综述《先进功能材料》水凝胶中3D图案化用于功能

【科研摘要】

生物结构本质上是复杂的。结构层次，化学各向异性和组成异质性在生物系统中无处不在，并在生物系统的功能中发挥关键作用。几十年来，诸如软光刻的方法通过对2D分子图案进行精确的空间控制，使得这种布置得以再现。随着技术的进步以及对分子和结构生物学的日益深入的理解，人们对以3D重建此类空间组织的兴趣日益浓厚。最近，伦敦玛丽皇后大学Alvaro Mata教授团队在《先进功能材料》上发表了题为3D Patterning within Hydrogels for the Recreation of Functional Biological Environments综述，作者介绍用于组织工程应用的水凝胶内功能分子的3D模式创建的最新技术的全面摘要。根据用于制造图案的主要驱动力，将审查分为五组技术，包括光，精确的化学设计，微流体，3D打印和非接触力(即电场，磁场或声场和自部件)。

1介绍

1.1自然与生物系统的模式

大自然充满了美丽的结构，展现出精确形状和大小的重复图案。但是，这些模式绝不仅仅是美学特征，而是运动，繁殖，保护和营养的必要条件。例如，飞鹅显示的美丽的V形图案(图1A)有助于羊群感知周围环境并在整个群体中快速传递信息。动物皮肤(例如长颈鹿，豹子或斑马)上存在的黑色素斑点或图案条纹的周期性，以及鸟类羽毛上的颜色梯度(图1B)用作伪装，信号或识别。树木在遇到外部因素(例如风，光，竞争者以及生物或非生物应激源)时，会以最小的能量消耗形成分支模式(图1C)以保持其结构特性。这些美丽而实用的图案是自然界演化出的精确空间组织的直接结果。

图1 自然界中的图案。

1.2需要重现结构和化学各向异性

模块化组织工程(TE)策略已被开发出来，通过从下至上制造活动的构建基块来工程化组织和器官。实现图案的需求和潜力并不是什么新鲜事。 Whitesides及其同事在二十多年前开发的软光刻技术已在细胞生物学，生物化学，生物技术和生物工程领域产生了巨大影响。这些示例说明了2D或2.5D地形线索可能会对研究或重建生物过程的能力产生影响(图2A)。想象一下，如果能够轻松地在复杂的3D环境中制造相似的图案(图2B)，则可以想象。

图2 从2D到3D仿生环境。

1.3综述目的

在这里，作者回顾了能够在水凝胶中制造功能性3D模式的领先技术。作者将3D模式定义为在水凝胶内部定位的明确定义的生物功能异质性，赋予其空间定义的生化或结构特性。根据用于制造图案的主要驱动力将审查分为五组技术，包括光，化学设计，微流体，3D打印以及涉及电场，磁场，声场或自组装的非接触力(图3)。

图3 制作3D图案的方法。

2通过照相制版制作图案

光已被广泛用于在水凝胶中产生图案。光图案化需要能够在曝光后发生反应的部分(光敏或光敏)。将这一部分分为不同的多层图案化技术，后者使用光同时创建图案和凝胶(图4A)和后凝胶化图案技术，后者在凝胶化之后创建图案(图5A)。

图4 通过光图案化，多层图案化技术制作图案。

图5 通过光图案化，后凝胶化图案化技术来制作图案。

2.2建后模式

凝胶化后的图案化需要包含反应性光敏部分的合成水凝胶(图5A)。在此，根据模板掩膜的使用(例如，掩模光刻(MP)或直接激光光刻)来划分凝胶化后的图案化技术 (聚焦激光照射(FLI)和双光子激光扫描光刻(TPLSP))(图5B–F)。

2.2.1掩模光刻

使用通过软光刻制造的母版的概念已扩展到MP中水凝胶的3D图案化。通过使用掩模覆盖暴露在水之下的水凝胶表面，选择性照射的未掩模区域会发生光反应，从而形成结构和生化模式(图5B)。

3通过精确的化学设计制作图案

化学(生物)缀合反应，例如生物素-链霉亲和素或酪胺-过氧化物的缀合，PEGygaltion，肽的缀合以及偶联-点击反应已被广泛用于生产细胞反应性材料。其中，点击化学已被证明是在温和条件下以高效率和选择性，高收率和无害副产物结合功能分子的强大工具。点击化学前体的正交性使其成为水凝胶合成(图6A)和诸如细胞移植，药物递送，体外模型和治疗等应用的可行候选者。

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