突破性研究：多尺度多方向定向胶原蛋白水凝胶的3D打印技术

2025年5月，南极熊获悉，来自日本的研究团队成功开发出一种使用流体技术和三维(3D)打印技术制备具有多尺度、多方向定向结构的胶原蛋白水凝胶的方法，为组织工程和再生医学领域带来重大突破。此项研究已经发表在ACS Biomaterials Science & Engineering期刊上，题目为Fabrication of Multiscale, Multidirectional Orientated CollagenHydrogels with Guided Cell Alignment Using Fluidics and a Three-Dimensional Printing（利用流体技术和三维打印制备具有引导细胞定向排列的多尺度、多方向定向胶原蛋白水凝胶）。



研究背景
胶原蛋白是人体组织中最丰富的蛋白质，尤其是I型胶原蛋白，占人体胶原蛋白总量的约90%，广泛存在于皮肤、骨骼、肌腱和韧带中。在自然组织中，胶原蛋白形成特定的定向结构，赋予组织机械强度和稳定性。例如，皮肤真皮层的胶原纤维具有两个方向：垂直取向的乳头真皮层和水平取向的网状真皮层；而头骨等扁平骨则表现出二维定向特性。

然而，传统方法如磁性对齐、电纺和拉伸等在精确模拟这些复杂定向结构时面临诸多挑战，如残留磁珠、有机溶剂破坏胶原三螺旋结构，以及难以实现多方向精细定向等问题。微流体技术虽然提供了一种有效途径，但也难以复制如皮肤真皮或头骨等具有二向定向的复杂结构。


△定向胶原模型创建的示意图。实验流程概述，展示了由流动诱导的胶原原纤维、纤维和细胞定向排列

研究内容
研究团队创新性地结合3D打印技术与流体通道制备，开发了一种控制胶原蛋白水凝胶尺寸和方向的新方法。他们设计了两种流体通道：单向的"水平定向模型"和通过添加垂直突起创建的双向"垂直&水平定向模型"。

研究人员使用高分辨率光固化3D打印机Form 2制作主模具，然后用聚二甲基硅氧烷(PDMS)制作流体通道。将I型胶原蛋白溶液，混合或不混合细胞，通过注射泵引入流体通道中并凝胶化。

在水平定向模型中，胶原原纤维和纤维沿流动方向定向排列。同时，成纤维细胞和干细胞也沿着胶原结构平行于流向排列。在垂直&水平定向模型中，研究人员成功实现了胶原原纤维、纤维以及成纤维细胞在水平和垂直两个方向上的定向排列。


△流动诱导胶原蛋白和细胞定向的机制示意图

研究结果
●通过扫描电子显微镜(SEM)的纳米级观察，研究团队揭示了胶原定向的分子机制：在完全凝胶化前，胶原分子和原纤维受流动和通道壁效应影响，平行于流向排列。这种壁效应从外部通道壁开始，向通道内部创建凝胶化的胶原"壁"。胶原原纤维随后聚集形成胶原纤维。

●在细胞定向方面，研究发现当细胞增殖时，通过响应胶原原纤维和纤维定向的接触引导，细胞的黏附斑和F-肌动蛋白被激活并组织各向异性牵引力，进而驱动细胞定向。



●此研究成功控制胶原直径在10-150纳米(众数)范围内，最大可达1.52微米，同时保持定向性。这一范围与人体组织如真皮(50-70纳米)、软骨(50-100纳米)、肌腱原纤维(100纳米)和肌腱纤维(1-300微米)相符。

未来展望
这项创新技术为组织工程领域开辟了新途径，使研究人员能够定制具有所需组织特异性定向的模型。方法可应用于各种细胞类型，不仅包括成纤维细胞，还包括间充质干细胞。

研究团队指出，这种模型能够用于评估化妆品和药物，并在组织修复、移植和安全评估方面具有潜在应用价值。通过控制突起结构内的细胞定向，模型可以模拟与年龄相关的胶原细胞外基质变化，对于研究衰老过程和相关疾病具有重要意义。

来源：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