2021年，哈尔滨工业大学机电工程学院机械制造与自动化系的Haitao Liu作为通讯作者，在《Bioactive Materials》杂志发表了题为"Bioscaffolds embedded with regulatory modules for cell growth and tissue formation: A review"的论文。
本文综述了嵌入调控模块以促进细胞生长和组织形成的生物支架的研究进展。文中讨论了3D生物打印技术在精确重建组织中的应用，包括生物墨水的制备、3D生物打印方法（如挤出式、喷墨式和紫外辅助3D生物打印），以及生物物理和生化刺激对细胞行为的调控。特别地，文章提供了关于调控细胞生长和组织形成的最新方法和装置的概述，并探讨了生物物理和生化刺激对细胞行为的影响。此外，还解释了嵌入调控模块的生物支架在仿生组织制备中的制造过程，并提出了细胞生长调控中的挑战和未来的研究方向。
01：摘要
由于各种衰老相关疾病和器官移植的广泛需求，对人造器官的需求大大增加。组织工程的最新趋势是通过粘附在生物支架上的细胞生长来精确重建组织，生物支架是一种三维（3D）结构，可引导组织和器官的形成。用于制造仿生组织的生物支架不仅能引导细胞生长，还能调节细胞行为。常见的调节方法包括生物物理刺激和生物化学刺激。生物物理刺激线索包括基质硬度、外部应力和应变、表面拓扑、电磁场和电磁浓度，而生化刺激线索包括生长因子、蛋白质、激酶和磁性纳米粒子。本综述讨论了生物墨水制备、三维生物打印（包括挤压式、喷墨式和紫外线辅助三维生物打印）和细胞行为调控。特别是，它概述了调节细胞生长和组织形成的最先进方法和设备，以及生物物理和生物化学刺激对细胞行为的影响。此外，还介绍了如何制作嵌入调控模块的生物支架，以制备仿生组织。最后，介绍了细胞生长调控面临的挑战和未来的研究方向。
02：图文赏析
生物支架制造
从广义上讲，生物支架制造中不可或缺的两个方面是原材料和工艺。生物支架是支架在生物工程中的应用。有两种类型的生物支架，细胞负载型和无细胞型。载细胞生物支架是通过将生物材料装载到细胞中形成的，而无细胞生物支架则是通过细胞粘附形成的。不同的生物材料和制造方法导致了生物支架的多样性。我们首先讨论生物墨水和生物支架制造。接下来，对3D生物打印、静电纺丝/电沉积和软光刻等相关技术进行了综述。
生物支架制造的生物链接。生物墨水的定义和类型生物墨水是用于3D生物打印的墨水。它们是细胞负载的生物材料，对细胞友好，可植入，可降解，具有理想的免疫反应[18]。生物墨水的准确选择直接影响细胞生长和组织形成，生物墨水应具有接近原始组织的生物物理和生化特性。此外，作为生物支架的原材料，生物油墨应确保细胞在成型过程中的存活，并与成型过程相匹配。在某些情况下，为了成功制造高精度生物支架，生物油墨需要具有特定的性能，例如剪切稀化性能（不同剪切速率下的液体特性和固体特性）和交联性能，这些性能有助于工艺多样性和结构稳定性。常见的交联反应包括海藻酸盐和钙离子交联[21]、温敏交联[22]和光交联[23]（表1）。许多生物材料用于细胞生长和组织形成，如水凝胶。一些常用的生物墨水包括天然生物材料、合成材料、复合生物材料和脱细胞细胞细胞外基质（dECM）（图2）。天然生物材料包括明胶、藻酸盐水凝胶、胶原蛋白和丝素蛋白（SF）[24]。天然生物材料具有良好的生物相容性、多种来源和低成本。然而，它们不稳定，容易降解。合成材料包括聚乳酸（PLA）、聚乙醇酸共聚物（PLGA）、聚己内酯（PCL）、羟基磷灰石（HA）、聚氨酯、聚丙烯酰胺凝胶、石墨烯水凝胶、聚癸二酸甘油酯（PGS）和改性生物材料，如甲基丙烯酸明胶（GelMA）、金属基生物材料和磷酸化聚癸二酸二甘油酯[25 28]。与天然生物材料相比，合成材料，特别是聚合物水凝胶，相对稳定，但由于其高熔点，它们仍然不适合作为细胞负载的生物墨水。由于生物材料的功能要求，如细胞组织和可成形性要求，复合生物材料和dECM已成为有吸引力的选择[29]。复合生物材料包括复合天然材料[30]、合成材料[31]、生物和纳米材料[32]以及复合生物特征[33]。这些材料提高了生物支架的强度和多样性。例如，复合生物材料中的一种材料是牺牲性的，为制造多孔生物支架提供了完美的解决方案。特别是，明胶、蔗糖[34]和氯化钠[35,36]被用作牺牲材料。添加光引发剂使复合生物材料可交联。尽管dECM含有有利于细胞生长和组织形成的生长因子、酶和生物大分子，但仅使用dECM很难制造出满足机械要求和结构强度的生物支架。因此，通常，dECM与其他材料结合以克服其局限性。在人类中，生物材料不限于上述生物材料，还使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）、钛合金等。
细胞粘附的刺激线索
组织和器官是通过细胞分化形成的[69]。细胞粘附在形成组织的形状和方向方面起着关键作用，为组织形成奠定了基础[70,71]。体内微环境很复杂，传统的动物试验无法准确模拟人体内的细胞粘附[11]。因此，细胞粘附在体外得到了广泛的研究。在组织工程中，细胞粘附程度很容易受到相应粘附表面处理的影响：表面改性或表面涂层。优良的细胞粘附是维持组织结构稳定、促进细胞增殖和分化的基本条件。然而，异常的细胞粘附会导致血管疾病，甚至组织相关疾病，如心血管疾病和癌症[72，73]。生物打印技术可以显著控制细胞定位。使用负载细胞的生物墨水，3D生物打印适当的工艺路径可以实现理想的空间细胞分布。Lei等人使用同轴3D生物打印技术制造了血管化组织[74]。简而言之，将细胞装入牺牲材料中，然后将其溶解并制备结构。细胞自动沉积并粘附在生物支架表面。然而，这种方法的一个局限性是缺乏与相应的生物打印工艺相匹配的生物墨水。微针在生物医学中得到了广泛的应用。细胞微针[75,76]用于在指定的粘附表面定量注射细胞。尽管无细胞生物打印和随后的细胞化提供了一种制造细胞微针的方法，但它们无法控制生物支架上的图案化细胞分布。细胞粘附过程中常用的另外两种控制方法是用形貌进行生物支架表面改性和用其他材料涂覆生物支架表面。
通过表面改性刺激细胞粘附由表面形貌产生的表面改性，包括柱状、凹坑和光栅形状；特征尺寸；间距；基质排列在诱导细胞粘附中起着关键作用[63]。通常，细胞粘附可以在微米甚至纳米尺度上对表面拓扑结构做出反应。例如，基质微尺度皱纹上纳米形貌的存在促进了成纤维细胞、内皮细胞、成骨细胞和人间充质干细胞（MSCs）的粘附[77]。细胞粘附是细胞增殖、细胞迁移、细胞分化和组织形成的基础，全面了解表面修饰对细胞粘附的影响对于再生医学和诊断非常重要。因此，细胞在生物支架表面的粘附在组织工程中引起了越来越多的关注。组织工程生物支架的生物打印为表面结构的创建铺平了道路。在确定模型和生物打印材料后，可以使用3D生物打印轻松制造高精度拓扑生物支架。例如，Xie等人[78]使用喷墨3D生物打印技术制造了具有不同纤维直径和孔径的异质生物支架（图4A）。他们系统地研究了孔径可控的生物支架对细胞粘附的影响，不同纤维直径的生物支架粘附特性的差异，以及大细胞和小细胞在同一生物支架上的不同粘附行为。结果表明，具有小孔和大纤维的生物支架中的细胞具有优异的粘附行为。与大细胞相比，小细胞更倾向于粘附和桥接相邻的纤维空间。除了制造网格结构外，3D生物打印还可以制造带有柱子和凹坑的生物支架。Choi等人[79]在生物支架的内表面上制造了微孔圆形凹坑，以实现精确的细胞粘附。3D生物打印提供了许多制造这种生物支架表面的方法。常见的方法包括支撑材料或牺牲材料的辅助印刷、悬浮浴中的生物印刷和辅助成型浇注脱模。除了表面拓扑结构，后处理过程也可能影响细胞粘附。研究人员对制造的生物支架的微通道进行等离子体处理，以提高其在氧气等离子体室中的粘附性能[80]。与表面拓扑修改相比，这些方法相对简单。然而，由于细胞粘附需要微米级结构，导致粘附位置不准确，因此很难实现生物支架表面的精确处理。因此，具有表面形貌的生物支架是首选。表面形貌改性是一种物理处理，在生物支架表面不引入其他材料的情况下实现细胞粘附。
表面形貌对细胞的直接影响不同，3d打印生物支架表面的新化学因子和材料涂层也会诱导相应的细胞粘附行为。与表面形貌修饰相比，表面涂层与常规的实验和临床注射方法相似，是一种常规且易于控制的方法。在体内环境中，可能不需要在生物支架中添加额外的化学因子。然而，为了在体外改变生物支架表面的亲疏水性，需要在生物支架表面涂覆化学材料。表面涂层不仅可以手工实现，还可以通过3D生物打印实现。手工方法虽然简单，但精确的表面涂覆是困难的。Gao等人[81]使用基于挤压的3D生物打印技术在生物支架表面沉积涂层材料。涂层材料在生物支架上的位置是可控的。天然材料如聚赖氨酸[82]和合成材料被广泛用于表面。
细胞生长和组织形成的生物物理刺激在传统的组织工程中，生物支架是通过结合生物墨水制备和3D生物打印成功制造的。细胞加载或细胞加载的生物支架根据3D生物打印设备给出的位置分布在3D空间中。随后，在培养基或生物反应器中制备组织，用于再生医学和细胞疗法；然而，无法引导细胞在特定生长方向上的增殖、迁移和分化[84]。形成的组织与理想组织有很大不同。研究基于生物支架的细胞行为调控机制的机制为解决这一问题提供了一种新方法。常见的调节方法包括生物物理和生化刺激。生物支架的最终目标是植入人体。然而，生化刺激可能会导致细胞的细胞毒性。将生物物理刺激应用于细胞可以有效地避免这个问题。为了更好地定义刺激的调节行为，研究生物物理刺激非常重要。生物物理刺激有几个因素，如表面显微硬度、外力和应变的变化，以及非接触依赖因素（光、超声波、电和磁刺激）。
细胞生长和组织形成的生化刺激组织形成与幼苗生长相似。营养液中含有能诱导树木细胞活性的营养物质，并提供树木生长所需的活性物质。树木的营养液类似于细胞的生化成分，树木的输注控制装置类似于细胞的生化控制生物支架。生化成分诱导细胞分化和重编程。生化刺激主要涉及生化因子类型、调节性生物支架和浓度调节三个方面。
细胞生长和组织形成的协同刺激协同刺激是指通过结合至少两种刺激物来调节细胞行为，包括生物物理和生化刺激线索[135]。体内的细胞微环境是复杂的，它们同时受到各种刺激物的刺激。近年来，已有报道了现有的调控方法，我们对单次刺激下细胞行为的调控机制有了大致的了解。然而，在多种刺激下调控细胞行为的机制尚不清楚。为了提供合适的体外或体内刺激微环境来促进组织和器官的形成，研究协同刺激调控的相应机制非常重要。常见的协同刺激包括多种生物物理、多种生化以及化学和机械刺激。如前所述，生物物理刺激线索包括表面拓扑结构、表面显微硬度、外力和应变以及非接触依赖因素（光、超声、电和磁刺激）。生化刺激信号包括生化因素，如细胞生长因子、细胞蛋白、激酶和合成材料（及其浓度）。通过将调节性生物支架与前面提到的研究方法相结合来调节协同刺激。由于生物支架对多种生化因子的调节与单一生化因子调节相似，协同刺激主要集中在两个方面，即多重生物物理刺激和生物物理和生化刺激线索的刺激。
3：原文链接
https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2020.10.014
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