预期：一种用于引导细胞空间排列的温敏嵌入式生物打印平台

《Smart Materials in Medicine》：EXPECT: A Thermosensitive Embedded Bioprinting Platform for Guided Spatial Cell Organization

　　细胞空间组织调控与3D生物打印

　　本研究探讨了一种新型的热响应型水凝胶系统，名为EXPECT（EXtrusion Patterned Embedded ConstruCT），旨在通过动态的温度调控机制，在三维生物打印过程中实现对细胞组织的精准控制和长期维持。传统的静态或各向同性水凝胶在维持细胞组织的长期模式方面存在局限，因为细胞的随机迁移和增殖会导致组织结构的逐渐瓦解。为了克服这一问题，研究团队开发了EXPECT，它结合了Carbopol? 940（CP）微球体、明胶以及聚（N-异丙基丙烯酰胺）-接枝-硫酸软骨素（pNIPAAm-CS）等成分，通过其热响应特性，在特定的温度变化下实现细胞与基质之间的动态相互作用，从而引导细胞在打印的结构中形成有序的排列模式。

研究团队首先对EXPECT的组成和性能进行了详细分析。通过调整pNIPAAm-CS与CP的配比，他们发现3%的pNIPAAm-CS和0.8%的CP能够提供最佳的打印精度和热响应性能。此外，添加1%的明胶可以增强材料的流变特性，使其在低温下保持良好的可塑性，而在高温下形成稳定的三维结构。这种组合不仅提供了所需的剪切稀化和自修复能力，还能够通过温度变化实现细胞的有序排列。

为了验证这种热响应机制的有效性，研究团队进行了多种实验，包括流变学分析、小角X射线散射（SAXS）分析以及细胞培养实验。流变学测试表明，EXPECT在25°C和37°C之间表现出显著的储能模量（G'）变化，其值在温度升高时增加了195%左右，而CP对照组的储能模量仅增加了5%。这说明EXPECT的热响应特性可以有效增强细胞在打印结构中的固定能力。SAXS分析进一步揭示了EXPECT在不同温度下的结构变化，证实了其在低温下从疏水状态向亲水状态的可逆转变，这种转变有助于细胞的吸附和排列。

在细胞培养实验中，研究团队测试了不同类型的细胞，包括成纤维细胞、间充质干细胞（MSCs）和人脐静脉内皮细胞（HUVECs）。他们发现，在温度调控条件下，MSCs能够保持更窄的排列模式，并且在36天内维持这种结构，而静态条件下的细胞排列模式则逐渐扩大。此外，温度调控还促进了MSCs的伸长和融合，形成了更长的细胞排列结构。对于HUVEC和MSC的共培养系统，温度调控显著减少了细胞的随机迁移，同时促进了HUVECs的早期突起形成和细胞形态的改变，这可能有助于未来的血管生成研究。

研究团队进一步探讨了温度调控对细胞行为的影响。他们发现，温度变化不仅影响了细胞的排列模式，还改变了细胞的形态和迁移行为。例如，在温度调控条件下，MSCs表现出更强的伸长能力，并且在共培养条件下，HUVECs能够更有效地与MSCs进行细胞间通信，从而形成更稳定的血管结构。这些发现表明，EXPECT的热响应特性可以作为细胞组织的动态引导机制，通过调控温度，使细胞在特定的结构中保持有序排列，从而提高组织工程的质量和功能性。

此外，研究团队还对EXPECT与其他传统生物制造技术进行了比较分析。他们发现，与依赖于静态拓扑结构或外部物理力的其他方法相比，EXPECT能够提供更持久的细胞排列和更灵活的调控能力。例如，使用声波或磁场引导细胞排列的方法通常只能在短时间内维持组织结构，而EXPECT通过温度调控，能够在14至36天内保持细胞的有序排列。这种动态调控机制不仅提高了组织工程的可行性，还为未来的生物制造和再生医学研究提供了新的思路。

研究团队还探讨了EXPECT的潜在应用。他们认为，这种材料可以用于构建具有方向性组织结构的复杂组织，如软骨、骨骼和血管组织。通过温度调控，可以实现细胞的有序排列和组织的动态形成，这在传统的静态环境中是难以实现的。此外，研究团队还提出，EXPECT的热响应特性可能有助于药物递送和信号分子的释放，从而进一步促进细胞的分化和组织的形成。

综上所述，本研究开发的EXPECT系统通过其热响应特性，为三维生物打印提供了一种新的解决方案，能够有效维持细胞的有序排列和长期稳定性。这一成果为组织工程和再生医学领域提供了重要的技术支持，并展示了温度调控在生物制造中的巨大潜力。未来的研究可以进一步探索EXPECT在体内环境中的应用，以及其在更复杂组织构建中的效果。