新型“溫控可收縮“水凝膠！血管、腎小管3D打印成為可能

長久以來，科學家試圖在體外重現人體血管、腎小管等復雜微結構，卻屢屢碰壁，究其原因，主要因為（1）精度極限：傳統3D打印噴嘴直徑普遍＞200微米，強行打印微小管道會導致堵塞；（2）細胞存活困境：模具灌注法易造成細胞分布不均，存活率不足70%；（3）成像障礙：收縮后材料渾濁，顯微鏡下無法觀測細胞動態。

近日，荷蘭烏得勒支大學科研團隊突破性研發出一種能感知溫度的神奇水凝膠，并結合3D體積打印技術，成功實現打印直徑在微米級的管狀結構，為人工器官制造開辟了全新路徑。相關研究發表于《Advanced Functional Materials》的“Tunable Thermoshrinkable Hydrogels for 4D Fabrication of Cell-Seeded Channels"，這項研究成果不僅刷新了微觀制造的精度紀錄，更讓"在實驗室培育功能性器官"的夢想照進現實。

實  驗  結  果：

1、熱響應性水凝膠前驅體的合成與表征

本研究首先合成了一種ABA三嵌段共聚物PNH-MA，如下圖。該共聚物設計整合了三個關鍵組分：i) 基于PNIPAM的熱響應域，ii) 基于PEG的親水塊（確保收縮前后充分水合），iii) 共聚到熱響應域中的HEA單體（通過甲基丙烯酸酯基團（MA）實現光交聯）。

合成聚合物通過1H-NMR、尺寸排阻色譜（SEC）和超高效液相色譜（UPLC）表征，并測定濁點（CP）溫度。

2、熱收縮 PNH─MA 水凝膠的細胞相容性

為了評估新開發的可收縮材料的細胞相容性，將 ciPTECs 接種到圓柱形 PNH?MA 水凝膠的表面上，并在 14 天內監測細胞活力和表面覆蓋率。結果表明，溫度觸發的收縮過程對涂層以及由此產生的細胞粘附和活力沒有影響

3、通過體積打印獲得的細胞接種的微通道

為了克服在直徑小于 200 μm 的通道中接種細胞的限制，通過3D體積打印技術制造了具有特定設計的基于 PNH─MA 的支架中的空心通道，如下圖A、B。

在細胞灌注接種過程中，為防止細胞懸液殘留在入口區域或泄漏到出口，我們通過在干燥、潮濕的環境中暫時保持細胞灌注通道處于水平方向，直到發生細胞粘附。粘附在通道表面的細胞在 10 天內保持活力，隨著時間的推移以增殖狀態覆蓋通道表面，如下圖。

（H) 注入收縮通道的ciPTEC共聚焦顯微鏡圖像（第7天），用鈣黃蛋白AM（綠色，活）和PI（紅色，死）染色。I，J) ciPTEC共聚焦顯微鏡圖像（第7天）粘附在支架出口袋（I）和通道（J）上，用DAPI（藍色，細胞核）和phalloidin（紅色，肌動蛋白）染色。

結    論

在這項工作中，作者合成了一種新的熱響應聚合物，它顯示出可調特性，并允許通過光交聯形成穩定的水凝膠，這些水凝膠響應于浸沒其中的水介質的溫度升高而發生（可逆的）各向同性收縮。這種收縮工藝被用作細胞接種的空心通道的 4D 制造策略，以將其直徑減小 35-50%。此外，借助于3D體積打印制造技術打印的通道，收縮特性還顯示出其密封塑料管周圍水凝膠入口的優勢，實現了防漏灌注，并將細胞接種到直徑小于 200 μm 的通道中。與以前開發的熱收縮材料相比，PNH─MA 在所有溫度下都保持透明，有助于對通道內的細胞進行成像。

這項研究，標志著生物制造進入"細胞級精度"時代，這項技術不僅改寫了制造規則，更讓我們窺見了"人造器官"的無限可能。