综述《先进功能材料》水凝胶中3D图案化用于功能(2)

图6 通过精确的化学设计制作图案。

3.1基于PEG的水凝胶骨架

Anseth和他的同事首先提出了使用Click水凝胶来进行细胞包封和通过四臂PEG四叠氮化物和双(二氟代环辛炔)双功能化多肽之间的双正交的Huisgen环加成法来制作图案的方法。

3.2糖胺聚糖和基于蛋白质的水凝胶骨干

还已经探索了其他水凝胶作为利用点击化学将功能分子图案化的聚合物主链。例如，通过两步点击光诱导反应制备的降冰片烯官能化HA水凝胶已用100 m宽的硫醇官能化肽条进行了图案化(图 6F)。

4通过微流控技术制作图案

体内ECM的生化和生物力学特性直接影响细胞行为。

4.1微流控

在过去的20年中，已经提出了多种使用微流体技术对水凝胶和细胞进行图案化的方法。例如，在微腔设备中，通过层流将Matrigel图案化成200–500 m宽的平板，方法是将多达五个入口通道组合在一起，从而实现生物分子的共培养和梯度洗脱。其他示例包括通过对流混合微流体设备生成胶原蛋白梯度，原代造血干细胞模式化，ECM成分和多个细胞模式化以重建肿瘤位(图7A)。通过一种复杂的方法，通过向多个入口微流控芯片添加气动阀，在功能上使20 m水凝胶微纤维在空间上具有可调节的结构和化学特征，从而在纤维内控制肝细胞和成纤维细胞的共培养组织(图7B)。微流控已经成为一种通用且对细胞友好的图案化技术，允许使用多种类型的水凝胶，同时允许使用流动来操纵细胞(图7C)。

图7 通过微流控制备图案。

5通过3D打印制作图案

在过去的五年中，对用于组织工程和生物工程的增材制造的兴趣呈指数增长。油墨材料的多功能性和可调整性，可扩展性，微尺度精度和制造结构的坚固性使3D打印得以发展。

5.1模仿血管的3D打印模式

人造组织的功能取决于适当的可灌注脉管系统中细胞和ECM的组装。为了实现这一目标，3D打印已经能够使用牺牲性策略在水凝胶中制造类似血管的结构，以产生空心结构。利用明胶的热敏特性，该方法已被用于在胶原蛋白和纤维蛋白水凝胶中打印1 mm宽的牺牲明胶图案，从而产生了内皮化的可灌注血管样网络。同样，热敏性Pluronic F127已被用作GelMA中的牺牲材料来工程化血管系统(图8A)，印刷的琼脂糖纤维已被用作牺牲品，以将类似血管的图案生成各种水凝胶(图8B)。无需牺牲策略即可制造类似血管的结构。例如，在非牺牲方法中，通过使微流体设备适应3D打印机，用单个或两个生物分子对GelMA血管网格进行构图(图8C)。

图8 通过3D打印制作图案。

6通过非接触力制作图案

电场，磁场和声波以及自组装的相互作用也可以用作操纵力，以设计3D环境中特定生物功能线索的模式。

6.1电图案

传统上，电场已用于刺激细胞群体。但是，非均匀(介电泳)(图9A–C)或均匀(电泳)(图9D)电场也已用于创建3D模式。Albrecht等人的开拓性工作。报道了一种在电泳过程中在微凝胶中产生250 m宽条纹图案的细胞的报道。

6.2磁光成像

磁力还可用于在3D环境中动员和定位提示和单元。例如，将磁性标记的人类黑素瘤M1和成纤维细胞一起培养，并通过销钉固定器和磁体专门定位以模仿肿瘤环境。

6.3助听器

声光止血技术最近已被用作一种清洁(即远程控制)的技术来生成复杂的细胞模式。该技术利用细胞与周围流体之间的密度差异，促进细胞向压力最小的声波节点平面迁移。类似地，法拉第波施加到纤维蛋白水凝胶上，促进了iPSC衍生的心肌细胞形成多个20 m厚的层，超声驻波在空间上将水凝胶内120-150 m宽的成肌细胞群体组织在一起。后来的研究还证明了生产机械各向异性支架的可能性(图9E)。类似地，采用超声波体声波将藻酸水凝胶中的hADSC优先排列成条纹状。通过在过程中使用七边形声镊实现对定位，方向和图案几何形状的更高控制，该镊子用于在自由水凝胶中的DRG共培养物中创建多种类型的雪旺细胞图案(图9F)媒体。

文章来源：《金属功能材料》 网址: http://www.jsgncl.cn/zonghexinwen/2021/0303/389.html