大家好！今天来了解一项关于磁力驱动形成3D独立式软生物支架的研究——《Magnetically driven formation of 3D freestanding soft bioscaffolds》发表于《SCIENCE ADVANCES》。在生物工程领域，3D 软生物支架虽前景广阔，但制造难题多多，像打印时结构易变形塌陷，现有方法又各有局限。不过别担心，研究者们提出了一种磁辅助制造策略。它利用磁场远程控制，能轻松将扁平水凝胶前体变成复杂 3D 结构，还在多种实验中展现出巨大优势，快来一起看看它是如何做到的吧！
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一、研究背景与意义
在生物工程领域，三维软生物支架在组织工程、生物混合机器人和器官芯片工程等方面有着巨大的应用潜力。当前，三维打印技术虽能精确控制材料的空间组织，但在制造过程中，重力会给打印物体带来变形或塌陷的问题，尤其是对于悬垂或薄特征结构。现有的支撑浴方法虽有所改进，但因其对支撑材料和打印参数要求较高，应用受限。另外，以往的2D-3D转换策略也存在不足，如依赖材料固有属性，只能实现浅弯曲或滚动，且所用特殊材料常不适合细胞培养。所以，开发新的制造策略迫在眉睫。
二、磁驱动3D转换
（一）转换原理
我们通过磁力远程控制实现了水凝胶支架从扁平到3D的转换。扁平水凝胶前体包含主支架材料、牺牲磁性墨水和重力墨水。磁性墨水置于中心，重力墨水置于边缘，它们均含有可物理交联的明胶，能在温度降低时迅速固化。在水浮力、重力和磁力共同作用下，支架完成转换并保持3D形态，无需固体材料物理支撑。
（二）可行性验证
1、3D打印制造前体
我们使用基于挤压的3D打印机制造扁平水凝胶前体，打印时将喷嘴加热至45°C，打印床冷却至4°C以确保材料顺利挤出和快速固化。将2D前体浸入水浴后施加磁场，几秒内即可获得3D网络结构。这种方法成功解决了直接打印复杂3D分支结构易塌陷的难题。
2、PDMS模具复制成型
通过PDMS模具复制成型也可创建扁平水凝胶前体，如将平坦的明胶前体模制成各种2D几何形状，再利用磁触发转换策略轻松转变为3D几何形状。这表明该磁驱动转换方法在制造精细3D结构方面具有优势，兼具灵活性和可扩展性。
三、3D转换的多模态控制
（一）温度影响
明胶作为温度响应材料，其凝胶-溶胶转变受温度影响。我们使用20%(w/v)明胶进行测试，流变学测量表明，20°C至30°C时其剪切模量略有下降，30°C以上显著下降。
在22°C至33°C的温度扫描实验中，发现剪切模量下降会增加变形能力，28°C以下支架变形最小，温度升高变形程度增加，33°C时开始融化。
同时，测量不同温度下水浴中花形水凝胶前体的曲率半径发现，22°C至28°C时曲率半径相对恒定，28°C以上显著减小。
对不同形状的扁平水凝胶前体进行测试，在磁性和重力墨水量恒定的情况下，30°C水温比25°C更利于形成3D结构。这充分说明控制温度可调节水凝胶前体的模量，进而控制形状转换。
（二）墨水分布影响
磁性墨水和重力墨水分别负责驱动转换的磁力和重力，其分布会影响转换效果。例如，当磁性点位置靠近边缘时，结构曲率半径增加，变形程度减小；增加重力墨水体积会提高形状变化程度，因为重力驱动力增大。
（三）结构设计影响
原始2D结构设计对弯曲程度有影响。我们创建了弯曲点连接程度不同的结构，发现弯曲点连接较多的结构弯曲程度较弱。
此外，利用多个磁铁可实现更复杂的3D转换，如将两股结构扭成双螺旋、将梯子状前体转变为DNA样双螺旋结构、将长梯状前体扭成编织管状结构以及将四角含磁性点的扁平水凝胶网卷成3D管状网。这些结构用传统方法制造难度大，而我们的技术可轻松实现，为制造复杂多材料3D结构提供了简便方法。
四、创建3D分支通道的牺牲模板法
（一）制造过程
为制造3D可灌注分支通道的生物支架，我们选择20%(w/v)明胶制备2D水凝胶前体，将磁性墨水置于其中心，然后将前体置于可交联的GelMA水凝胶浴中（GelMA可在紫外线照射下交联且具有生物相容性）。施加磁场使前体转变为3D形态，经紫外线交联固定后，在37°C孵育溶解明胶，形成可灌注支架。
通过模拟磁场分布可知，磁场力可通过调整支架与磁铁距离来改变，进而控制牺牲凝胶的漂浮。
实验证实远程施加磁铁可实现3D转换。
紫外线交联后注入彩色染料评估灌注质量，结果表明成功形成了通道，且改变平面水凝胶设计可获得不同尺寸和几何形状的空心分支通道。
（二）细胞实验
1、材料兼容性
我们评估了该制造策略与组织工程中常用的胶原蛋白和纤维蛋白两种天然水凝胶的兼容性。以胶原蛋白为例，将其作为浴材料，在室温下会发生溶胶-凝胶转变，一段时间后变得不透明。在37°C孵育后，去除嵌入的牺牲凝胶，形成空心通道并成功灌注。同样，在纤维蛋白中也创建了3D分支通道并证实其可灌注性。
2、细胞活力测试
我们使用人脐静脉内皮细胞（HUVECs）测试细胞在制造过程中的存活情况。首先评估细胞短期（2小时）和长期（7天）暴露于碳酸钙和氧化铁颗粒时的活力。结果显示，碳酸钙颗粒对细胞活力无显著影响，而氧化铁颗粒长期暴露会显著降低细胞活力，但短期暴露影响不大。
因此，在组织工程应用中去除氧化铁颗粒至关重要。我们在牺牲明胶时将磁铁置于水凝胶支架上方，使氧化铁被磁铁吸引，确保细胞不长期暴露于氧化铁颗粒。
进一步测试不同剂量氧化铁颗粒对细胞活力的影响，发现剂量降至10%（1/10）以下时对细胞活力无显著影响。这表明在实际应用中，由于细胞不直接在磁性墨水中培养且磁性墨水占比小且易去除，磁性颗粒对细胞无不良影响。
3、细胞活性评估
将正常人肺成纤维细胞（NHLFs）和HUVECs在GelMA生物支架中培养，4天后两种细胞均保持良好活力，14天后通道周围细胞保持良好活力并建立连接，而远离通道的细胞活性降低并最终死亡。这表明模板化通道有助于营养输送和细胞存活，且在空心通道周围观察到大量血管形成标志物CD31，证实分支通道可内皮化用于构建血管结构。
在纤维蛋白生物支架中培养细胞时，内皮细胞在牺牲凝胶溶解后附着于支架壁，成纤维细胞分布在基质中，7天后染色证实了这一点，且内皮细胞形成紧密连接，表明成功构建了内皮细胞屏障。
五、3D转换生物支架的交联与应用
（一）交联方法
我们将其他可交联水凝胶与明胶组合，在3D转换后进行交联而非牺牲，从而形成独立的3D生物支架。平面设计经磁触发2D-3D转换后，可通过紫外线或在水浴中添加交联剂进行交联，交联后去除磁铁，3D形态得以保持。
此方法适用于多种水凝胶系统，如GelMA、DexMA、HAMA和藻酸盐，且可组装多层3D转换支架以创建更复杂的多层3D特征。
同时，研究发现紫外线交联时，虽然深度变化对交联效率影响不显著，但交联时间是主要影响因素，GelMA在紫外线照射15分钟以上可完全固化。
（二）生物混合致动器应用
我们探索了3D薄壁生物支架在形成生物混合致动器方面的功能应用。以GelMA为支架材料，制备含心肌细胞的3D生物混合致动器。首先制备含明胶和GelMA的扁平前体，转换为3D结构后紫外线交联，将厚度最小化以实现细胞触发运动（约300μm），然后在37°C孵育去除明胶得到最终支架。实验发现10%(w/v)GelMA支架在去除明胶后形状保持和可重复性更好，因此用于后续细胞接种。
将人诱导多能干细胞（hiPSC）来源的心肌细胞（GCaMPhiPSC-CMs）和10%心脏成纤维细胞接种到支架表面（心肌细胞纯度超90%）。
染色结果表明支架被心肌细胞良好覆盖，心肌细胞虽无定向排列，但能触发支架反复收缩和松弛。
将生物混合3D致动器弯曲面朝下放置，可观察到其在心肌细胞自发跳动下的行走运动，前脚和后脚的收缩力差异是其向前移动的主要驱动力。
通过钙成像技术观察到心肌细胞的钙传播方向与致动器运动方向一致，表明心肌细胞收缩促使软致动器变形，产生类似行走的节奏性前推力。这一成果为开发植入式工程组织和软机器人提供了有力支持。
六、研究总结
综上所述，我们提出的3D生物制造策略具有重要意义。它有效解决了现有制造方法的诸多问题，能将扁平软材料前体转变为复杂3D结构，在3D结构和材料多样性方面拓展了形状变化的可能性。通过多种实验验证了该策略在创建3D分支网络、制造生物混合致动器等方面的可行性和有效性。然而，目前该策略受限于明胶网络，仅适用于水性环境材料，未来研究将致力于开发与油基聚合物兼容的牺牲材料，进一步扩大其适用范围，有望在生物医学工程、软材料和软机器人等领域发挥更大作用。
七、一起来做做题吧
1、以下关于传统 3D 打印技术在制造仿生 3D 支架时面临的挑战，不正确的是（ ）
重力会对打印物体产生恒定向下的力，导致变形或塌陷
支撑浴方法的广泛应用受到高质量支撑材料可用性的限制
打印参数容易优化，与各种材料兼容性好
对于悬垂或薄特征结构，传统打印较难实现精确制造
2、在磁驱动 3D 转换过程中，以下哪种说法是正确的（ ）
扁平水凝胶前体仅由主支架材料组成
磁性墨水置于扁平水凝胶的边缘，重力墨水置于中心
转换在空气中进行，无需水浮力作用
浮力、重力和磁力共同维持 3D 结构直至材料固化
3、关于温度对 3D 转换的影响，以下描述正确的是（ ）
温度升高，20% (w/v) 明胶的剪切模量持续增大
水 bath 温度在 28 - 33°C 时，支架变形程度最小
30°C 水温相比 25°C，对所有形状的前体 3D 结构形成效果都更差
温度升高会使明胶从凝胶态转变为溶胶态，进而影响支架变形
4、在创建 3D 分支通道的实验中，以下关于细胞实验的说法错误的是（ ）
碳酸钙颗粒长期暴露对细胞活力无影响
氧化铁颗粒短期暴露会显著降低细胞活力
去除氧化铁颗粒后，磁性颗粒对细胞无不良影响
3D 支架中的分支通道有助于细胞存活和营养传递
5、以下关于 3D 转换生物支架交联的说法，正确的是（ ）
只有 GelMA 水凝胶可用于 3D 转换后的交联
紫外线交联时，浴深度对交联效率影响显著
交联时间对支架交联效果无影响
3D 转换后的支架交联后可形成独立结构
参考文献：
Ruoxiao Xie et al. ,Magnetically driven formation of 3D freestanding soft bioscaffolds. Sci. Adv.10, eadl1549(2024).
