當下，微流控技術(shù)已成為一種強有力的工具，其結(jié)合水凝膠等具備良好生物相容性的材料，可用于產(chǎn)生亞毫米大小的細胞聚集體（即所謂的微組織）來執(zhí)行組織特異性功能，并進一步應(yīng)用于藥物測試、再生醫(yī)學(xué)和細胞治療。近日，來自波蘭科學(xué)院物理化學(xué)研究所的Jan Guzowski教授團隊系統(tǒng)回顧了該領(lǐng)域的最新進展，相關(guān)研究成果以“Microfluidic Formulation of Topological Hydrogels for Microtissue Engineering”為題發(fā)表在Chemical Reviews期刊上。

該綜述主要從五個模塊進行闡述（圖1）：（1）水凝膠維度和拓撲的一般分類；（2）微流控技術(shù)中使用的不同類型的水凝膠；（3）用于微組織工程研究的微流控技術(shù)類別；（4）拓撲水凝膠微結(jié)構(gòu)的制造；（5）微組織工程的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

圖1 基于微流控技術(shù)的微組織工程水凝膠維度和拓撲的一般分類

首先，研究人員根據(jù)它們的“維度”和“拓撲”對水凝膠微結(jié)構(gòu)進行分類。就“維度”而言，主要將其分為0D、1D、2D、3D、4D；通過結(jié)構(gòu)的拓撲性，主要劃分為吞沒拓撲和Janus拓撲（圖2）。

圖2 水凝膠結(jié)構(gòu)的多樣性基于微流控技術(shù)的水凝膠類別

目前，最常用于制備用于組織工程的水凝膠的生物聚合物包括：（i）天然來源的聚合物，包括多糖（例如瓊脂糖、透明質(zhì)酸、殼聚糖或藻酸鈣），或基于蛋白質(zhì)的聚合物（例如明膠、膠原、纖維蛋白或基質(zhì)凝膠或其他類型的脫細胞基質(zhì)（dECM））；（ii）部分合成的聚合物，例如明膠甲基丙烯酰（GelMa）；（iii）完全合成的聚合物，例如聚乙二醇（PEGs）及其衍生物。此外，還需要對其多方面的性能進行考察，包括力學(xué)性能、促細胞增殖和粘附性能以及生物降解性等。

（1）力學(xué)性能：形成3D細胞培養(yǎng)支架的水凝膠的機械性能不僅決定了支架的長期穩(wěn)定性，而且通過機械轉(zhuǎn)導(dǎo)，即由外部機械信號誘導(dǎo)的生物化學(xué)信號，直接影響包埋細胞的行為。在仿生基質(zhì)中，取決于所應(yīng)用的仿生策略，基質(zhì)的機械性質(zhì)應(yīng)該與天然組織或天然ECM的性質(zhì)相匹配。各種組織和各種水凝膠的楊氏模量之間的詳細比較總結(jié)于圖3中。

圖3 各種組織與生物材料機械性能的比較（2）細胞與水凝膠的相互作用：細胞粘附和增殖是健康組織生長所必需的。生長因子只能在少數(shù)天然來源的水凝膠中發(fā)現(xiàn)，如Matrigel或dECM，而細胞粘附基序也天然存在于殼聚糖、膠原、纖維蛋白、明膠和GelMa中，但不存在于瓊脂糖、藻酸鹽、透明質(zhì)酸或PEG中。在后一種情況下，可以通過水凝膠的適當化學(xué)功能化來促進細胞粘附。

（3）生物降解性：在水凝膠作為臨時支持物的應(yīng)用中，支架應(yīng)該隨著組織的成熟而逐漸降解。在這種情況下，水凝膠的降解速率需要與組織發(fā)育的速率相匹配，而組織發(fā)育的速率又取決于組織的類型。水凝膠的降解通常由兩種機制之一引起：酶解或水解。酶促降解是一種局部現(xiàn)象，而由于不穩(wěn)定化學(xué)鍵的存在，水解發(fā)生在水凝膠的整個體積中。

水凝膠制劑的微流控策略

研究人員主要回顧了水凝膠制劑的微流控策略，通常情況下，交聯(lián)過程中涉及的物理化學(xué)因素是決定微通道和微流體連接的布局和/或尺寸的因素。

物理交聯(lián)依賴于水凝膠分子自組裝成網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)由溶液溫度的變化誘導(dǎo)或由聚合物鏈和交聯(lián)劑之間的物理（非共價）相互作用介導(dǎo)，如離子相互作用、氫鍵或主客體絡(luò)合。物理交聯(lián)過程的優(yōu)點是條件溫和，使得包埋的細胞保持高水平的生存力（圖4a-c）。

各種化學(xué)交聯(lián)方法已經(jīng)成功地用于制備水凝膠。在可用的方法中，紫外引發(fā)的交聯(lián)具有交聯(lián)時間短的優(yōu)點，因此即使使用可混溶的水凝膠前體，也可容易地用于產(chǎn)生間隔化的水凝膠。另一方面，酶法、邁克爾加成法或點擊化學(xué)法通常更具生物相容性，并且在技術(shù)上更易于實施，因為它們不需要將任何外部設(shè)備（例如紫外光源）整合到微流控工作流程中，并且因此為不太復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)提供了最佳解決方案。

圖4 水凝膠液滴交聯(lián)的微流控策略拓撲水凝膠微結(jié)構(gòu)的制造

對于1D結(jié)構(gòu)，研究人員主要從橫向圖案化的微纖維、縱向圖案化超細纖維、“1.5D”帶狀結(jié)構(gòu)、水凝膠纖維和絲帶中的復(fù)雜圖案化和信息編碼幾方面分別展開敘述；2D結(jié)構(gòu)構(gòu)成了一組相對較小的微流控輔助組織工程支架，包括多孔膜、自下而上組裝的2D微凝膠棋盤圖案和水凝膠液滴網(wǎng)絡(luò)；3D結(jié)構(gòu)主要包括可注射顆粒支架，例如顆粒生物墨水、3D打印的基于液滴的結(jié)構(gòu)、3D打印或捆綁的微纖維和散裝多孔材料。

生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用

在回顧了制造載細胞微凝膠的微流控方法之后，最后研究人員詳細地描述它們在組織工程中的應(yīng)用。這部分主要從微凝膠的維度和拓撲決定的應(yīng)用以及組織和細胞類型的特定應(yīng)用展開敘述。

由微凝膠的維度和拓撲決定的應(yīng)用如圖5所示，展示了0D、1D、2D、3D、4D微凝膠的各種結(jié)構(gòu)激發(fā)的多種應(yīng)用，如組織建模、再生醫(yī)學(xué)和細胞療法、藥物測試等；此外，研究人員一一研究了廣泛的組織，包括肝臟、胰腺、神經(jīng)元、心臟組織、骨骼肌、骨骼和血管組織，還討論了干細胞和癌細胞封裝作為再生和個性化醫(yī)學(xué)的新興策略的最新進展。

圖5 組織工程中的多種應(yīng)用

綜上，微流控最近已成為一種強大的工具，可用于生成能夠執(zhí)行組織特異性功能的亞毫米級細胞聚集體，即所謂的微組織，用于藥物測試、再生醫(yī)學(xué)和細胞療法。拓撲生物材料的微流控方法在微型組織和器官（如胰腺、肝臟、肌肉、骨骼、心臟、神經(jīng)組織或脈管系統(tǒng)）的工程設(shè)計以及為干細胞擴增定制微環(huán)境的制造方面取得了重大進展。研究人員在該論文中通過利用各種交聯(lián)機制和各種路徑進行劃分，回顧了可用的微流控制造方法，并批判性地討論了其在組織工程中的特異性應(yīng)用。最后，研究人員指出目前仍面臨的挑戰(zhàn)，例如簡化微流控工作流程以使實現(xiàn)其在生物醫(yī)學(xué)研究中的廣泛使用、從實驗室到臨床的過渡（包括生產(chǎn)升級）、進一步的體內(nèi)驗證、更精確的器官樣模型的生成以及整合誘導(dǎo)多能干細胞作為邁向臨床應(yīng)用的一步。