SCIENCE ADV.|倫敦帝國理工學(xué)院材料系Molly M. Stevens教授團隊研發(fā)磁力驅(qū)動形成3D...

3D軟生物支架在組織工程,、生物混合機器人和器官芯片工程應(yīng)用中前景廣闊。盡管新興的3D打印技術(shù)為組裝軟生物材料提供了多功能性,，但在制造過程中克服精密3D結(jié)構(gòu)的變形或塌陷仍然存在挑戰(zhàn),，尤其是對于懸垂或薄特征。倫敦帝國理工學(xué)院材料系Molly M. Stevens教授團隊開發(fā)了一種磁體輔助制造策略,，該策略使用磁場觸發(fā)形狀變形并提供遠程臨時支撐,，從而能夠直接創(chuàng)建具有懸垂和薄壁結(jié)構(gòu)的3D軟生物支架,。該文章名為“Magnetically driven formation of 3D freestanding soft bioscaffolds”,，發(fā)表在Science Advances上。本研究通過制造生物支架來復(fù)制分支血管系統(tǒng)的復(fù)雜3D拓撲結(jié)構(gòu),。此外,，設(shè)計了基于水凝膠的生物支架，以支持能夠由心肌細胞觸發(fā)行走運動的生物混合軟致動器,。這種方法為將水凝膠材料塑造成復(fù)雜的3D形態(tài)開辟了新的可能性,，這將進一步支持廣泛的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

一,、背景介紹

在這項研究中,，提出了一種簡單而通用的3D生物制造使用遠程控制的磁力將2D水凝膠前驅(qū)體轉(zhuǎn)化為復(fù)雜的3D形態(tài)(圖1和2A),。在水凝膠中摻入生物相容性和熱響應(yīng)性明膠網(wǎng)絡(luò)作為犧牲支持，以便在聚合物交聯(lián)之前形成結(jié)構(gòu),。犧牲磁性墨水和重力墨水也被用來協(xié)助控制2D到3D的轉(zhuǎn)變,。這些犧牲墨水隨后可以去除，留下完整的3D生物支架,。此策略允許通過調(diào)整初始2D 形狀,、溫度或磁點和重力點的空間分布等因素來實現(xiàn)可編程的形狀變形。本研究使用遠程力支持脆弱的3D結(jié)構(gòu)的開發(fā)概念提供了一種獨特的形狀變形和3D制造策略,，適用于各種材料系統(tǒng),，從而為高效的3D生物制造開辟了新的可能性，使生物學(xué),、生物醫(yī)學(xué)工程,、軟材料和軟機器人領(lǐng)域的研究人員受益。

圖 1. 磁驅(qū)動轉(zhuǎn)化的概念圖及其在工程3D可灌注血管通道和具有行走運動的3D生物混合致動器中的應(yīng)用,。

二,、材料與方法

2.1 平面水凝膠支架的制造

扁平水凝膠支架可以使用3D生物打印機 (SunP BioMaker 2) 制造。將20% (w/v)明膠前體溶液加載到帶有金屬尖端的5 ml移液器中,，并引入溫度為45°C的加熱打印機噴嘴中,。 明膠生物墨水在涂有40% (w/v) Pluronic F-127溶液薄層的預(yù)冷打印床(4°C)上打印之前保持平衡。層高0.3 mm,，打印速度12 mm/s,，擠出速度1.6 mm3/s 被發(fā)現(xiàn)是最優(yōu)的。打印后,，將磁性墨水和重力墨水添加到打印圖形的所需部分,，使墨水在4°C打印床上融合5分鐘。

三,、結(jié)果

水凝膠支架從平面到3D的轉(zhuǎn)變是通過使用磁力的遠程控制完成的,。由氧化鐵顆粒和明膠組成的磁性墨水被放置在平面水凝膠的中心，在本文中浮力,、重力和磁力的結(jié)合保持了3D結(jié)構(gòu),，直到材料完全交聯(lián)和凝固，從而消除了對固體材料的物理支撐的需求,。通過使用磁驅(qū)動變形以及控制溫度的策略,，打印的扁平水凝膠分支可以很容易地圖案化成復(fù)雜的3D形狀并進行形狀轉(zhuǎn)變。因此,，這種磁力驅(qū)動的轉(zhuǎn)換方法克服了當(dāng)前模塑和基于擠出打印的一些限制,，可以創(chuàng)建精致的3D結(jié)構(gòu)，同時保持靈活性和可擴展性。

圖2. 基于磁驅(qū)動變換的制造策略概念,。(A) 示意圖顯示(i)材料沉積成扁平水凝膠前驅(qū)體,，(ii)在磁體應(yīng)用時浸沒轉(zhuǎn)化為3D形態(tài)。Fm表示施加在水凝膠上的磁力Fb表示浮力,，G表示腳手架材料的重力,，G一個表示額外實現(xiàn)的重力油墨的重力。(B)使用磁驅(qū)動變換策略對3D分支血管幾何形狀進行4D打印,。幾何設(shè)計在 AutoCAD(i)中生成,，打印成扁平水凝膠前驅(qū)體(ii)，然后使用磁鐵(iii)轉(zhuǎn)換為3D分支幾何,。

圖3. 對磁驅(qū)動變換的多模態(tài)控制,。(A) (i)顯示明膠從凝膠狀態(tài)到溶膠狀態(tài)的熱響應(yīng)的方案。(ii)花形水凝膠前驅(qū)體在不同溫度下的轉(zhuǎn)變,，直到它在33°C下熔化,。(B)隨著溫度的升高，將花形水凝膠前驅(qū)體置于水中時的曲率半徑(R),。在轉(zhuǎn)換的水凝膠支架的圖像下繪制一個藍色圓圈來測量半徑,。(C)磁心對3D變換的影響。(i)磁中心面積增加的扁平水凝膠前驅(qū)體(白色虛線突出顯示每個水凝膠前驅(qū)體的磁心邊緣及其與中心和水凝膠前驅(qū)體邊緣的距離)和(ii)前驅(qū)體的相應(yīng)3D變換,。(D)重力墨水對3D變換的影響,。(i)具有兩個帶有重力墨水(白色尖端)的分支和兩個沒有的分支的扁平水凝膠前體。(ii)從兩個不同角度觀察時具有不同彎曲程度的轉(zhuǎn)化前驅(qū)體的示意圖和(iii)實驗圖像,。(E)二維前驅(qū)體結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響,。(i)具有不同邊緣與中心分支寬度比(2：1、1：1和2：3) 的扁平水凝膠前驅(qū)體和相應(yīng)的3D轉(zhuǎn)換;(ii)前驅(qū)體的相應(yīng)3D變換,。

圖 4. 使用多磁體對3D結(jié)構(gòu)進行圖案化,。(A)在兩個磁鐵的幫助下，兩股(i)之前和(ii和iii)被扭曲成雙交織的螺旋線,。(B)轉(zhuǎn)化前(i)和轉(zhuǎn)化后(ii和iii)的DNA樣雙螺旋結(jié)構(gòu),。變形的3D雙螺旋鏈，包含(ii)一個結(jié)和(iii)兩個結(jié),。(C)將(i)細長的梯狀扁平水凝膠前驅(qū)體扭曲成(ii和iii)編織管狀結(jié)構(gòu),。(D和E) 3D管狀網(wǎng)片由(D)均質(zhì)和(E)異質(zhì)水凝膠網(wǎng)壁組成。(i)包含四個磁性墨點的扁平水凝膠前驅(qū)體,。(II和III)3D管狀網(wǎng)格的不同視圖,。

磁力可以通過改變支架和磁體之間的距離,，使用浮力以及重力保持恒定,。遠程應(yīng)用磁體會導(dǎo)致支架形態(tài)變換，但磁性顆粒的不會對摻入生物支架的細胞產(chǎn)生不利影響。磁驅(qū)動轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的分支通道可以細胞保持良好的活力并建立連接因此可以用于設(shè)計血管結(jié)構(gòu),。

圖 5. 磁驅(qū)動轉(zhuǎn)化以創(chuàng)建具有3D分支維管通道的生物支架,。(A)示意圖顯示了通過磁驅(qū)動轉(zhuǎn)化策略制造具有3D分支維管通道的生物支架的步驟。(i)當(dāng)施加磁體時,，浸入未交聯(lián)凝膠浴中的扁平犧牲明膠前驅(qū)體轉(zhuǎn)化為3D幾何形狀,。(ii)在紫外線下交聯(lián)凝膠浴后，將交聯(lián)支架置于37°C下,，磁鐵仍放在頂部,，以溶解明膠并去除溶解的磁性墨水。(iii)顯示生成的支架灌注的方案,。(B)磁場分布分析,。(i)施加磁體引起的磁場分布的有限元分析。(ii)沿z坐標的磁場分布,。(C)犧牲前驅(qū)體轉(zhuǎn)化為3D形態(tài)后支架的UV交聯(lián),。(D)從(i)到(iv)演示的藍色染料的支架灌注。(E)纖維蛋白支架中VE-鈣粘蛋白(紅色),、鬼筆環(huán)肽(灰色)和4',，6-二脒基-2-苯基吲哚(DAPI)(藍色)的免疫染色，其中HUVEC襯在通道壁上,，NHLF在纖維蛋白基質(zhì)內(nèi),。

將其它可交聯(lián)水凝膠與明膠結(jié)合使用，允許3D轉(zhuǎn)化的水凝膠交聯(lián)而不是犧牲,。使用磁觸發(fā)轉(zhuǎn)化策略可以使水中的水凝膠從2D到轉(zhuǎn)化為3D結(jié)構(gòu),。通過紫外線或通過在水浴中添加交聯(lián)劑來交聯(lián)后，移除磁體后保持3D形態(tài),，從而產(chǎn)生獨立的3D生物支架(圖6A ),，并實現(xiàn)僅由生物相容性水凝膠和細胞組成的3D步行致動器。這些進步有可能成為開發(fā)與生命系統(tǒng)交互的植入式工程組織和軟機器人的使能平臺,。

圖 6. 3D薄生物支架的磁驅(qū)動轉(zhuǎn)化能夠產(chǎn)生具有行走運動的基于水凝膠的生物混合致動器,。(A)方案說明了創(chuàng)建花形的基于3D薄膜的生物支架的過程。最初,，扁平的可交聯(lián)水凝膠前驅(qū)體轉(zhuǎn)化為3D形態(tài),，然后在其上方放置磁鐵時交聯(lián)。在37°C下孵育后,，交聯(lián)支架將從磁體中釋放出來,，而明膠會溶解，同時從支架中釋放磁性墨水,。(B)說明生物支架上的細胞接種和層形成的方案,。(C)在3D薄生物支架表面培養(yǎng)的心肌細胞的免疫染色。cTnT(紅色)、DAPI(藍色)和F-肌動蛋白(綠色),。(I和III)低放大倍率,。比例尺，50 μm,。(II和IV)高放大倍率,。比例尺，25μm,。(D) (i)行走生物雜交致動器的俯視圖和(ii)側(cè)視圖延時照片(收集 1 分鐘),。比例尺，1厘米,。(E)前腳和后腳隨時間變化的瞬時速度,。(F) (i)支架收縮、移動和鈣傳播方向示意圖;(ii) 支架中心心肌細胞隨時間的鈣傳播映射(比例尺：500 μm);(iii)腳手架運動分析,。

四,、討論

本文展示了一種簡單而通用的生物制造策略，可以有效地將打印和模制的扁平軟水凝膠前體轉(zhuǎn)化為復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu),。與以前報道的2D到3D轉(zhuǎn)換策略不同,，此方法不依賴于材料的內(nèi)在特性。相反,，響應(yīng)特性來自犧牲油墨和磁場的遠程應(yīng)用,，使其與更廣泛的材料系統(tǒng)兼容，并克服了對精確預(yù)定材料設(shè)計的要求,。還通過外力和隨溫度調(diào)整形狀變形,，可以更輕松地控制3D變形。此外,，施加在支架上的遠程磁力和重力消除了制造過程中對物理支撐的需求,，從而可以輕松制造薄而軟的生物支架。此外,，這些力作用在相反的方向上,，從而實現(xiàn)實質(zhì)性的形狀變形和不受高度限制的受控彎曲。這一優(yōu)勢能夠生成分支3D血管結(jié)構(gòu),，這是以前報道的2D到3D轉(zhuǎn)換方法無法實現(xiàn)的,。因此，在3D結(jié)構(gòu)和材料多樣性方面擴展了3D生物制造中形狀變形的可能性,。使用這種方法,，實現(xiàn)了3D分支網(wǎng)絡(luò)和由軟水凝膠組成的薄膜拱結(jié)構(gòu)。所得結(jié)構(gòu)已用作犧牲模板來復(fù)制分支血管系統(tǒng)的建筑模式,，或用作生物支架,，支持制造具有心肌細胞觸發(fā)的行走運動的生物混合軟致動器,。

然而，由于明膠網(wǎng)絡(luò)對于幫助支持系統(tǒng)中水凝膠前體的形狀至關(guān)重要,，因此該策略目前只能應(yīng)用于水性環(huán)境中的材料,。為了進一步擴大適用于2D到3D轉(zhuǎn)換策略的材料范圍,，未來的研究可能涉及設(shè)計與油基聚合物兼容的替代犧牲材料,。

總體而言，利用遠程控制力來實現(xiàn)對材料形狀變形的精確控制,，并為使用軟生物材料設(shè)計復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)提供了新的機會,。這種方法有可能促進工程組織、軟機器人技術(shù)以及3D和4D打印的未來發(fā)展,。

五,、參考文獻

RuoxiaoXie et al. ,Magnetically driven formation of 3D freestanding softbioscaffolds.Sci. Adv.10,eadl1549(2024).DOI:10.1126/sciadv.adl1549