开发一种基于磁控结构化液滴的生物组装技术

生物组织是由不同组织成分组成的具备复杂形貌结构的复合物，如何重塑正常生物组织的成分异质性和结构复杂性是生物制造领域的难题。这主要是由于传统的生物材料成型方式如挤出式3D打印，将液体生物墨水（通常是预凝胶溶液）直接固化成型，从而失去了内部流动性与可融合性，难以与其它成分的生物墨水进一步整合以构建异质性组织。因此，开发一种兼具力学稳定性与内部流动性的生物制造技术有较大意义。

结构化液滴是液-液界面的纳米粒子自组装并形成界面堵塞后产生的一种新型软物质材料，液滴内部维持了液体本身的流动性，界面处则由于组装体形成的薄膜具备固体的稳定性。结构化液滴这种兼具液体流动性与固体形态稳定性的特点使其广泛用于各种功能化液相器件的开发，比如全液相化学反应器、铁磁液滴等，但尚未见结构化液滴在组织工程与生物制造领域的应用。

近期，武汉协和医院孙家明教授课题组和伯克利劳伦斯国家实验室Thomas P. Russell教授课题组在Advanced Science期刊上发表了题为“Reconfigurable Magnetic Liquid Building Blocks for Constructing Artificial Spinal Column Tissues”的研究。

该研究描述了一种基于磁控结构化液滴的生物组装技术，并利用其构建了组织工程脊柱支架。通过海藻酸盐表面活性剂在水油界面堵塞后产生足够机械强度的组装体薄膜，构建脊柱状的骨样及软骨样不规则液滴，通过磁力引导液滴组装、焊接并紫外光固化交联形成脊柱样支架。细胞实验和体内实验的结果均表明该组织工程脊柱支架在体外和体内均拥有良好的生物相容性。

与传统生物材料直接固化成型的方式相比，基于结构化液滴的液相组装技术在未来构建具有复杂结构和功能的异质性组织更有潜力。 形成组装体界面堵塞的结构化液滴可维持非稳态结构，而普通液滴则倾向于回缩形成球状。组装体界面堵塞的程度可通过改变pH、海藻酸钠浓度来调节，降低pH或升高海藻酸钠浓度可增加界面堵塞程度，表现为升高表面覆盖率及降低表面张力。



通过磁化液滴可使液滴具备铁磁性，磁化后的液滴可在外磁场的引导下进行移动和转动，通过磁场可实现对多个液滴同时进行操控，从而实现液滴的横向或纵向组装。



组织工程脊柱支架外形与正常脊柱类似，上下两层是包含脱钙骨基质的骨微组织，中间层是包含软骨脱细胞基质的软骨微组织。体外实验和体内实验都证明脊柱支架具备较好的生物相容性。

该研究由华中科技大学同济医学院附属协和医院整形外科孙家明教授团队与伯克利劳伦斯国家实验室Thomas P. Russell教授团队合作完成，中科院理化技术研究所提供部分支持。罗超博士与刘绪博博士为该文共同第一作者。孙家明教授、Thomas P. Russell教授与汪振星教授为该文共同通讯作者。该研究受到国家重点研发计划、国家自然科学基金与中国博士后科学基金等项目的资助。

审核编辑：刘清