发布时间：2022-04-07      

近日，南方科技大学机械与能源工程系胡程志副教授研究团队在生物制造取得研究进展，提出了一种通过毛细管微流控的方法制备内部形状可控的水凝胶微球。该成果基于流体内部粘性不稳定原理，实现不同种细胞在同一水凝胶微球内的空间异质分布，在体外血管化组织再生，干细胞治疗，构建多细胞球体，尤其是研究不同生物物理信号对细胞功能和表型上具有重要意义。相关成果发表在生物制造领域著名期刊Biofabrication。

图1通过玻璃毛细管的间隙配合组装出毛细管微流控装置。A）在三个入口分别通入不同的溶液，当内部的粘性纤维素溶液与外部低粘度水凝胶溶液相互作用，在适当速率下会诱发粘性不稳定性，从而制备出具有不同内部形状的水凝胶微球。B）随着内部高粘流体与外部低粘流体的流速比的变化，产生的水凝胶微球内部形状也会发生变化。C）将人脐带静脉内皮细胞（血管模型细胞）包裹进内部螺旋通道和弯曲通道，内皮细胞能够贴着通道内壁形成单层结构，在构建血管化组织器官方面具有巨大的潜力。

本课题组通过在自行设计的玻璃毛细管微流控装置上，对内水相、外水相流体的速率和粘度进行调控，使得两水相流体在微流控装置内相互作用进而诱发粘性不稳定性，从而产生内部形状可控的水凝胶微球。为验证所制备的内螺旋通道水凝胶微球在构建血管化多细胞球上的优势，我们分别将人脐带静脉内皮细胞（HUVECs）和骨髓间充质干细胞（MSCs）包裹到水凝胶微球内部通道和水凝胶壳层里，在体外构建血管化多细胞的类骨组织模型。在实验中，我们设置了三个对照组，第1组：单培养的HUVECs在内直通道微球中；第2组：单培养的HUVECs在内螺旋通道微球中；第3组：在内螺旋通道微球中共培养MSCs和HUVECs。单培养的内螺旋通道水凝胶微球中的HUVECs(第2组)在培养1、3、5和7天后的细胞增殖试验中显示出较高的代谢活性，原因是生长介质中的大分子能够在水凝胶网络中自由扩散，螺旋通道较大的内表面积使细胞能够更有效地获取氧气和营养物质。
为了更好地观察培养期间血管腔的形成情况，我们对细胞核、HUVECs（CD31作为标记蛋白）和MSCs（Vimentin作为标记蛋白）进行染色和标记，荧光图像显示，HUVECs在第1天没有明显的扩散，大部分保持圆形。第7天，HUVECs数量增加，并生长为血管腔，这证明了具有不同的内部形态的水凝胶微球用于构建血管化组织的可行性。同时在第三组中，HUVECs与MSCs共培养于内螺旋通道微球中，构建血管化的异质球体。与单培养条件相比，共培养条件下每个微球的毛细血管总长度和毛细血管交叉点数较高(第2组)。可能原因是由于HUVECs和MSCs之间的旁分泌相互作用，在体外促进了血管化，在共培养微环境中诱导了预血管化。在进一步的骨分化实验中，通过ARS和ALP对钙节点和碱性磷酸酶进行染色也验证了骨的生成。总之，骨生成和血管生成的实现表明，我们构建的多细胞异质微球在体外构建血管化的三维组织特异性结构非常方便。除此之外，还可以通过调节GelMA-PEGDA水凝胶的力学性能，使血管生成芽生长到水凝胶中，这也被我们的实验所证实。这表明适当的水凝胶配方可以支持血管的生长和扩张，或相邻微球之间的吻合，显示了水凝胶微球用于组织再生应用具有广阔的前景。


图（2）。HUVECs与MSCs共培养构建血管化异质球体。第1组：单培养的HUVECs在内直通道微球中；第2组：单培养的HUVECs在内螺旋通道微球中；第3组：在内螺旋通道微球中共培养MSCs和HUVECs。(A)血管化异质多细胞球体的示意图。(B)相比于内直通道微球，单培养的内螺旋通道水凝胶微球中的HUVECs(第2组)在培养1、3、5和7天后的细胞增殖试验中显示出较高的代谢活性。(C)三个对照组的水凝胶微球在第1天和第7天分别进行荧光染色和标记，结果显示在第7天，共培养的多细胞球体内形成良好的内血管通道。(D)对培养1、5和7天后血管管腔形成进行定量分析，通过测量每个微球毛细血管样总长度和毛细血管交叉点数量来确定。以第1天的值进行归一化处理。数据以独立重复的均值±标准差表示。单星号(*)表示组间差异，双星号(**)表示组间差异显著。

南方科技大学机械系2019级博士研究生詹针为本文的第一作者，研究助理教授刘泽阳博士为本文的共同一作，南方科技大学副教授胡程志为本文的通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金，深圳市仿生机器人与智能系统重点实验室，广东省普通高校人体增强与康复机器人重点实验室，广东省自然科学基金以及深圳科技创新委员会的资助。

论文链接：
https://doi.org/10.1088/1758-5090/ac5e12