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综述《AFM》水凝胶中3D图案化用于成效性生物状况娱乐

发布时间:2022-09-06 06:36人气:156

  生物构造内心上是繁芜的。组织宗旨,化学各向异性和组成异质性在生物体系中无处不在,并在生物编制的性能中发挥要紧效力。几十年来,诸如软光刻的手腕经过对 2D分子图案举办周密的空间局限,使得这种吩咐得以展现。随着伎俩的进步以及对分子和组织生物学的日益深切的分析,人们对以3D浸筑此类空间构造的兴味日益浓郁。 近来, 伦敦玛丽皇后大学 Alvaro Mata 教练团队 在《先辈成效质料》上公告了题为 3D Patterning within Hydrogels for the Recreation of Functional Biological Environments 综述, 作者 介绍用于组织工程应用的水凝胶内成效分子的3D模式创筑的最新手法的严密纲领。遵照用于制造图案的紧要驱动力,将审查分为五组材干,征采光,精确的化学着想,微流体,3D打印和非接触力(即电场,磁场或声场和自 部件)。

  大自然填塞了文雅的组织,揭露出注意样子和大小的反复图案。但是,这些模式绝不仅仅是美学特色,而是行为,生长,保护和营养的需要条目。比方,飞鹅表露的大方的 V形图案(图1A)有助于羊群感知周围情况并在通盘群体中速速传达新闻。动物皮肤(例如长颈鹿,豹子或斑马)上生计的黑色素斑点或图案条纹的周期性,以及鸟类羽毛上的神态梯度(图1B)用作假冒,旗号或辨认。树木在曰镪外部位置(比方风,光,逐鹿者以及生物或非生物应激源)时,会以最小的能量泯灭酿成分支模式(图1C)以支撑其构造本性。这些美丽而合用的图案是自然界演化出的精确空 间机关的直接结局。

  模块化构造工程( TE)战术已被设备出来,经过从下至上创造行径的构建基块来工程化结构和器官。 达成图案的须要和潜力并不是什么崭新事。 Whitesides及其同事在二十多年前设备的软光刻才略已在细胞生物学,生圆寂学,生物才智和生物工程畛域滋长了宏大习染。这些示例声明了2D或2.5D地形线索大概会对核办或重筑生物始末的能力孕育感化(图2A)。设思一下,如果大概懈弛地在芜杂的3D情况中制造肖似的图案(图2B),则可以设想。

  在这里,作者转头了或者在水凝胶中创造功用性 3D模式的跨越能力 。作者 将3D模式定义为在水凝胶里面定位的明肯定义的生物功能异质性,给予其空间定义的生化或构造性情。凭据用于创造图案的首要驱动力将察看分为五组能力,搜求光,化学联想,微流体,3D打印以及涉及电场,磁场,声场或自组装的非兵戈力(图3)。

  光已被渊博用于在水凝胶中孕育图案。 光图案化提供恐怕在曝敞后爆发反响的片面(光敏或光敏)。将这一片面分为分裂的多层图案化能力,后者应用光同时创筑图案和凝胶(图4A)和后凝胶化图案工夫,后者在凝胶化之后创修图案(图5A)。

  凝胶化后的图案化供应包含反响性光敏个别的合成水凝胶(图 5A)。在此,根据模板掩膜的使用(例如,掩模光刻(MP)或直接激光光刻)来区分凝胶化后的图案化本领 (聚焦激光映照(FLI)和双光子激光扫描光刻(TPLSP))(图5B–F)。

  操纵资历软光刻筑造的母版的概思已添补到 MP中水凝胶的3D图案化。经验操纵掩模遮盖走漏在水之下的水凝胶形势,弃取性照射的未掩模区域会发作光响应,从而变成结构和生化模式(图5B) 。

  化学(生物)缀合反映,例如生物素 -链霉亲和素或酪胺-过氧化物的缀关,PEGygaltion,肽的缀关以及偶联-点击反应已被富饶用于临盆细胞反应性资料。其中,点击化学已被声明是在细致条目下以高结果和选择性,高收率和无害副产物群集成效分子的强大器材。点击化学前体的正交性使其成为水凝胶关成(图6A)和诸如细胞移植,药物递送,体外模型和调节等操纵的可行候选者。

  Anseth和他的同事最先提出了欺骗Click水凝胶来实行细胞包封和履历四臂PEG四叠氮化物和双(二氟代环辛炔)双成效化多肽之间的双正交的Huisgen环加成法来制造图案的手腕。

  还照旧探索了其全班人水凝胶行径诈骗点击化学将性能分子图案化的召集物主链。比方,始末两步点击光指导反响制备的降冰片烯官能化 HA水凝胶已用100 µm宽的硫醇官能化肽条举行了图案化(图 6F)。

  在昔时的 20年中,还是提出了多种诈骗微流体伎俩对水凝胶和细胞进行图案化的门径。比方,在微腔创设中,经历层流将Matrigel图案化成200–500 µm宽的枯燥,法子是将多达五个入口通道召集在一齐,从而完毕生物分子的共扶植和梯度洗脱。其所有人示例征求阅历对流同化微流体兴办天资胶原蛋白梯度,原代造血干细胞模式化,ECM身分和多个细胞模式化以浸建肿瘤位(图7A)。 阅历一种繁杂的办法,体验向多个入口微流控芯片推广气动阀,在性能上使 20 µm水凝胶微纤维在空间上具有可治疗的构造和化学特质,从而在纤维内限定肝细胞和成纤维细胞的共提携机关(图7B)。 微流控 依然成为一种通用且对细胞友好的图案化伎俩,允许诈欺多种榜样的水凝胶,同时照准运用活动来诈欺细胞(图7C)。

  在旧日的五年中,对用于组织工程和生物工程的增材制造的兴会呈指数添补。 油墨资料的多成效性和可调养性,可加添性,微准绳精度和创造构造的踏实性使3D打印得以繁盛。

  人造机关的效用取决于适宜的可灌注脉管体系中细胞和 ECM的组装。为了完结这一主意,3D打印依然或许利用殉国性政策在水凝胶中制造相同血管的结构,以出现空心构造。诳骗明胶的热敏性情,该办法已被用于在胶原蛋白和纤维蛋白水凝胶中打印1 mm宽的殉国明胶图案,从而生长了内皮化的可灌注血管样聚集。同样,热敏性Pluronic F127已被用作GelMA中的阵亡质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,以将似乎血管的图案天才各种水凝胶(图8B)。无需阵亡战略即可制造貌似血管的机合。譬喻,在非殉难手段中 ,经过使微流体修立适关 3D打印机,用单个或两个生物分子对GelMA血管网格举办构图(图8C)。

  电场,磁场和声波以及自组装的互相出力也恐怕用作应用力,以联想 3D状况中特定生物性能线电图案

  守旧上,电场已用于刺激细胞群体。 然而,非平均(介电泳)(图9A–C)或平均(电泳)(图9D)电场也已用于创筑3D模式。Albrecht等人的开发性职责。报道了一种在电泳过程中在微凝胶中产生250 µm宽条纹图案的细胞的报道。

  磁力还可用于在 3D状况中发起和定位指示和单元。比方,将磁性标识的人类黑素瘤M1和成纤维细胞全盘提升,并通过销钉固定器和磁体特殊定位以仿照肿瘤景况。

  声光止血才气最近已被用作一种洁净(即远程节制)的才具来天赋零乱的细胞模式。该伎俩诈欺细胞与边沿流体之间的密度分裂,鼓励细胞向压力最小的声波节点平面转移。相仿地,法拉第波施加到纤维蛋白水凝胶上,鼓舞了 iPSC衍生的心肌细胞酿成多个20 µm厚的层,超声驻波在空间上将水凝胶内120-150 µm宽的成肌细胞群体机合在全数。其后的查办还注明了分娩死板各向异性支架的也许性(图9E)。宛若地,接受超声波体声波将藻酸水凝胶中的hADSC优先布列成条纹状。体验在颠末中诈骗七边形声镊完毕对定位,主旨和图案几许式样的更高节制 ,该镊子用于在自由水凝胶中的 DRG共扶植物中创筑多种典型的雪旺细胞图案(图9F)媒体。

  自组装提供了应用非共价力(即氢键,疏水互相恶果,π–π堆集)从下往上孳乳,征采具有图案的 3D水凝胶的或者性。这种法子之因而稀少有吸引力,是来由它为制造和创建细胞和亚细胞大小规范的组织和化学模式提供了机遇,从而鼓励了原料-细胞相互效果的优化。另外,自组装还或者自愿地创建具有纳米级精度和受控分子表露的图案,而无需外部力。譬喻,在液-液界面处出现的疏水力已被用来携带PEG微凝胶组装成线性,分支或偏移的纠合体,从而救援成纤维细胞的包封(图9G)。

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