SCIENCE ADV.|倫敦帝國(guó)理工學(xué)院材料系Molly M. Stevens教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)磁力驅(qū)動(dòng)形成3D...

3D軟生物支架在組織工程、生物混合機(jī)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(guò)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(duì)于懸垂或薄特征。倫敦帝國(guó)理工學(xué)院材料系Molly M. Stevens教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種磁體輔助制造策略，該策略使用磁場(chǎng)觸發(fā)形狀變形并提供遠(yuǎn)程臨時(shí)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(guò)制造生物支架來(lái)復(fù)制分支血管系統(tǒng)的復(fù)雜3D拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。此外，設(shè)計(jì)了基于水凝膠的生物支架，以支持能夠由心肌細(xì)胞觸發(fā)行走運(yùn)動(dòng)的生物混合軟致動(dòng)器。這種方法為將水凝膠材料塑造成復(fù)雜的3D形態(tài)開(kāi)辟了新的可能性，這將進(jìn)一步支持廣泛的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

一、背景介紹

在這項(xiàng)研究中，提出了一種簡(jiǎn)單而通用的3D生物制造使用遠(yuǎn)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(lái)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(guò)調(diào)整初始2D 形狀、溫度或磁點(diǎn)和重力點(diǎn)的空間分布等因素來(lái)實(shí)現(xiàn)可編程的形狀變形。本研究使用遠(yuǎn)程力支持脆弱的3D結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)概念提供了一種獨(dú)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(kāi)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(jī)器人領(lǐng)域的研究人員受益。

圖 1. 磁驅(qū)動(dòng)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(yùn)動(dòng)的3D生物混合致動(dòng)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(jī) (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(jī)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(guò)使用磁力的遠(yuǎn)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(duì)固體材料的物理支撐的需求。通過(guò)使用磁驅(qū)動(dòng)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(jìn)行形狀轉(zhuǎn)變。因此，這種磁力驅(qū)動(dòng)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(shí)保持靈活性和可擴(kuò)展性。

圖2. 基于磁驅(qū)動(dòng)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(shí)浸沒(méi)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(gè)表示額外實(shí)現(xiàn)的重力油墨的重力。(B)使用磁驅(qū)動(dòng)變換策略對(duì)3D分支血管幾何形狀進(jìn)行4D打印。幾何設(shè)計(jì)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(duì)磁驅(qū)動(dòng)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(shí)的曲率半徑(R)。在轉(zhuǎn)換的水凝膠支架的圖像下繪制一個(gè)藍(lán)色圓圈來(lái)測(cè)量半徑。(C)磁心對(duì)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(xiàn)突出顯示每個(gè)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(duì)3D變換的影響。(i)具有兩個(gè)帶有重力墨水(白色尖端)的分支和兩個(gè)沒(méi)有的分支的扁平水凝膠前體。(ii)從兩個(gè)不同角度觀(guān)察時(shí)具有不同彎曲程度的轉(zhuǎn)化前驅(qū)體的示意圖和(iii)實(shí)驗(yàn)圖像。(E)二維前驅(qū)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(duì)3D結(jié)構(gòu)進(jìn)行圖案化。(A)在兩個(gè)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(xiàn)。(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(gè)結(jié)和(iii)兩個(gè)結(jié)。(C)將(i)細(xì)長(zhǎng)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(gè)磁性墨點(diǎn)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(guò)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(yuǎn)程應(yīng)用磁體會(huì)導(dǎo)致支架形態(tài)變換，但磁性顆粒的不會(huì)對(duì)摻入生物支架的細(xì)胞產(chǎn)生不利影響。磁驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的分支通道可以細(xì)胞保持良好的活力并建立連接因此可以用于設(shè)計(jì)血管結(jié)構(gòu)。

圖 5. 磁驅(qū)動(dòng)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(guò)磁驅(qū)動(dòng)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(shí)，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(xiàn)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(chǎng)分布分析。(i)施加磁體引起的磁場(chǎng)分布的有限元分析。(ii)沿z坐標(biāo)的磁場(chǎng)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(lán)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(lán)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(guò)紫外線(xiàn)或通過(guò)在水浴中添加交聯(lián)劑來(lái)交聯(lián)后，移除磁體后保持3D形態(tài)，從而產(chǎn)生獨(dú)立的3D生物支架(圖6A )，并實(shí)現(xiàn)僅由生物相容性水凝膠和細(xì)胞組成的3D步行致動(dòng)器。這些進(jìn)步有可能成為開(kāi)發(fā)與生命系統(tǒng)交互的植入式工程組織和軟機(jī)器人的使能平臺(tái)。

圖 6. 3D薄生物支架的磁驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)化能夠產(chǎn)生具有行走運(yùn)動(dòng)的基于水凝膠的生物混合致動(dòng)器。(A)方案說(shuō)明了創(chuàng)建花形的基于3D薄膜的生物支架的過(guò)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(shí)交聯(lián)。在37°C下孵育后，交聯(lián)支架將從磁體中釋放出來(lái)，而明膠會(huì)溶解，同時(shí)從支架中釋放磁性墨水。(B)說(shuō)明生物支架上的細(xì)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(xì)胞的免疫染色。cTnT(紅色)、DAPI(藍(lán)色)和F-肌動(dòng)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(dòng)器的俯視圖和(ii)側(cè)視圖延時(shí)照片(收集 1 分鐘)。比例尺，1厘米。(E)前腳和后腳隨時(shí)間變化的瞬時(shí)速度。(F) (i)支架收縮、移動(dòng)和鈣傳播方向示意圖;(ii) 支架中心心肌細(xì)胞隨時(shí)間的鈣傳播映射(比例尺：500 μm);(iii)腳手架運(yùn)動(dòng)分析。

四、討論

本文展示了一種簡(jiǎn)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(bào)道的2D到3D轉(zhuǎn)換策略不同，此方法不依賴(lài)于材料的內(nèi)在特性。相反，響應(yīng)特性來(lái)自犧牲油墨和磁場(chǎng)的遠(yuǎn)程應(yīng)用，使其與更廣泛的材料系統(tǒng)兼容，并克服了對(duì)精確預(yù)定材料設(shè)計(jì)的要求。還通過(guò)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(yuǎn)程磁力和重力消除了制造過(guò)程中對(duì)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(shí)現(xiàn)實(shí)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(shì)能夠生成分支3D血管結(jié)構(gòu)，這是以前報(bào)道的2D到3D轉(zhuǎn)換方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。因此，在3D結(jié)構(gòu)和材料多樣性方面擴(kuò)展了3D生物制造中形狀變形的可能性。使用這種方法，實(shí)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(lái)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(xì)胞觸發(fā)的行走運(yùn)動(dòng)的生物混合軟致動(dòng)器。

然而，由于明膠網(wǎng)絡(luò)對(duì)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(jìn)一步擴(kuò)大適用于2D到3D轉(zhuǎn)換策略的材料范圍，未來(lái)的研究可能涉及設(shè)計(jì)與油基聚合物兼容的替代犧牲材料。

總體而言，利用遠(yuǎn)程控制力來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)材料形狀變形的精確控制，并為使用軟生物材料設(shè)計(jì)復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)提供了新的機(jī)會(huì)。這種方法有可能促進(jìn)工程組織、軟機(jī)器人技術(shù)以及3D和4D打印的未來(lái)發(fā)展。

五、參考文獻(xiàn)

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