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一、背景介绍 在这项研究中，提出了一种简单而通用的3D生物制造使用远程控制的磁力将2D水凝胶前驱体转化为复杂的3D形态(图1和2A)。在水凝胶中掺入生物相容性和热响应性明胶网络作为牺牲支持，以便在聚合物交联之前形成结构。牺牲磁性墨水和重力墨水也被用来协助控制2D到3D的转变。这些牺牲墨水随后可以去除，留下完整的3D生物支架。此策略允许通过调整初始2D 形状、温度或磁点和重力点的空间分布等因素来实现可编程的形状变形。本研究使用远程力支持脆弱的3D结构的开发概念提供了一种独特的形状变形和3D制造策略，适用于各种材料系统，从而为高效的3D生物制造开辟了新的可能性，使生物学、生物医学工程、软材料和软机器人领域的研究人员受益。 图 1. 磁驱动转化的概念图及其在工程3D可灌注血管通道和具有行走运动的3D生物混合致动器中的应用。 二、材料与方法 2.1 平面水凝胶支架的制造 扁平水凝胶支架可以使用3D生物打印机 (SunP BioMaker 2) 制造。将20% (w/v)明胶前体溶液加载到带有金属尖端的5 ml移液器中，并引入温度为45°C的加热打印机喷嘴中。 明胶生物墨水在涂有40% (w/v) Pluronic F-127溶液薄层的预冷打印床(4°C)上打印之前保持平衡。层高0.3 mm，打印速度12 mm/s，挤出速度1.6 mm3/s 被发现是最优的。打印后，将磁性墨水和重力墨水添加到打印图形的所需部分，使墨水在4°C打印床上融合5分钟。 三、结果 水凝胶支架从平面到3D的转变是通过使用磁力的远程控制完成的。由氧化铁颗粒和明胶组成的磁性墨水被放置在平面水凝胶的中心，在本文中浮力、重力和磁力的结合保持了3D结构，直到材料完全交联和凝固，从而消除了对固体材料的物理支撑的需求。通过使用磁驱动变形以及控制温度的策略，打印的扁平水凝胶分支可以很容易地图案化成复杂的3D形状并进行形状转变。因此，这种磁力驱动的转换方法克服了当前模塑和基于挤出打印的一些限制，可以创建精致的3D结构，同时保持灵活性和可扩展性。
图2. 基于磁驱动变换的制造策略概念。(A) 示意图显示(i)材料沉积成扁平水凝胶前驱体，(ii)在磁体应用时浸没转化为3D形态。Fm表示施加在水凝胶上的磁力Fb表示浮力，G表示脚手架材料的重力，G一个表示额外实现的重力油墨的重力。(B)使用磁驱动变换策略对3D分支血管几何形状进行4D打印。几何设计在 AutoCAD(i)中生成，打印成扁平水凝胶前驱体(ii)，然后使用磁铁(iii)转换为3D分支几何。
图3. 对磁驱动变换的多模态控制。(A) (i)显示明胶从凝胶状态到溶胶状态的热响应的方案。(ii)花形水凝胶前驱体在不同温度下的转变，直到它在33°C下熔化。(B)随着温度的升高，将花形水凝胶前驱体置于水中时的曲率半径(R)。在转换的水凝胶支架的图像下绘制一个蓝色圆圈来测量半径。(C)磁心对3D变换的影响。(i)磁中心面积增加的扁平水凝胶前驱体(白色虚线突出显示每个水凝胶前驱体的磁心边缘及其与中心和水凝胶前驱体边缘的距离)和(ii)前驱体的相应3D变换。(D)重力墨水对3D变换的影响。(i)具有两个带有重力墨水(白色尖端)的分支和两个没有的分支的扁平水凝胶前体。(ii)从两个不同角度观察时具有不同弯曲程度的转化前驱体的示意图和(iii)实验图像。(E)二维前驱体结构设计的影响。(i)具有不同边缘与中心分支宽度比(2：1、1：1和2：3) 的扁平水凝胶前驱体和相应的3D转换;(ii)前驱体的相应3D变换。
图 4. 使用多磁体对3D结构进行图案化。(A)在两个磁铁的帮助下，两股(i)之前和(ii和iii)被扭曲成双交织的螺旋线。(B)转化前(i)和转化后(ii和iii)的DNA样双螺旋结构。变形的3D双螺旋链，包含(ii)一个结和(iii)两个结。(C)将(i)细长的梯状扁平水凝胶前驱体扭曲成(ii和iii)编织管状结构。(D和E) 3D管状网片由(D)均质和(E)异质水凝胶网壁组成。(i)包含四个磁性墨点的扁平水凝胶前驱体。(II和III)3D管状网格的不同视图。
磁力可以通过改变支架和磁体之间的距离，使用浮力以及重力保持恒定。远程应用磁体会导致支架形态变换，但磁性颗粒的不会对掺入生物支架的细胞产生不利影响。磁驱动转化产生的分支通道可以细胞保持良好的活力并建立连接因此可以用于设计血管结构。 图 5. 磁驱动转化以创建具有3D分支维管通道的生物支架。(A)示意图显示了通过磁驱动转化策略制造具有3D分支维管通道的生物支架的步骤。(i)当施加磁体时，浸入未交联凝胶浴中的扁平牺牲明胶前驱体转化为3D几何形状。(ii)在紫外线下交联凝胶浴后，将交联支架置于37°C下，磁铁仍放在顶部，以溶解明胶并去除溶解的磁性墨水。(iii)显示生成的支架灌注的方案。(B)磁场分布分析。(i)施加磁体引起的磁场分布的有限元分析。(ii)沿z坐标的磁场分布。(C)牺牲前驱体转化为3D形态后支架的UV交联。(D)从(i)到(iv)演示的蓝色染料的支架灌注。(E)纤维蛋白支架中VE-钙粘蛋白(红色)、鬼笔环肽(灰色)和4'，6-二脒基-2-苯基吲哚(DAPI)(蓝色)的免疫染色，其中HUVEC衬在通道壁上，NHLF在纤维蛋白基质内。
将其它可交联水凝胶与明胶结合使用，允许3D转化的水凝胶交联而不是牺牲。使用磁触发转化策略可以使水中的水凝胶从2D到转化为3D结构。通过紫外线或通过在水浴中添加交联剂来交联后，移除磁体后保持3D形态，从而产生独立的3D生物支架(图6A )，并实现仅由生物相容性水凝胶和细胞组成的3D步行致动器。这些进步有可能成为开发与生命系统交互的植入式工程组织和软机器人的使能平台。 图 6. 3D薄生物支架的磁驱动转化能够产生具有行走运动的基于水凝胶的生物混合致动器。(A)方案说明了创建花形的基于3D薄膜的生物支架的过程。最初，扁平的可交联水凝胶前驱体转化为3D形态，然后在其上方放置磁铁时交联。在37°C下孵育后，交联支架将从磁体中释放出来，而明胶会溶解，同时从支架中释放磁性墨水。(B)说明生物支架上的细胞接种和层形成的方案。(C)在3D薄生物支架表面培养的心肌细胞的免疫染色。cTnT(红色)、DAPI(蓝色)和F-肌动蛋白(绿色)。(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)行走生物杂交致动器的俯视图和(ii)侧视图延时照片(收集 1 分钟)。比例尺，1厘米。(E)前脚和后脚随时间变化的瞬时速度。(F) (i)支架收缩、移动和钙传播方向示意图;(ii) 支架中心心肌细胞随时间的钙传播映射(比例尺：500 μm);(iii)脚手架运动分析。
四、讨论 本文展示了一种简单而通用的生物制造策略，可以有效地将打印和模制的扁平软水凝胶前体转化为复杂的3D结构。与以前报道的2D到3D转换策略不同，此方法不依赖于材料的内在特性。相反，响应特性来自牺牲油墨和磁场的远程应用，使其与更广泛的材料系统兼容，并克服了对精确预定材料设计的要求。还通过外力和随温度调整形状变形，可以更轻松地控制3D变形。此外，施加在支架上的远程磁力和重力消除了制造过程中对物理支撑的需求，从而可以轻松制造薄而软的生物支架。此外，这些力作用在相反的方向上，从而实现实质性的形状变形和不受高度限制的受控弯曲。这一优势能够生成分支3D血管结构，这是以前报道的2D到3D转换方法无法实现的。因此，在3D结构和材料多样性方面扩展了3D生物制造中形状变形的可能性。使用这种方法，实现了3D分支网络和由软水凝胶组成的薄膜拱结构。所得结构已用作牺牲模板来复制分支血管系统的建筑模式，或用作生物支架，支持制造具有心肌细胞触发的行走运动的生物混合软致动器。 然而，由于明胶网络对于帮助支持系统中水凝胶前体的形状至关重要，因此该策略目前只能应用于水性环境中的材料。为了进一步扩大适用于2D到3D转换策略的材料范围，未来的研究可能涉及设计与油基聚合物兼容的替代牺牲材料。 总体而言，利用远程控制力来实现对材料形状变形的精确控制，并为使用软生物材料设计复杂的3D结构提供了新的机会。这种方法有可能促进工程组织、软机器人技术以及3D和4D打印的未来发展。
五、参考文献 RuoxiaoXie et al. ,Magnetically driven formation of 3D freestanding softbioscaffolds.Sci. Adv.10,eadl1549(2024).DOI:10.1126/sciadv.adl1549
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