供稿人：趙若森、賀健康 供稿單位：西安交通大學(xué)精密微納制造技術(shù)全國重點實驗室 發(fā)布日期：2024-11-30
在血管網(wǎng)絡(luò)中，通過不同血管壁的運輸在空間和時間上調(diào)節(jié)著血液中的化學(xué)成分。例如，消化器官周圍的毛細(xì)血管允許葡萄糖進(jìn)入，提高血糖濃度。復(fù)制這種具有空間異質(zhì)性的跨壁傳輸可以使合成流體系統(tǒng)在時空上對流體成分進(jìn)行編程。然而，由于現(xiàn)有的合成通道壁通常是不透水的，或者由均質(zhì)材料組成，沒有功能異質(zhì)性，因此仍然具有挑戰(zhàn)性。
香港大學(xué)Yu Yafeng等人提出了一種受血管網(wǎng)絡(luò)啟發(fā)的流體系統(tǒng)該系統(tǒng)可用于空間不同的跨壁運輸。通過嵌入式3D打印，彈性、超薄和半透性壁被固定在類似于由骨組織支撐的軟組織的固體基質(zhì)上。流體和壁之間的物理化學(xué)反應(yīng)是局部的，以改變不同區(qū)域之間的跨壁分子，調(diào)節(jié)流體成分。該流體系統(tǒng)可能被用于復(fù)制體內(nèi)生物分子合成，作為藥物研發(fā)和組織工程的平臺。
以陰離子聚丙烯酰胺水溶液和殼聚糖水溶液分別作為印刷基質(zhì)和油墨，利用嵌入式3D打印技術(shù)構(gòu)建具有自組裝軟膜壁的通道。打印噴嘴在聚丙烯酰胺基質(zhì)中將殼聚糖油墨沉積到培養(yǎng)皿底部，類似于用筆在紙上寫字，如圖1所示。當(dāng)施加適當(dāng)濃度的殼聚糖和聚丙烯酰胺時，凝聚體聚集成致密而薄的膜。一旦壁被刺穿，腔內(nèi)的殼聚糖墨水可以與外部的聚丙烯酰胺基質(zhì)反應(yīng)，產(chǎn)生新的復(fù)合物來“治愈”壁。通過調(diào)整打印參數(shù)，可以將打印腔設(shè)計成具有不同尺寸的各種結(jié)構(gòu)，并進(jìn)一步對打印路徑進(jìn)行編程，可以得到不同的腔室結(jié)構(gòu)，包括螺旋狀、網(wǎng)格狀、樹形分支和血管狀網(wǎng)絡(luò)。
圖1 具有自組裝軟膜壁的通道的嵌入式 3D 打印
與血管壁類似，打印通道的壁具有選擇性滲透性。通道壁可以阻止各種可能的污染物進(jìn)入通道，如漂浮或懸浮的固體、微生物，甚至病毒。通過定位特定分子的跨壁運輸，可以對通道內(nèi)的液體成分進(jìn)行時空調(diào)節(jié)，如圖2所示。去除打印基質(zhì)并將通道暴露在空氣中后，可以將幾微升的溶液直接沉積在通道壁上。因此，溶質(zhì)分子在放置的液滴和內(nèi)部液體之間局部交換，改變下游液體的組成。
圖2 通過定位特定分子的跨壁運輸來對流體成分進(jìn)行時空調(diào)節(jié)
該研究介紹了一種具有軟組織樣膜壁的血管網(wǎng)絡(luò)啟發(fā)流體系統(tǒng)。該流體系統(tǒng)通道具有空間功能化功能，能夠以時空方式調(diào)節(jié)流體成分，擴大了在自然界中復(fù)制生物流體處理的機會，提供了傳統(tǒng)流體的替代方案。