3D軟生物支架在組織工程、生物混合機器人和器官芯片工程應用中前景廣闊。盡管新興的3D打印技術為組裝軟生物材料提供了多功能性，但在制造過程中克服精密3D結構的變形或塌陷仍然存在挑戰，尤其是對于懸垂或薄特征。倫敦帝國理工學院材料系Molly M. Stevens教授團隊開發了一種磁體輔助制造策略，該策略使用磁場觸發形狀變形并提供遠程臨時支撐，從而能夠直接創建具有懸垂和薄壁結構的3D軟生物支架。該文章名為“Magnetically driven formation of 3D freestanding soft bioscaffolds”，發表在Science   Advances上。本研究通過制造生物支架來復制分支血管系統的復雜3D拓撲結構。此外，設計了基于水凝膠的生物支架，以支持能夠由心肌細胞觸發行走運動的生物混合軟致動器。這種方法為將水凝膠材料塑造成復雜的3D形態開辟了新的可能性，這將進一步支持廣泛的生物醫學應用。

一、背景介紹在這項研究中，提出了一種簡單而通用的3D生物制造使用遠程控制的磁力將2D水凝膠前驅體轉化為復雜的3D形態(圖1和2A)。在水凝膠中摻入生物相容性和熱響應性明膠網絡作為犧牲支持，以便在聚合物交聯之前形成結構。犧牲磁性墨水和重力墨水也被用來協助控制2D到3D的轉變。這些犧牲墨水隨后可以去除，留下完整的3D生物支架。此策略允許通過調整初始2D   形狀、溫度或磁點和重力點的空間分布等因素來實現可編程的形狀變形。本研究使用遠程力支持脆弱的3D結構的開發概念提供了一種獨特的形狀變形和3D制造策略，適用于各種材料系統，從而為高效的3D生物制造開辟了新的可能性，使生物學、生物醫學工程、軟材料和軟機器人領域的研究人員受益。

圖 1. 磁驅動轉化的概念圖及其在工程3D可灌注血管通道和具有行走運動的3D生物混合致動器中的應用。二、材料與方法2.1 平面水凝膠支架的制造扁平水凝膠支架可以使用3D生物打印機 (SunP BioMaker 2) 制造。將20% (w/v)明膠前體溶液加載到帶有金屬尖端的5 ml移液器中，并引入溫度為45°C的加熱打印機噴嘴中。  明膠生物墨水在涂有40% (w/v) Pluronic F-127溶液薄層的預冷打印床(4°C)上打印之前保持平衡。層高0.3  mm，打印速度12 mm/s，擠出速度1.6 mm3/s  被發現是最優的。打印后，將磁性墨水和重力墨水添加到打印圖形的所需部分，使墨水在4°C打印床上融合5分鐘。三、結果水凝膠支架從平面到3D的轉變是通過使用磁力的遠程控制完成的。由氧化鐵顆粒和明膠組成的磁性墨水被放置在平面水凝膠的中心，在本文中浮力、重力和磁力的結合保持了3D結構，直到材料完全交聯和凝固，從而消除了對固體材料的物理支撐的需求。通過使用磁驅動變形以及控制溫度的策略，打印的扁平水凝膠分支可以很容易地圖案化成復雜的3D形狀并進行形狀轉變。因此，這種磁力驅動的轉換方法克服了當前模塑和基于擠出打印的一些限制，可以創建精致的3D結構，同時保持靈活性和可擴展性。
 

圖2.  基于磁驅動變換的制造策略概念。(A)  示意圖顯示(i)材料沉積成扁平水凝膠前驅體，(ii)在磁體應用時浸沒轉化為3D形態。Fm表示施加在水凝膠上的磁力Fb表示浮力，G表示腳手架材料的重力，G一個表示額外實現的重力油墨的重力。(B)使用磁驅動變換策略對3D分支血管幾何形狀進行4D打印。幾何設計在  AutoCAD(i)中生成，打印成扁平水凝膠前驅體(ii)，然后使用磁鐵(iii)轉換為3D分支幾何。
  

 圖3.  對磁驅動變換的多模態控制。(A)  (i)顯示明膠從凝膠狀態到溶膠狀態的熱響應的方案。(ii)花形水凝膠前驅體在不同溫度下的轉變，直到它在33°C下熔化。(B)隨著溫度的升高，將花形水凝膠前驅體置于水中時的曲率半徑(R)。在轉換的水凝膠支架的圖像下繪制一個藍色圓圈來測量半徑。(C)磁心對3D變換的影響。(i)磁中心面積增加的扁平水凝膠前驅體(白色虛線突出顯示每個水凝膠前驅體的磁心邊緣及其與中心和水凝膠前驅體邊緣的距離)和(ii)前驅體的相應3D變換。(D)重力墨水對3D變換的影響。(i)具有兩個帶有重力墨水(白色尖端)的分支和兩個沒有的分支的扁平水凝膠前體。(ii)從兩個不同角度觀察時具有不同彎曲程度的轉化前驅體的示意圖和(iii)實驗圖像。(E)二維前驅體結構設計的影響。(i)具有不同邊緣與中心分支寬度比(2：1、1：1和2：3)  的扁平水凝膠前驅體和相應的3D轉換;(ii)前驅體的相應3D變換。
 

圖  4.  使用多磁體對3D結構進行圖案化。(A)在兩個磁鐵的幫助下，兩股(i)之前和(ii和iii)被扭曲成雙交織的螺旋線。(B)轉化前(i)和轉化后(ii和iii)的DNA樣雙螺旋結構。變形的3D雙螺旋鏈，包含(ii)一個結和(iii)兩個結。(C)將(i)細長的梯狀扁平水凝膠前驅體扭曲成(ii和iii)編織管狀結構。(D和E)  3D管狀網片由(D)均質和(E)異質水凝膠網壁組成。(i)包含四個磁性墨點的扁平水凝膠前驅體。(II和III)3D管狀網格的不同視圖。
磁力可以通過改變支架和磁體之間的距離，使用浮力以及重力保持恒定。遠程應用磁體會導致支架形態變換，但磁性顆粒的不會對摻入生物支架的細胞產生不利影響。磁驅動轉化產生的分支通道可以細胞保持良好的活力并建立連接因此可以用于設計血管結構。  

圖  5.  磁驅動轉化以創建具有3D分支維管通道的生物支架。(A)示意圖顯示了通過磁驅動轉化策略制造具有3D分支維管通道的生物支架的步驟。(i)當施加磁體時，浸入未交聯凝膠浴中的扁平犧牲明膠前驅體轉化為3D幾何形狀。(ii)在紫外線下交聯凝膠浴后，將交聯支架置于37°C下，磁鐵仍放在頂部，以溶解明膠并去除溶解的磁性墨水。(iii)顯示生成的支架灌注的方案。(B)磁場分布分析。(i)施加磁體引起的磁場分布的有限元分析。(ii)沿z坐標的磁場分布。(C)犧牲前驅體轉化為3D形態后支架的UV交聯。(D)從(i)到(iv)演示的藍色染料的支架灌注。(E)纖維蛋白支架中VE-鈣粘蛋白(紅色)、鬼筆環肽(灰色)和4'，6-二脒基-2-苯基吲哚(DAPI)(藍色)的免疫染色，其中HUVEC襯在通道壁上，NHLF在纖維蛋白基質內。
將其它可交聯水凝膠與明膠結合使用，允許3D轉化的水凝膠交聯而不是犧牲。使用磁觸發轉化策略可以使水中的水凝膠從2D到轉化為3D結構。通過紫外線或通過在水浴中添加交聯劑來交聯后，移除磁體后保持3D形態，從而產生獨立的3D生物支架(圖6A )，并實現僅由生物相容性水凝膠和細胞組成的3D步行致動器。這些進步有可能成為開發與生命系統交互的植入式工程組織和軟機器人的使能平臺。  

​圖  6.  3D薄生物支架的磁驅動轉化能夠產生具有行走運動的基于水凝膠的生物混合致動器。(A)方案說明了創建花形的基于3D薄膜的生物支架的過程。最初，扁平的可交聯水凝膠前驅體轉化為3D形態，然后在其上方放置磁鐵時交聯。在37°C下孵育后，交聯支架將從磁體中釋放出來，而明膠會溶解，同時從支架中釋放磁性墨水。(B)說明生物支架上的細胞接種和層形成的方案。(C)在3D薄生物支架表面培養的心肌細胞的免疫染色。cTnT(紅色)、DAPI(藍色)和F-肌動蛋白(綠色)。(I和III)低放大倍率。比例尺，50  μm。(II和IV)高放大倍率。比例尺，25μm。(D) (i)行走生物雜交致動器的俯視圖和(ii)側視圖延時照片(收集 1  分鐘)。比例尺，1厘米。(E)前腳和后腳隨時間變化的瞬時速度。(F) (i)支架收縮、移動和鈣傳播方向示意圖;(ii)  支架中心心肌細胞隨時間的鈣傳播映射(比例尺：500 μm);(iii)腳手架運動分析。
四、討論本文展示了一種簡單而通用的生物制造策略，可以有效地將打印和模制的扁平軟水凝膠前體轉化為復雜的3D結構。與以前報道的2D到3D轉換策略不同，此方法不依賴于材料的內在特性。相反，響應特性來自犧牲油墨和磁場的遠程應用，使其與更廣泛的材料系統兼容，并克服了對精確預定材料設計的要求。還通過外力和隨溫度調整形狀變形，可以更輕松地控制3D變形。此外，施加在支架上的遠程磁力和重力消除了制造過程中對物理支撐的需求，從而可以輕松制造薄而軟的生物支架。此外，這些力作用在相反的方向上，從而實現實質性的形狀變形和不受高度限制的受控彎曲。這一優勢能夠生成分支3D血管結構，這是以前報道的2D到3D轉換方法無法實現的。因此，在3D結構和材料多樣性方面擴展了3D生物制造中形狀變形的可能性。使用這種方法，實現了3D分支網絡和由軟水凝膠組成的薄膜拱結構。所得結構已用作犧牲模板來復制分支血管系統的建筑模式，或用作生物支架，支持制造具有心肌細胞觸發的行走運動的生物混合軟致動器。然而，由于明膠網絡對于幫助支持系統中水凝膠前體的形狀至關重要，因此該策略目前只能應用于水性環境中的材料。為了進一步擴大適用于2D到3D轉換策略的材料范圍，未來的研究可能涉及設計與油基聚合物兼容的替代犧牲材料。總體而言，利用遠程控制力來實現對材料形狀變形的精確控制，并為使用軟生物材料設計復雜的3D結構提供了新的機會。這種方法有可能促進工程組織、軟機器人技術以及3D和4D打印的未來發展。
五、參考文獻RuoxiaoXie  et al. ,Magnetically driven formation of 3D freestanding  softbioscaffolds.Sci. Adv.10,eadl1549(2024).DOI:10.1126/sciadv.adl1549

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