生物組織是由不同組織成分組成的具備復雜形貌結(jié)構(gòu)的復合物，如何重塑正常生物組織的成分異質(zhì)性和結(jié)構(gòu)復雜性是生物制造領(lǐng)域的難題。這主要是由于傳統(tǒng)的生物材料成型方式如擠出式3D打印，將液體生物墨水（通常是預凝膠溶液）直接固化成型，從而失去了內(nèi)部流動性與可融合性，難以與其它成分的生物墨水進一步整合以構(gòu)建異質(zhì)性組織。因此，開發(fā)一種兼具力學穩(wěn)定性與內(nèi)部流動性的生物制造技術(shù)有較大意義。

結(jié)構(gòu)化液滴是液-液界面的納米粒子自組裝并形成界面堵塞后產(chǎn)生的一種新型軟物質(zhì)材料，液滴內(nèi)部維持了液體本身的流動性，界面處則由于組裝體形成的薄膜具備固體的穩(wěn)定性。結(jié)構(gòu)化液滴這種兼具液體流動性與固體形態(tài)穩(wěn)定性的特點使其廣泛用于各種功能化液相器件的開發(fā)，比如全液相化學反應器、鐵磁液滴等，但尚未見結(jié)構(gòu)化液滴在組織工程與生物制造領(lǐng)域的應用。

近期，武漢協(xié)和醫(yī)院孫家明教授課題組和伯克利勞倫斯國家實驗室Thomas P. Russell教授課題組在Advanced Science期刊上發(fā)表了題為“Reconfigurable Magnetic Liquid Building Blocks for Constructing Artificial Spinal Column Tissues”的研究。

該研究描述了一種基于磁控結(jié)構(gòu)化液滴的生物組裝技術(shù)，并利用其構(gòu)建了組織工程脊柱支架。通過海藻酸鹽表面活性劑在水油界面堵塞后產(chǎn)生足夠機械強度的組裝體薄膜，構(gòu)建脊柱狀的骨樣及軟骨樣不規(guī)則液滴，通過磁力引導液滴組裝、焊接并紫外光固化交聯(lián)形成脊柱樣支架。細胞實驗和體內(nèi)實驗的結(jié)果均表明該組織工程脊柱支架在體外和體內(nèi)均擁有良好的生物相容性。

與傳統(tǒng)生物材料直接固化成型的方式相比，基于結(jié)構(gòu)化液滴的液相組裝技術(shù)在未來構(gòu)建具有復雜結(jié)構(gòu)和功能的異質(zhì)性組織更有潛力。 形成組裝體界面堵塞的結(jié)構(gòu)化液滴可維持非穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，而普通液滴則傾向于回縮形成球狀。組裝體界面堵塞的程度可通過改變pH、海藻酸鈉濃度來調(diào)節(jié)，降低pH或升高海藻酸鈉濃度可增加界面堵塞程度，表現(xiàn)為升高表面覆蓋率及降低表面張力。



通過磁化液滴可使液滴具備鐵磁性，磁化后的液滴可在外磁場的引導下進行移動和轉(zhuǎn)動，通過磁場可實現(xiàn)對多個液滴同時進行操控，從而實現(xiàn)液滴的橫向或縱向組裝。



組織工程脊柱支架外形與正常脊柱類似，上下兩層是包含脫鈣骨基質(zhì)的骨微組織，中間層是包含軟骨脫細胞基質(zhì)的軟骨微組織。體外實驗和體內(nèi)實驗都證明脊柱支架具備較好的生物相容性。

該研究由華中科技大學同濟醫(yī)學院附屬協(xié)和醫(yī)院整形外科孫家明教授團隊與伯克利勞倫斯國家實驗室Thomas P. Russell教授團隊合作完成，中科院理化技術(shù)研究所提供部分支持。羅超博士與劉緒博博士為該文共同第一作者。孫家明教授、Thomas P. Russell教授與汪振星教授為該文共同通訊作者。該研究受到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金與中國博士后科學基金等項目的資助。

審核編輯：劉清