研究背景
天然组织由多种细胞和细胞外基质组成，其排列跨越多个尺度，从微米级亚细胞结构到厘米级的器官，调节着生物功能。组织制造方法已发展至能够构建大型结构，例如，通过立体光刻和基于喷嘴的生物打印，以及通过减光烧蚀进行亚细胞分离。然而，增材生物打印在子喷嘴/体素特征方面存在困难，且由于热量产生和时间过长，光消融仅限于小体积。使用温度敏感的水基软生物物质在多尺度上构建结构是一项关键挑战，限制了大量生物基序（如多口径的多尺度维管束树）的实现。
研究成果
近日，美国波士顿大学Christopher S. Chen和Subramanian Sundaram合作报道了一种使用镓基工程牺牲毛细管泵进行抽真空（ESCAPE）技术，在软天然水凝胶中制造出多尺度结构，实现了细胞尺度（<10µm）和毫米尺度的特征。通过将感兴趣的生物材料与构建几何形状的过程分离，允许非生物相容性工具创建初始几何形状。例如，在胶原蛋白中构建了分支状、充满细胞的血管树，跨越了大约300µm的小动脉到微血管（约小十倍）。此外，该技术可以用地形线索对血管壁的内表面进行微图案化，以在3D中定位细胞并设计精细结构，如血管畸形。ESCAPE模塑技术能够在软生物材料中制造多尺度形式，为以前在体外难以实现的各种组织结构铺平了道路。相关研究工作以“Sacrificial capillary pumps to engineer multiscalar biological forms”为题发表在国际顶级期刊《Nature》上。
图文速递
研究者认为镓是将多尺度生物结构复制到天然ECM中的理想模板材料，原因如下：（1）镓的熔点（约29.8°C）接近细胞培养温度，使其既可用作可注射液体和弹性固体铸造材料，也可用作在天然ECM存在下脱模的低粘度液体。（2）镓的表面氧化物是可调节的，使其能够在脱模过程中利用毛细管力，从而实现空间控制和分层排空复杂特征的能力。镓的表面氧化物是两性的，可以通过酸和碱去除；然而，常用的高浓度酸（约1M HCl）或碱（1M NaOH）会迅速降解天然ECM。通过分析镓-水系统的Pourbaix图，研究者推测较温和的碱会逐渐去除表面氧化物，同时不会影响天然ECM，并能在水基环境（包括水凝胶）中促进液态镓的受控毛细管泵送。此外，与聚二甲基硅氧烷（PDMS）表面相比，Ga很容易从水凝胶表面去除，因此使用较温和的碱性溶液去除氧化物是切实可行的。
图1. 用于牺牲模塑的毛细管泵
图2. 内皮化结构——血管拓扑结构和精细特征
图3. 层次化的血管树和上皮导管
图4. ESCAPE的3D应用——上皮导管、多细胞正交网络和具有近端脉管系统的细胞密集结构
结论与展望
生物功能与多尺度结构设计密切相关，这对天然材料工程来说，在很大程度上仍然是一个挑战。这项研究提出了一种使用镓ESCAPE模塑制造多尺度形状的强大新方法。为了辅助设计流程，研究者建立了一套基础准则，指导形成铸件并通过毛细管力将其提取出来；未来，镓ESCAPE模塑可能将有效的毛细管提取作为设计指标。目前，已经能够实现几何的微观控制和构建分层结构，这为创造具有内置多尺度脉管系统的广泛器官型设计和组织架构开辟了新的机会。
