突破性研究：多尺度多方向定向膠原蛋白水凝膠的3D打印技術(shù)

2025年5月，南極熊獲悉，來自日本的研究團(tuán)隊(duì)成功開發(fā)出一種使用流體技術(shù)和三維(3D)打印技術(shù)制備具有多尺度、多方向定向結(jié)構(gòu)的膠原蛋白水凝膠的方法，為組織工程和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域帶來重大突破。此項(xiàng)研究已經(jīng)發(fā)表在ACS Biomaterials Science & Engineering期刊上，題目為Fabrication of Multiscale, Multidirectional Orientated CollagenHydrogels with Guided Cell Alignment Using Fluidics and a Three-Dimensional Printing（利用流體技術(shù)和三維打印制備具有引導(dǎo)細(xì)胞定向排列的多尺度、多方向定向膠原蛋白水凝膠）。



研究背景
膠原蛋白是人體組織中最豐富的蛋白質(zhì)，尤其是I型膠原蛋白，占人體膠原蛋白總量的約90%，廣泛存在于皮膚、骨骼、肌腱和韌帶中。在自然組織中，膠原蛋白形成特定的定向結(jié)構(gòu)，賦予組織機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性。例如，皮膚真皮層的膠原纖維具有兩個(gè)方向：垂直取向的乳頭真皮層和水平取向的網(wǎng)狀真皮層；而頭骨等扁平骨則表現(xiàn)出二維定向特性。

然而，傳統(tǒng)方法如磁性對齊、電紡和拉伸等在精確模擬這些復(fù)雜定向結(jié)構(gòu)時(shí)面臨諸多挑戰(zhàn)，如殘留磁珠、有機(jī)溶劑破壞膠原三螺旋結(jié)構(gòu)，以及難以實(shí)現(xiàn)多方向精細(xì)定向等問題。微流體技術(shù)雖然提供了一種有效途徑，但也難以復(fù)制如皮膚真皮或頭骨等具有二向定向的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。


△定向膠原模型創(chuàng)建的示意圖。實(shí)驗(yàn)流程概述，展示了由流動誘導(dǎo)的膠原原纖維、纖維和細(xì)胞定向排列

研究內(nèi)容
研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地結(jié)合3D打印技術(shù)與流體通道制備，開發(fā)了一種控制膠原蛋白水凝膠尺寸和方向的新方法。他們設(shè)計(jì)了兩種流體通道：單向的"水平定向模型"和通過添加垂直突起創(chuàng)建的雙向"垂直&水平定向模型"。

研究人員使用高分辨率光固化3D打印機(jī)Form 2制作主模具，然后用聚二甲基硅氧烷(PDMS)制作流體通道。將I型膠原蛋白溶液，混合或不混合細(xì)胞，通過注射泵引入流體通道中并凝膠化。

在水平定向模型中，膠原原纖維和纖維沿流動方向定向排列。同時(shí)，成纖維細(xì)胞和干細(xì)胞也沿著膠原結(jié)構(gòu)平行于流向排列。在垂直&水平定向模型中，研究人員成功實(shí)現(xiàn)了膠原原纖維、纖維以及成纖維細(xì)胞在水平和垂直兩個(gè)方向上的定向排列。


△流動誘導(dǎo)膠原蛋白和細(xì)胞定向的機(jī)制示意圖

研究結(jié)果
●通過掃描電子顯微鏡(SEM)的納米級觀察，研究團(tuán)隊(duì)揭示了膠原定向的分子機(jī)制：在完全凝膠化前，膠原分子和原纖維受流動和通道壁效應(yīng)影響，平行于流向排列。這種壁效應(yīng)從外部通道壁開始，向通道內(nèi)部創(chuàng)建凝膠化的膠原"壁"。膠原原纖維隨后聚集形成膠原纖維。

●在細(xì)胞定向方面，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)細(xì)胞增殖時(shí)，通過響應(yīng)膠原原纖維和纖維定向的接觸引導(dǎo)，細(xì)胞的黏附斑和F-肌動蛋白被激活并組織各向異性牽引力，進(jìn)而驅(qū)動細(xì)胞定向。



●此研究成功控制膠原直徑在10-150納米(眾數(shù))范圍內(nèi)，最大可達(dá)1.52微米，同時(shí)保持定向性。這一范圍與人體組織如真皮(50-70納米)、軟骨(50-100納米)、肌腱原纖維(100納米)和肌腱纖維(1-300微米)相符。

未來展望
這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)為組織工程領(lǐng)域開辟了新途徑，使研究人員能夠定制具有所需組織特異性定向的模型。方法可應(yīng)用于各種細(xì)胞類型，不僅包括成纖維細(xì)胞，還包括間充質(zhì)干細(xì)胞。

研究團(tuán)隊(duì)指出，這種模型能夠用于評估化妝品和藥物，并在組織修復(fù)、移植和安全評估方面具有潛在應(yīng)用價(jià)值。通過控制突起結(jié)構(gòu)內(nèi)的細(xì)胞定向，模型可以模擬與年齡相關(guān)的膠原細(xì)胞外基質(zhì)變化，對于研究衰老過程和相關(guān)疾病具有重要意義。

來源：Mizuki Iijima et al, Fabrication of Multiscale, Multidirectional Orientated Collagen Hydrogels with Guided Cell Alignment Using Fluidics and a Three-Dimensional Printing, ACS Biomaterials Science & Engineering (2025).

DOI: 10.1021/acsbiomaterials.4c02156