基于停流光刻技术的可降解细胞微凝胶组装体合成及其在组织工程中的应用

《IEEE Transactions on NanoBioscience》：Synthesis of Biodegradable Cell-laden Microgels Assembly by Stop-Flow Lithography

本刊推荐：研究人员针对传统3D细胞培养中非降解材料限制应用的问题，开展了基于停流光刻技术(SFL)的可降解细胞微凝胶合成研究。通过用葡聚糖-2-羟乙基甲基丙烯酸酯(dex-HEMA)替代聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)，成功实现了无菌细胞封装，并验证了细胞生长活性和微凝胶基质降解速率。该技术为构建复杂3D共培养模型提供了新方案，显著提升了生物医学研究中体外模型的相关性。

　　

在组织工程领域，三维细胞培养技术正以前所未有的速度发展，但传统方法仍面临重大挑战。虽然科学家们一直试图模拟细胞在体内的真实环境，但常见的二维培养方式往往会导致细胞行为异常。三维培养的优势在于能让细胞与周围环境及其他细胞相互作用，更接近真实组织状态。然而现有技术如电纺丝或生物打印等自上而下的方法，往往难以达到天然组织所具有的空间分辨率、细胞密度或细胞排列精度。

自下而上的方法为这一难题提供了新思路。这种方法通过组装携带细胞的微凝胶单元来构建有序结构，包括自组装和直接组装两种策略。停流光刻技术(SFL)作为一种连续光刻工艺，在微流控通道内进行，每小时可生产高达10⁶个微凝胶，使其成为制备细胞微凝胶的理想选择。然而，此前基于SFL技术制备的细胞微凝胶通常含有不可降解的聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)，这不仅限制了应用前景，还引发了关于封装细胞命运的担忧。此外，无菌条件下的细胞封装问题也一直未能得到有效解决。

捷克研究团队在《IEEE Transactions on NanoBioscience》上发表的最新研究，通过逐步优化过程，成功用生物相容性且可降解的葡聚糖-2-羟乙基甲基丙烯酸酯(dex-HEMA)替代了PEGDA。研究还提供了可实现无菌细胞封装的技术方案，并通过监测细胞生长、活性以及微凝胶基质的降解速率进行了验证。该工作标志着生物相容性细胞构建体高通量生产的重要进展，为构建复杂3D共培养模型奠定了基础，未来可能成为动物实验的可行替代方案。

关键技术方法包括：使用微流控芯片进行停流光刻制备微凝胶，通过优化光引发剂LAP浓度(0.1-0.3% w/w)和dex-HEMA浓度(30-35% w/w)确保凝胶合成质量；采用圆底96孔板实现微凝胶重力诱导自组装；利用低浓度PEGDA溶液和局部UV照射实现微凝胶间的永久键合。研究使用Caco-2和HT-29两种肠道屏障相关细胞系进行封装验证。

优化预凝胶组成：研究发现LAP浓度低于0.1%时微凝胶边缘模糊，高于0.3%时凝胶易粘附微通道。dex-HEMA浓度为40%时预凝胶粘度过高，不利于无菌过滤，最终确定30-35%为最佳浓度范围。微凝胶的杨氏模量为16.3±2.0 kPa，处于软组织范围内。

降解动力学：通过改变曝光时间(190-500 ms)和强度(50-100%)调控降解速率。研究发现较长曝光时间和较高强度导致较慢降解，降解时间在4-8天范围内，与细胞增殖速率相匹配。通过监测微凝胶膨胀和荧光强度变化评估降解过程。

细胞封装：研究比较了不同细胞与预凝胶体积比(1:9、1:4、1:1)，发现1:4比例能在保持微凝胶形状的同时实现均匀细胞分布。使用50μm高微流控通道可有效封装细胞，而30μm通道会导致细胞部分嵌入问题。

细胞生长与活性：封装后HT-29细胞死亡率从5.4%升至12.9%，表明SFL过程对细胞影响较小。细胞在3-4天内长出微凝胶边界，与凝胶降解时间相匹配。研究发现细胞倾向于在凝胶底部生长，中心区域出现死细胞，提示需要改进几何设计以增强营养运输。

微凝胶自组装：利用圆底96孔板，携带不同细胞类型(HT-29和Caco-2)的微凝胶通过重力作用自发组装成紧密堆积的聚集体。这种被动自组装方法简单、重复性好，无需特殊设备。

UV诱导键合：通过将培养基替换为含LAP的低浓度PEGDA溶液，并在微凝胶接触点局部UV照射，实现永久键合。机械扰动测试表明，键合后的组装体保持结构完整性。

该研究开发了一种基于可降解材料dex-HEMA的高通量细胞微凝胶制备方法，成功解决了传统SFL技术中材料不可降解和无菌封装难题。通过优化工艺参数，实现了细胞友好型微凝胶的可控合成，其降解特性与细胞生长速率良好匹配。研究的自组装和UV键合技术为构建复杂组织样结构提供了模块化平台，在组织工程和再生医学领域具有重要应用前景。这种自下而上的组织构建策略有望为药物筛选和疾病模型研究提供更可靠的体外替代方案。