释放、转移、折叠：利用硅胶粘合剂实现按需3D组织工程

《ACS Biomaterials Science & Engineering》：Release, Transfer, Fold: Using a Silicone Adhesive for On-Demand 3D Tissue Engineering

本研究开发了一种基于硅胶压力敏感胶带的柔性基底材，允许在体外轻松转换2D细胞为3D结构（如管状和立方体），并成功整合不同细胞类型实现动态共培养。方法利用商业微流控芯片适配的胶带，通过切割和折叠形成可承载细胞的3D形态，同时保持细胞功能活性。实验表明，该基底材支持肺上皮细胞和内皮细胞的分化及定向排列，且能实现3D结构的稳定性和功能检测，为动态组织工程提供低成本、易操作的解决方案。

　　这项研究提出了一种基于柔性硅胶粘附薄膜的新方法，用于在体外培养和工程化组织模型。传统细胞培养基质通常是二维的、刚性的，这限制了细胞在培养过程中形成更接近体内生理环境的三维结构。而高级的组织培养模型虽然能够更好地模拟体内环境，但往往需要复杂的制造工艺，例如软光刻或3D生物打印，这在标准的生物实验室中可能难以实现。此外，预设的培养容器虽然能提供生理相关的三维环境，但会限制细胞的几何形状，增加培养和维护的难度。因此，开发一种既简单又灵活的培养基质，能够支持细胞在二维状态下生长，随后被转移到三维结构中，成为解决这些问题的关键。

研究人员利用了一种压力敏感型硅胶基粘附材料，这种材料具有光学透明、低自荧光、生物相容性好、透气性强、对常见溶剂和PCR过程耐受性高、可高压灭菌以及机械柔性等优点。通过将这种材料切割成特定形状，如矩形或立方体网状结构，可以实现细胞培养片的折叠和组装。在实验中，研究人员将初级肺上皮细胞（hSAECs）和肺微血管内皮细胞（hPMECs）分别培养在这些二维基质上，随后通过手动操作将培养片卷成管状结构或折叠成立方体，从而形成三维组织模型。这一过程不仅保留了细胞的完整性，还使得细胞能够适应新的三维几何环境，为组织工程提供了新的可能性。

在实验设计中，研究人员首先在二维基质上培养细胞，使其达到成熟状态。随后，通过去除释放层，将细胞培养片转移到不同的三维结构中。例如，肺上皮细胞被卷成管状结构，模拟气道的形态；而内皮细胞则被预对齐后转移到气道上皮细胞培养片中，形成共培养系统。这种技术允许细胞在不同的微环境中进行相互作用，从而更好地模拟体内复杂的组织结构和功能。同时，这种方法还能够用于构建多种三维组织结构，如模拟呼吸系统中不同分支的气道模型，以及具有功能性的肺上皮组织立方体，这些模型可用于研究细胞的运动、结构变化以及与其他细胞类型的相互作用。

为了验证该方法的有效性，研究人员进行了多种实验。在肺上皮细胞的培养中，发现使用硅胶粘附基质（PSSA）培养的细胞在17天的培养后，能够形成具有功能性的纤毛结构，并表现出与传统培养方式相当的细胞分化水平。通过乳酸脱氢酶（LDH）释放实验，还证实了硅胶基质对细胞活力没有显著影响。在内皮细胞的培养中，研究人员在微流控芯片中施加低剪切应力（2.3 dyn/cm2），使内皮细胞在基质上对齐，并形成紧密的细胞间连接。这些结果表明，硅胶基质不仅支持细胞的生长，还能促进其在特定流体环境下的分化和功能表达。

此外，研究人员还探索了该方法在构建三维组织模型中的应用。通过将二维培养片折叠成管状结构，他们成功模拟了不同直径的气道，如1.5毫米和2.5毫米的气道模型。这些模型能够用于研究气道在不同流体条件下的反应，以及药物输送和气道疾病模型的构建。然而，由于硅胶材料可能吸附小分子药物，因此在某些情况下可能会影响药物响应的准确性，这也为未来的研究提供了方向，即需要进一步优化材料特性，以减少药物吸附的可能性。

在共培养实验中，研究人员展示了如何将预先对齐的内皮细胞转移到已分化的上皮细胞培养片中，形成具有生理相关性的组织模型。这种技术能够支持不同细胞类型在不同的微环境条件下进行协同培养，从而更真实地反映体内组织的复杂性。例如，在研究剪切力对内皮细胞影响的实验中，研究人员发现，当将预先对齐的内皮细胞转移到三维管状结构中时，它们会重新调整方向，表现出对新几何环境的适应能力。这种动态变化为研究细胞在不同机械刺激下的行为提供了重要的实验依据。

尽管该方法在细胞培养和组织工程中展现出广阔的应用前景，但研究团队也指出了其局限性。例如，硅胶基质的机械性能可能与某些软组织不完全匹配，因此未来可能需要通过调整基质的成分或结合其他材料（如水凝胶）来实现更接近体内组织的刚度。此外，当前的培养方法依赖于切割仪和手动折叠，这在一定程度上限制了其分辨率和实验通量。为了提高实验效率，未来可能需要开发更先进的制造设备，或者优化现有的操作流程。同时，该方法不具有孔隙性，这可能影响某些需要细胞间直接接触或介质渗透的研究，如跨上皮电阻（TEER）测量或荧光素标记的葡聚糖渗透性实验。因此，引入孔隙性或结合其他传感技术（如集成的叉指电极）可能成为未来改进的方向。

综上所述，这项研究提出了一种基于硅胶粘附基质的新型细胞培养方法，能够实现细胞在二维状态下生长，随后被转移到三维结构中。这种方法不仅简化了传统组织工程中复杂的制造过程，还为构建多样化的三维组织模型提供了新的思路。通过实验验证，研究人员展示了该方法在肺上皮细胞和内皮细胞培养中的有效性，并进一步探索了其在共培养和动态机械刺激研究中的应用。尽管存在一些技术上的限制，但该方法的简便性和可扩展性使其在基础研究和潜在的临床应用中具有重要意义。未来，随着材料科学和生物工程的进步，这一方法有望在更多领域得到应用，如生物混合系统、传感器集成以及高通量生物医学研究。