開發一種基于磁控結構化液滴的生物組裝技術

生物組織是由不同組織成分組成的具備復雜形貌結構的復合物，如何重塑正常生物組織的成分異質性和結構復雜性是生物制造領域的難題。這主要是由于傳統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建異質性組織。因此，開發一種兼具力學穩定性與內部流動性的生物制造技術有較大意義。

結構化液滴是液-液界面的納米粒子自組裝并形成界面堵塞后產生的一種新型軟物質材料，液滴內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定性。結構化液滴這種兼具液體流動性與固體形態穩定性的特點使其廣泛用于各種功能化液相器件的開發，比如全液相化學反應器、鐵磁液滴等，但尚未見結構化液滴在組織工程與生物制造領域的應用。

近期，武漢協和醫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構化液滴的生物組裝技術，并利用其構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生足夠機械強度的組裝體薄膜，構建脊柱狀的骨樣及軟骨樣不規則液滴，通過磁力引導液滴組裝、焊接并紫外光固化交聯形成脊柱樣支架。細胞實驗和體內實驗的結果均表明該組織工程脊柱支架在體外和體內均擁有良好的生物相容性。

與傳統生物材料直接固化成型的方式相比，基于結構化液滴的液相組裝技術在未來構建具有復雜結構和功能的異質性組織更有潛力。 形成組裝體界面堵塞的結構化液滴可維持非穩態結構，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、海藻酸鈉濃度來調節，降低pH或升高海藻酸鈉濃度可增加界面堵塞程度，表現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動，通過磁場可實現對多個液滴同時進行操控，從而實現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的骨微組織，中間層是包含軟骨脫細胞基質的軟骨微組織。體外實驗和體內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學院附屬協和醫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