在生物制造领域，人们越来越认识到形状与功能关系在组织替代品工程中的重要性。硬度梯度尤其引起了组织工程领域的兴趣，并已被证明会影响细胞运动性、迁移和多种细胞类型（如间充质基质细胞（MSC）、脂肪干细胞、平滑肌细胞和内皮细胞的细胞表型。然而，形状和生物物理/生化梯度的融合方面仍在很大程度上未被探索。

图1 文章信息

      近日，新西兰奥塔哥大学Khoon S Lim等提出了一种新型的基于扩散的液滴微流体平台，通过研究小分子扩散对水凝胶微尺度空间特征的影响，并描述细胞对这些特征的反应，为进一步研究天然组织中存在的微观和宏观结构特征的作用提供了一个先进的平台。

图2 基于扩散的微流体网络示意图

      基于液滴的微流体通常通过改变分散相和连续相的流速来控制水凝胶前体液滴的形状和大小。研究中，观察到了平台具有生成各种形状的形状控制水凝胶的独特能力，包括球形、塞状和连续长液滴。基于扩散的微流体方法关键在于在水凝胶前体液滴周围引入第二水相（称为“外相”），以允许水溶性小分子从外相扩散到水凝胶前体中。将共引发剂过硫酸钠 (SPS) 扩散到水凝胶前体溶液中，从而可以在形状和尺寸受控的水凝胶中形成独特的径向刚度模式，并可以形成具有可控内部结构的空心水凝胶。

图3 通过基于扩散的微流体技术制造的水凝胶丝的横截面积的机械特性

图4 SPS 在外相和物理交联水凝胶之间的液-凝胶界面上的扩散动力学

      进一步地，研究人员使用 MSC 作为模型细胞类型，探测了基于扩散的微流体平台与形状控制水凝胶的细胞相容性。将 MSC 添加到分散相中（每毫升 1 × 10 6 个MSC），以便将细胞封装在所得的水凝胶细丝中。研究发现，在 7 天的培养期后，径向刚度梯度影响了水凝胶内 MSC 伸长的空间异质性，MSC 在水凝胶核心内表现了更细长的形态，而在较硬的外围区域保留了圆形形态，这可归结为细胞对刚度梯度细丝的软芯区域和硬外围区域的反应的直接结果。

图5 具有径向刚度梯度水凝胶中 MSC 细胞行为

      导管原位癌从转移前乳腺癌进展为转移性乳腺癌，涉及乳腺癌基质的硬化，这是通过增加沉积、减少周转和基质分子异常交联来实现的。为此，研究人员基于该平台进一步研究了乳腺癌细胞系 MCF-7 细胞在硬度梯度水凝胶中的行为，以重现癌细胞聚集和肿瘤进展的空间异质性，研究揭示了刚度梯度分布是 MCF-7 细胞聚集的关键决定因素。

图6 具有径向刚度梯度水凝胶中 MCF-7 细胞行为

      总体而言，这一新平台提供了一种在宏观和微观尺度上设计仿生空间异质性的方法，有助于加深我们对天然组织中存在的形状与功能关系的理解。            

原文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1758-5090/ad6d8e#bfad6d8es1