论文标题：Bio-Inspired Screwed Conduits from the Microfluidic Rope-Coiling Effect for Microvessels and Bronchioles

期刊：Engineering

DOI：https://doi.org/10.1016/j.eng.2022.09.018

微信链接：点击此处阅读微信文章

在生物医学工程领域，构建具有复杂层级结构的管状纤维一直是科学家们面临的挑战。南京大学、安徽医科大学第一附属医院和东南大学的研究团队在中国工程院院刊《Engineering》上发表了一篇题为“Bio-Inspired Screwed Conduits from the Microfluidic Rope-Coiling Effect for Microvessels and Bronchioles”（基于微流控卷绳效应的仿生螺旋导管及其在微血管与细支气管中的应用）的研究论文。该研究提出了一种新型微流控纺丝技术，可一步成型制备仿生螺旋结构的导管，为组织工程领域带来了新的希望。

论文指出，管状系统在体内扮演着关键角色，参与各器官的生理和病理过程；而在体外，它们则与工程化组织的存活能力息息相关。从微管相关蛋白到循环呼吸系统成分，管状系统在氧气和营养物质输送以及代谢废物清除过程中发挥关键作用。大量研究表明，工程化组织中的可灌注管状结构能够显著促进宿主血管的功能增强和（或）内生性生长。为了实现此类管状系统的构建，微成型、三维（3D）打印和静电纺丝等多种技术应运而生，为医学应用提供了重要解决方案。尽管已经取得诸多成果，然而，现有技术多局限于制备结构简单、管壁光滑的管状结构，难以复现天然管状组织复杂的解剖学特征，从而制约了仿生组织工程的发展。因此，亟须开发能构建具有复杂仿生结构和生物学特性的异质化管状系统的新方法。

图1 仿生螺旋水凝胶导管的连续制备及其工程化仿生微血管和细支气管构建示意图。HUVEC：人脐静脉内皮细胞；HPA：人肺泡上皮细胞；MC：成肌细胞。

研究人员提出一种新型微流控螺旋纺丝策略，可一步法连续制备具有仿生螺旋结构的导管。微流控技术作为革命性的微流控制备平台，能够构建多种形态的微米或纳米级结构。由于其反应条件温和，且可供选择的生物材料种类繁多，近年来在制备不同形态和尺寸的微纤维领域备受关注。特别是，基于特定微流控平台，目前已成功制备出具有理想均匀性且几何形状可调节的微纤维，包括中空纤维、带槽纤维、扁平纤维乃至螺旋纤维。更重要的是，通过简单调控微流控操作参数，如化学成分和流速，能够获得具有复杂形态和可调控组分的连续时空编码纤维。然而，利用微流控技术制备具有螺旋表面的导管仍存在挑战，且螺旋导管在生物医学领域的潜在价值尚未得到充分探索。

图2 基于微流控技术制备仿生螺旋导管。

研究人员采用简单同轴微流控装置，基于微流控卷绳效应实现了仿生螺旋导管的规模化制备，以构建微血管和细支气管。该微流控装置的内相由紫外线（UV）/离子双重交联前体构成，外相与收集基底分别为化学惰性水溶液和钙离子溶液。当内/外相流速比增加时，前体流在微通道内受卷绳效应影响，先形成螺旋结构，进而紧密堆积成管状结构。通过前体的快速交联反应，最终可连续制备具有规则螺旋结构的螺旋导管。借助微流控可设计的注射通道，成功构建了具有多种结构（如双面型、三组分型、核壳结构甚至多层结构）的仿生螺旋导管。灌注实验与渗透动力学研究表明，螺旋水凝胶导管对多种生物分子均表现出良好的灌注性和渗透性。这一优势结合仿生螺旋导管的特殊形态，可支持人脐静脉内皮细胞（HUVEC）、人肺泡上皮细胞（HPA）和成肌细胞（MC）在其表面形成功能性生理结构。研究结果表明，该水凝胶仿生螺旋导管有望作为模板，在组织工程和再生医学领域中用于构建人工细支气管和微血管。

在前期研究中，研究人员采用经典的连续流微流控装置成功制备了具有特定空间组分特征的海藻酸盐纤维，包括直纤维、珠状纤维及螺旋纤维等结构。研究人员将高黏度海藻酸钠（Na-Alg）与聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）前体混合作为内相，沿方形管道同轴方向泵入毛细管。为维持内相流体结构并防止海藻酸盐扩散，采用聚乙二醇（PEG）溶液作为低黏度外相。当流速达到临界值时，微通道内的高黏性射流在卷绳效应作用下首先弯曲成螺旋形态；随着流体持续阻力作用，前体形成的螺旋流在通道内紧密堆积为管状结构。当堆积的螺旋流沿收集通道形成导管时，研究人员在水凝胶导管进入收集基底前，通过紫外线辐照使其组分之一（聚乙二醇二丙烯酸酯）迅速发生“半交联”固化。随后，收集基底的钙离子扩散至半交联螺旋纤维中，促使前体完全凝胶化，从而在收集容器中连续生成仿生螺旋导管。所得导管表面呈现规则螺旋纹路，且导管质地柔软，管壁均匀。扫描电子显微镜图像可观察到均匀褶皱以及中空截面结构。仿生螺旋导管的灌注性和渗透性亦通过实验验证。值得注意的是，内相射流的速度组合与黏度显著影响微流控制备过程，不同流速组合与前体浓度可形成结构各异的仿生螺旋导管。

研究人员利用微流控技术的高度灵活性与可调性，成功构建了具有异质微纤维模块的多组分螺旋导管。为实现多组分螺旋水凝胶导管的精准制备，研究人员采用锥形双腔毛细管作为注射通道，并将其同轴插入收集毛细管中。两种含有不同荧光聚苯乙烯纳米颗粒（分别代表不同组分）的预凝胶溶液被同步泵入注射通道。由于微通道的微米级尺寸效应及高表面张力作用，流体在通道内以层流形式流动，在微纤维运动过程中，不同流体界面之间很少发生扩散。因此，所生成的微纤维模块能够精确保持与注入流相同的异质结构与组分分布。研究发现，多组分射流与单组分射流类似，同样会形成螺旋卷曲序列。因此，系统首先形成具有双面结构的螺旋流，进而制备出具有交替双面组分分布的螺旋导管。

图3 基于微流控技术构建多组分仿生螺旋导管

通过共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）对水凝胶导管纵切面观察显示，导管呈现结构稳定的管状结构，且内部流道紧密堆积。模块化微纤维内部两相组分间可见明显分界，表明在导管制备过程中组分间几乎没有发生质量扩散。将双腔注射毛细管替换为三腔结构，成功制备具有多种化学成分的三组分螺旋水凝胶导管。由此制备出多组分沟槽微管，为多功能封装载体的构建奠定基础。

通过简单改进微流控装置的多级注射通道，研究人员成功实现了从单层级沟槽管状微纤维到多层微结构导管的制备突破。含绿色荧光颗粒的海藻酸钠溶液为核心流，含红色荧光颗粒的海藻酸钠溶液为中间流，聚乙二醇溶液为鞘层流，多相流体按预设流型同步注入相应通道。首先形成同轴流，核心流与中间流接触后，在方形通道内堆积成沟槽导管结构。通过收集基底中钙离子（Ca²⁺）的快速扩散促进管状微纤维凝胶化，最终在收集通道内呈螺旋状堆积，形成双层螺旋结构导管。双层模块化导管具有完美的螺旋沟槽，与之前制备的简单导管或异质导管类似。采用三毛细管同轴组装作为分层注射通道，实现三层各向同性仿生螺旋导管的制备。经过流体运动与交联反应后可获得三层结构导管。

然而，由于瞬时流速与不同位置流体的凝胶化速率难以完全匹配，导致微流控通道内形成的各层状结构的厚度略有不同。因此，制备具有均匀且规则外壳的分层导管结构仍比较复杂。

这种多组分微结构导管能够在微米尺度上实现对化学性质和形态特性的双重精准调控。通过微米尺度差异化材料封装技术，可为材料赋予一系列新型功能特性，该机制与自然界利用现有材料空间排布产生新功能的策略高度契合。研究人员提出的空间调制制备方法具有显著的普适性，可拓展应用于多种功能导管的制备，其特殊的结构特性使其在组织工程仿生构建和药物控释递送等领域展现出广阔的应用前景。

为验证仿生螺旋导管在组织工程管状组织构建中的应用潜力，研究人员基于仿生螺旋导管构建了仿生血管和细支气管组织。首先采用具有细胞相容性的生物活性水凝胶[甲基丙烯酰基明胶（GeIMA）]替代紫外线固化组分聚乙二醇，将其与海藻酸钠溶液复合制备支架材料。与单一海藻酸钠相比，海藻酸钠–甲基丙烯酰基明胶复合水凝胶支架材料在细胞相容性方面表现出更优异的性能。在实验中，研究人员将人脐静脉内皮细胞（HUVEC）、人肺泡上皮细胞（HPA）和成肌细胞（MC）分别种植在仿生螺旋导管上，观察到这些细胞不仅能够有效地在导管表面附着和增殖，还能在其表面形成功能性生理结构。这些结果表明，仿生螺旋导管作为一种生物材料，在与组织微结构结合方面具有独特优势，有望在生物医学工程领域得到广泛应用。

在实验过程中，研究人员通过灌注实验与渗透动力学研究，验证了螺旋水凝胶导管对多种生物分子的灌注性和渗透性。这些特性对构建具有生理功能的组织工程结构至关重要，因为它们能够确保营养物质和氧气的有效输送，以及代谢废物的及时清除。此外，仿生螺旋导管的特殊形态为其在组织工程中的应用提供了更多可能性。例如，其螺旋结构可以模拟天然血管和细支气管的解剖学特征，为细胞提供更接近生理环境的生长条件。

图4 螺旋水凝胶导管在仿生微血管与细支气管构建中的应用。

在构建仿生血管和细支气管组织的实验中，研究人员采用了具有细胞相容性的生物活性水凝胶[甲基丙烯酰基明胶（GeIMA）]替代紫外线固化组分聚乙二醇，将其与海藻酸钠溶液复合制备支架材料。这种复合水凝胶支架材料不仅具有良好的生物相容性，还能为细胞提供适宜的生长环境，促进细胞的增殖和分化。实验结果表明，人脐静脉内皮细胞（HUVEC）和人肺泡上皮细胞（HPA）能够在仿生螺旋导管表面形成功能性生理结构，这为未来构建人工细支气管和微血管提供了重要的实验依据。

图5 螺旋水凝胶导管诱导细胞分化的应用。

此外，研究人员还探索了仿生螺旋导管在药物控释递送领域的潜在应用。通过微米尺度差异化材料封装技术，仿生螺旋导管可以实现对药物的精准封装和控释。这种特性使其在药物递送系统中具有广阔的应用前景，尤其是在需要精准控制药物释放的场景中，如癌症治疗和慢性疾病管理。

研究人员指出，这种多组分微结构导管能够在微米尺度上实现对化学性质和形态特性的双重精准调控。通过微米尺度差异化材料封装技术，可为材料赋予一系列新型功能特性，该机制与自然界利用现有材料空间排布产生新功能的策略高度契合。研究提出的空间调制制备方法具有显著的普适性，可拓展应用于多种功能导管的制备，其特殊的结构特性使其在组织工程仿生构建和药物控释递送等领域展现出广阔的应用前景。

这项研究不仅展示了微流控技术在制备复杂结构生物材料方面的潜力，还为未来组织工程和再生医学的发展提供了新的思路和方法。随着技术的不断进步和应用的拓展，仿生螺旋导管有望在临床治疗中发挥重要作用，为患者带来更多的希望和选择。

论文信息：

Rui Liu, Jiahui Guo, Bin Kong, Yunru Yu, Yuanjin Zhao, Lingyun Sun. Bio-Inspired Screwed Conduits from the Microfluidic Rope-Coiling Effect for Microvessels and Bronchioles. Engineering, 2024, 41(10): 179-185. DOI: 10.1016/j.eng.2022.09.018

更多内容

北京冬奥会六足冰壶机器人：仿生设计与精准控制的科技实践

仿生巨噬细胞颗粒为治疗耐药菌感染带来新希望

新型CMUT谐振生物传感器问世，大幅提升DNA无标记检测选择性

皮肤修复新进展！新型水凝胶Dopa-gel实力出圈

Engineering 2025年3月刊目录 | 组织工程专题