不太复杂的微结构提供了最佳解决方案。

图4 水凝胶液滴交联的微流控策略拓扑水凝胶微结构的制造

对于1D结构，研究人员主要从横向图案化的微纤维、纵向图案化超细纤维、“1.5D”带状结构、水凝胶纤维和丝带中的复杂图案化和信息编码几方面分别展开叙述；2D结构构成了一组相对较小的微流控辅助组织工程支架，包括多孔膜、自下而上组装的2D微凝胶棋盘图案和水凝胶液滴网络；3D结构主要包括可注射颗粒支架，例如颗粒生物墨水、3D打印的基于液滴的结构、3D打印或捆绑的微纤维和散装多孔材料。

生物医学应用

在回顾了制造载细胞微凝胶的微流控方法之后，最后研究人员详细地描述它们在组织工程中的应用。这部分主要从微凝胶的维度和拓扑决定的应用以及组织和细胞类型的特定应用展开叙述。

由微凝胶的维度和拓扑决定的应用如图5所示，展示了0D、1D、2D、3D、4D微凝胶的各种结构激发的多种应用，如组织建模、再生医学和细胞疗法、药物测试等；此外，研究人员一一研究了广泛的组织，包括肝脏、胰腺、神经元、心脏组织、骨骼肌、骨骼和血管组织，还讨论了干细胞和癌细胞封装作为再生和个性化医学的新兴策略的最新进展。

图5 组织工程中的多种应用

综上，微流控最近已成为一种强大的工具，可用于生成能够执行组织特异性功能的亚毫米级细胞聚集体，即所谓的微组织，用于药物测试、再生医学和细胞疗法。拓扑生物材料的微流控方法在微型组织和器官（如胰腺、肝脏、肌肉、骨骼、心脏、神经组织或脉管系统）的工程设计以及为干细胞扩增定制微环境的制造方面取得了重大进展。研究人员在该论文中通过利用各种交联机制和各种路径进行划分，回顾了可用的微流控制造方法，并批判性地讨论了其在组织工程中的特异性应用。最后，研究人员指出目前仍面临的挑战，例如简化微流控工作流程以使实现其在生物医学研究中的广泛使用、从实验室到临床的过渡（包括生产升级）、进一步的体内验证、更精确的器官样模型的生成以及整合诱导多能干细胞作为迈向临床应用的一步。

审核编辑：彭静