为水凝胶做“镓”衣

近年来，组织工程和再生医学的发展对复杂三维生物结构的构建提出了更高要求。天然组织的多尺度特性，从微米级的细胞尺度到厘米级的器官尺度，对生物功能的调控至关重要。

然而，现有的制造技术在实现多尺度结构时仍面临诸多限制。生物打印技术（如喷嘴式打印和立体光刻）可以生成大规模结构，但难以制造小于喷嘴或体素的精细特征；光刻技术则因热量积累和时间成本，受限于小体积制造。此外，许多新兴打印技术（如双光子光刻）虽能打印复杂形状，但难以适用于天然细胞外基质（ECM），并且存在材料限制、低效率和小构建体积等问题。

模塑技术因其能够从复杂模具复制三维形状的能力，成为突破多尺度结构制造瓶颈的潜在解决方案。然而，现有牺牲模板模塑方法仍难以同时实现微米级和毫米级特征的高精度复制。

基于此，波士顿大学的Christopher S. Chen和Subramanian Sundaram团队提出了一种基于液态镓的牺牲性毛细管泵（ESCAPE）技术，能够在天然软性水凝胶中制造多尺度结构，从细胞尺度（<10 µm）到毫米尺度。该技术通过解耦生物材料与几何构建过程，突破了传统方法的限制，为构建复杂多尺度生物结构提供了全新路径。2024年12月11日，该研究成果在Nature发表，题目为：Sacrificial capillary pumps to engineer multiscalar biological forms。第一作者是波士顿大学的Subramanian Sundaram。

ESCAPE模塑技术利用液态镓作为牺牲模板，在天然细胞外基质（ECMs）中实现多尺度生物结构的制造。镓以其接近细胞培养温度的熔点（约29.8℃）、可调节的表面氧化层和高表面张力，成为理想的模塑材料。通过温和碱液（如10–20 mM NaOH）去除表面氧化层，液态镓通过毛细作用从水凝胶中顺利撤离，无损复制从微米级到毫米级的复杂三维结构。研究中构建了血管状结构，并成功培养人内皮细胞，实现了高保真生物形态。ESCAPE适用于多种水凝胶（如胶原、纤维蛋白），且未检测到镓残留导致的细胞毒性。该方法为制造多尺度、复杂生物结构提供了一种高效、兼容性强的新工具。

图1：用于牺牲性铸模的毛细泵。

ESCAPE技术在构建复杂血管结构中的优势

图2：内皮化结构——血管拓扑和精细特征。

ESCAPE模塑的微小血管显示内皮细胞可完全覆盖直径≥25 μm的区域，但在约20 μm处覆盖不足（图2a）。复杂分支血管实验表明，基于Murray定律设计的结构可被高度精确地再现，分支和末端均实现了内皮细胞均匀覆盖（图2b、2c）。此外，ESCAPE成功构建了传统技术难以实现的复杂拓扑血管，如带有结节的结构（图2d）。通过在血管内壁引入周期性微结构（10 μm脊线），实现了对内皮细胞对齐方向的精确调控（图2f）。这些结果证明了ESCAPE在高分辨率和复杂结构生成及功能优化方面的显著潜力。

ESCAPE技术在多层次分支血管树构建中的应用和优势

图3：分层血管树和上皮管道。

研究首先构建了五级分支树，直径缩小10倍，各级分支包括两条盲端和一条贯穿支，实际管径与设计吻合（图3a）。随后，设计了一种从单入口分支至32个可灌注出口的对称树状结构，细胞排列均匀（图3b）。通过自定义空间殖民算法，生成更接近自然形态的血管树，展示了高密度、多分支的复杂结构，可动态扩展模拟器官生长（图3c–e）。此外，还构建了完全三维、符合Murray定律的分支树（图3f），证明ESCAPE在精确生成复杂三维血管结构中的强大能力。

ESCAPE技术在组织结构构建中的广泛应用

图4：ESCAPE的3D应用——上皮管道、多细胞正交网络和具有近端血管的细胞致密结构。

研究首先成功构建了开口管腔的3D上皮分支结构，模拟自然上皮分支形态（图4a）。接着，通过精确设计，将独立但彼此接近的淋巴网络和血管网络交织成互不接触的三维结构（图4b–d）。此外，构建了由ESCAPE生成的螺旋排列3D心肌束及其邻近血管供养的模型（图4e）。独立的心肌束在电刺激下可收缩，并影响邻近血管的流动特性；进一步整合内皮化血管后，生成具有高密度细胞和收缩功能的完整心肌-血管组织（图4f–h）。这些结果展示了ESCAPE在多尺度复杂组织工程中的潜力。

小结

本研究提出了一种使用镓ESCAPE铸模技术构建多尺度形态的新方法，解决了自然材料中多尺度形态构建的挑战。通过开发基本的铸模设计准则和利用毛细力提取铸模的方法，研究为未来镓ESCAPE模拟提供了新的设计指标。该技术能够实现微尺度几何控制并构建分层结构，为生成多种具有内建多尺度血管系统的器官模型和组织架构提供了新的机遇。