基于非接触式声波组装的液态微胶囊3D构建技术及其在自下而上组织工程中的应用

本研究针对传统组织工程方法在构建仿生微结构时面临的细胞活力低、可扩展性差等挑战，创新性地开发了一种结合电液动力雾化(EHDA)和声波组装技术的液态核心微胶囊系统。研究人员通过优化聚己内酯(PCL)微颗粒负载的聚电解质微胶囊制备工艺，利用声波场实现微胶囊在明胶甲基丙烯酰胺(GelMA)水凝胶中的精确空间排布，成功构建了具有仿生结构的3D组织模型。该技术不仅实现了脐带间充质干细胞(hUC-MSCs)的高效封装和长期培养(14天)，还能通过多层堆叠构建复杂组织结构，为人脐静脉内皮细胞(HUVECs)的共培养提供了理想平台。这项发表于《Biomaterials》的研究为开发具有生理相关性的体外3D模型提供了可扩展、可定制的解决方案。

　　

在追求构建仿生组织的道路上，科学家们一直面临着一个核心矛盾：如何在保持细胞活力的同时，实现复杂组织结构的高精度构建？传统方法如层层自组装(LbL)耗时长达12小时，而磁引导或生物打印等技术又面临设备复杂、成本高昂的困境。更棘手的是，现有的固态基质往往限制了细胞的动态重组能力，使得构建的组织难以模拟天然组织的动态特性。这些挑战严重制约了组织工程在再生医学和药物筛选等领域的应用前景。

来自COMPASS研究组（隶属于CICECO - 阿威罗材料研究所，葡萄牙阿威罗大学）的研究团队在《Biomaterials》上发表了一项突破性研究，他们巧妙地将电液动力雾化(EHDA)技术与声波组装相结合，开发出一种非接触式的液态微胶囊3D构建平台。这项研究不仅解决了传统方法的局限性，还开创性地实现了细胞在液态环境中的精确空间组织，为构建具有生理相关性的复杂组织模型提供了全新思路。

研究人员采用了多项关键技术：首先通过EHDA技术制备负载PCL微颗粒和hUC-MSCs的液态核心微胶囊；利用数值模拟预测不同频率(28-69Hz)声波在圆形和方形腔室中的节点分布；采用5% GelMA作为基质，通过声波场实现微胶囊的精确图案化；建立hUC-MSCs与HUVECs的直接和间接共培养系统；使用活/死染色、MTS法和DNA定量评估细胞活力和增殖；通过延时显微成像分析内皮细胞迁移行为。

在"微胶囊的制备与机械表征"部分，研究团队优化了EHDA参数，发现30mL/h流速和10kV电压条件下可获得直径476.5±35.3μm的微胶囊，且PCL微颗粒负载量达25.4±5.3个/微胶囊。旋转测试表明，6%/0.4% Dex/ALG配方的微胶囊在800g离心60分钟后仅21.6%受损，展现了良好的机械稳定性。渗透性实验证实，20kDa FITC-葡聚糖能快速透过微胶囊膜，而500kDa分子则扩散缓慢。

"声波介导的微胶囊在液态基质中的组装"部分详细阐述了图案形成机制。数值模拟准确预测了28Hz(模式(0,2))时形成的环形图案和60Hz(模式(3,1))时的"花状"结构。实验证实2.0mm腔室厚度最适合复杂图案形成，400个微胶囊/构造能产生最均匀的组装。引人注目的是，研究人员成功实现了多层结构的堆叠，仅用5分钟即可完成双层构造的制备。

"声波组装液态微胶囊的体外生物性能"研究显示，封装hUC-MSCs在14天培养期间保持高活力(83%封装效率)，并自发形成131.9-201.8μm的微聚集体。DAPI/Phalloidin染色证实细胞沿PCL微颗粒均匀分布，未见坏死核心。与单独培养相比，图案化构造中的细胞表现出更强的增殖能力，DNA含量显著增加。

在"图案化构造与HUVECs的共培养"研究中，DiD标记的内皮细胞表现出明显的趋化性，85%的HUVECs在10小时内向微胶囊迁移(p<0.05)。3D共聚焦重建显示内皮细胞成功包被微胶囊，形成初步的血管网络结构。间接共培养实验证实微胶囊分泌的因子不影响hUC-MSCs的代谢活性。

这项研究的多重创新体现在：首次将声波组装应用于液态核心微胶囊的图案化；开发出可预测的数值模型指导图案设计；实现了<10秒的快速组装；证明液态环境更利于细胞自组织。其重要意义在于：为构建血管化组织提供了模块化方案；建立的数值模型可推广到其他频率和腔室设计；多层堆叠技术为复杂器官模拟开辟了新途径。特别值得注意的是，微胶囊的半透膜特性允许微环境调控，这在疾病模型构建和药物筛选方面具有独特优势。这项技术突破将显著推动组织工程从实验室研究向临床应用转化的进程。