自然组织的功能高度依赖于其多尺度的结构特性，涵盖从亚细胞尺度到器官尺度。然而，目前的组织工程技术在跨越多个长度尺度进行结构设计方面面临显著挑战。传统的加性生物打印技术在处理超出喷嘴或体素大小的特征时存在局限，而减法光蚀刻方法则因热生成和时间成本的限制无法实现大体积加工。因此，开发一种能够同时在微米级和毫米级构建复杂结构的方法，成为当前生物制造领域的一大瓶颈。
近日，波士顿大学Christopher S. Chen教授团队利用基于镓的工程化牺牲模板和毛细管泵技术，在天然水凝胶中构建多尺度结构。研究者使用镓作为牺牲材料，其熔点接近细胞培养温度（约29.8°C），这一特性使其既可以作为注射液体材料，也可以在适宜的条件下转化为坚固的固体模具。同时，镓表面形成的氧化层可以通过弱碱（如稀氢氧化钠溶液）逐步去除，这种受控的过程利用了毛细管力，使得镓可以在细微结构中精确撤离，而不会对周围的水凝胶结构造成破坏。此外，液态镓的低粘度和极佳的流动性使其能够填充复杂几何模具，随后通过调控表面张力和几何不对称性实现高效抽取，从而形成所需的精细通道和结构。
ESCAPE技术的一个重要优势在于将生物材料与制造过程分离，使得非生物兼容的工具可以参与构造几何形态的早期阶段。例如，研究团队通过镓模具构建了一系列复杂的生物结构，包括多分支血管树和细胞定向的微观表面特征。他们成功在胶原基质中制造了从毫米级到微米级的连续血管网络，血管口径从约300微米的动脉分支逐渐减少到10微米左右的微血管。这种多尺度精度是现有技术难以实现的突破。
研究中，镓的使用还展现了对多种复杂结构的适应能力，包括带有闭环的网络、分叉的血管树以及具有特定拓扑特征的几何体，例如模仿“斯坦福兔子”形状的三维结构。这些复杂设计的实现得益于镓模具在不同尺寸和几何构型中的可靠撤离性能，同时对周围的胶原蛋白基质不会造成显著的损害。通过超高分辨率的成像和结构分析，研究者证明了ESCAPE技术在形态和功能上的准确性和稳定性。
ESCAPE技术不仅能制造多尺度血管网络，还可以应用于其他生物组织的建模。例如，研究团队制造了模仿天然上皮分支的管道结构，以及包含血管和淋巴管独立网络的交织系统。此外，这种技术可以帮助设计营养需求较高的组织，例如与血管系统相邻的心肌束，能够通过电刺激观察到心肌束的收缩和血管内液体的流动。ESCAPE的通用性使其成为一项极具潜力的生物制造技术，为组织工程和再生医学提供了新工具。
相关研究成果以Sacrificial capillary pumps to engineer multiscalar biological forms为题发表在Nature上。
图1: 毛细管泵的牺牲模具成型过程。图1a：展示了镓丝（直径150 µm）如何被组装到PDMS设备中，并在中心区域聚合胶原蛋白凝胶。通过熔化镓并移除其表面氧化层后，利用几何不对称性和拉普拉斯压力差驱动液体镓的单向流动。图1b：使用不同浓度的氢氧化钠溶液观察镓的撤离过程。高浓度（100 mM）的NaOH导致液滴分裂，而低浓度（10-20 mM）允许液滴以完整形式撤离，并形成清晰的管道。图1c：说明了毛细管泵作用的理论基础，包括几何不对称性和表面张力梯度如何驱动液体镓的移动。图1d：展示了ESCAPE工艺的五个步骤，从初始设计到软生物材料中的最终成型结构。图1e：显示了在成型后的胶原凝胶腔内种植细胞后形成的三维结构，特别是“斯坦福兔子”形状的复杂通道及其细胞分布
图2: 内皮化结构的血管拓扑与精细特征。图2a：直径60 µm的圆柱形血管结构，其中细胞分布均匀。图2b：描述了包含弯曲和线性区域的窦状血管结构，细胞在两种区域均匀分布并对齐。图2c：展示了一条150 µm主血管分叉成两个子血管的结构，以及分叉处的细节。图2d：通过ESCAPE技术生成的复杂几何结构，包括直径100 µm的过手结（overhand knot）。图2e：描述了血管异常（例如球形凸起）的生成，并突出其表面平滑性和锐利的边界。图2f：通过在血管表面引入周期性微米级纹理来控制细胞对齐的实例，包括不同纹理角度对细胞骨架排列的影响。
图3: 分层血管树和上皮管道。图3a：展示了具有五层分支的分级血管结构，血管直径按照穆雷定律逐级缩小。图3b：展示了一种二元分支血管树的平铺扫描图，从单一入口分支到32个可灌注出口。图3c：展示了一种覆盖4×4毫米区域的计算生成的方形血管树设计，其中末端分支直径为50 µm。图3d：描述了种植细胞后的核分布图，包括分支区域和死端细节。图3e：模拟器官生长的边界逐步扩展设计，展示了最终生成的分支血管树。图3f：三维分支血管网络的生成实例，遵循穆雷定律，从单一入口分支到16个灌注出口的完整结构。
图4: ESCAPE的三维应用。图4a：描述了ESCAPE在非血管几何体（如上皮管道）中的应用，包括3D上皮管道的设计和表皮细胞种植后的形态。图4b：展示了血液和淋巴网络的交织设计及其生成的镓模具。图4c：细胞核的z轴位置编码图，展示了交织的三维几何形态。图4d：卷积3D视图显示了相交区域的细胞分布，特别是血液和淋巴细胞。图4e：展示了螺旋形心肌束和血管束的设计及其镓模具。图4f：描述了心肌区域中诱导性多能干细胞衍生的心肌细胞（iPSC-CM）和成纤维细胞（CF）分布。图4g：螺旋结构中的近距离扫描，显示所有细胞的分布及特定标记的心肌细胞和内皮细胞。图4h：心肌束和内皮化血管的相互作用，观察到心肌收缩引起血管中微粒流动的变化。
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