拼装器官:逐片建立组织

本文英文原文由 Javier Fernandez 撰写。

器官由数百万的细胞以非常特殊的方式构成,其中每一个细胞相对彼此的位置在组织的正常功能上和它们的生物学特性一样重要。曾经,人们可通过逐个移动单原子形成复杂的图案,将同样的方法用于细胞以建立一个功能性组织激发无数的研究和调查工作。然而,主要的障碍不是处理单细胞这个相对较大的物体(约20-50微米)而是使单细胞保持在适当的位置。

单细胞来自组织的消化作用,基本上打破了所有细胞-细胞及细胞-容器连接。这些连接需要数个小时甚至几天的时间来建造,没有这些连接的话细胞将变成“流体”,不可能以任何组合方式聚集,除非靠重力强迫其聚集(即分层)。

我们已经开发了一种称之为“微砌体”的技术,这项技术被用于构建三维形状的细胞群。这个过程类似于儿童玩具乐高,将不同颜色的积木组装构成一个更大的建筑结构。在我们这个案例中,细胞被压缩成100到500微米的立方体,形成一个具有生物相容性及对光敏感(如被照亮时由液体成为固体)的聚合体,并且颜色呈细胞状特性(如细胞类型)。

我们采用亲水面作为支架形成结构,该结构覆盖着一层光敏感聚合物薄液膜。液相的存在可能可以将片块附加到表面及彼此之间。片块上的液体的作用类似于湿沙的黏性,这样使得沙子城堡得以建成。此外,片块之间的液量被用于控制毛细管的大小,并由此控制片块填充的密集度。

由于液体的光敏感性,对整个系统进行1秒的光照,就可以使液体交联使得片块积木组装成一个密实的结构。这个结果与微型砖墙非常类似,其中硬化的聚合物充当了混凝土的角色,填满细胞的立方体则是砖块。

虽然该技术已经被设想为具备生物相容性,并可以被用来建立组织,但该技术并不局限于生物医学方面的应用。结构单元可以是任何形状,并带有各种成分,提供特定的物理和/或化学性质,如磁性或导电性。然而,该技术与组织工程学有特殊的联系,我们期望这个技术作为一种可靠快速的方法用于生成功能器官。

以上三幅图片从左到右分别是:采用不同颜色片块制成的直径为5毫米的管子;一个头盔(即空心半球),可观察结构外部细节;由不同性质的分层条制成的同轴管。图片版权所属:Wiley-VCH 2010,缩略图版权所属:Javier Fernandez 2010。

作者简介:Fernandez博士成长于Cantabria (西班牙),在那里他学习了基础物理。后来,他获得与瑞典莱顿大学(Lund University)联合培养的硕士学位,并获得西班牙巴塞罗那大学(University of Barcelona)的博士学位,之后作为访问学者在英国格拉斯大学(University of Glasgow)停留半年。2009年,Fernandez博士搬到美国波士顿美国,作为博士后加入麻省理工研究院(Massachusetts Institute of Technology) 。目前,他是哈福大学(Harvard University)的博士后研究员,主要研究工业及生物医学领域的新技术及材料。

Javier G. Fernandez, Adv. Mater ; DOI: 10.1002/adma.200903893.