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人體組織和器官模型可以構建逼真的人體環(huán)境，具有成本低、實施方便等優(yōu)點，已被廣泛用于各種內科和外科的檢查、手術訓練、設備測試、術前診斷等。目前，基于水凝膠的器官模型由于具備與人體匹配的機械性能、潤濕性、細胞相容性，在精確構建模擬環(huán)境方面?zhèn)涫荜P注。然而，理想的組織模型不僅要求能復制器官的形狀和結構，還要具備在界面處能模擬器官物質交換的功能，這對目前的仿生水凝膠人體模型仍然是一個很大的挑戰(zhàn)。

中科院蘭州化學物理研究所周峰研究員、王曉龍研究員等人通過金屬離子誘導的水凝膠在熱裂解模板上的界面超分子組裝，實現(xiàn)了具有內部通道、梯度結構和器官生物功能的水凝膠人體器官模型。藻酸鹽/Ca2+水凝膠層可在模板上通過快速擴散誘導凝膠化過程進行原位生長，去除模板后便可得到具有連接通道且結構完整的水凝膠結構?；谠撍z，作者通過復制管狀結構來模仿器官的基本輪廓，設計了一系列人體模型，包括分支血管、消化系統(tǒng)、遠端肺亞單位以及腎小球。該工作為構建具有腔結構的基于水凝膠的仿生人體模型鋪平了道路，在體外生物醫(yī)學培訓、測試、藥理學等領域具有潛在的應用前景。該研究以題為“Growing Hydrogel Organ Mannequins with Interconnected Cavity Structures”的論文發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。

【水凝膠器官模型的制備】

作者將熱裂解模板的3D打印與水凝膠的原位生長相結合，實-現(xiàn)了制備任意形狀的中空結構水凝膠。首先，作者將明膠和ι-角叉菜膠（ι-CA）混合以制成可印刷的墨水，其流變特性取決于明膠上-NH2和ι-CA上-SO3-之間的強靜電相互作用、氫鍵，以及兩者鏈的物理纏結。然后，作者通過熱場輔助直接墨水印刷技術得到熱裂解模板，并通過快速離子擴散誘導凝膠化在其上原位生長了物理交聯(lián)的藻酸鹽/Ca2+水凝膠層。最后將其轉移到70°C水浴中進行溶膠-凝膠轉變，從而除去內部模板，最終得到具有互連腔結構的理想水凝膠。

圖1中空結構水凝膠的制備過程

圖2制備的中空結構水凝膠器官模型

【水凝膠器官模型的體外模擬】

作者對所得的水凝膠器官模型進行了體外模擬，首先采用醫(yī)用導絲研究了水凝膠血管模型的血管內介入。結果表明，與傳統(tǒng)材料相比，該水凝膠的親水特性賦予了導絲導航過程中有效的水潤滑，使其更接近真實條件和環(huán)境，因此導絲尖端在水凝膠管內移動更順暢，具有更低的摩擦系數和更穩(wěn)定的摩擦行為。作者還展示了另一種水凝膠消化系統(tǒng)模型，用于模擬體外受控的藥物遞送過程。與傳統(tǒng)的玻璃模型相比，該水凝膠消化系統(tǒng)模型可以模擬基本的物理化學性質，并為一些研究提供逼真的幾何形狀和通道。因此，體外水凝膠人體模型具有柔韌、潤滑以及與組織匹配的機械性能等特性，可以提供相似的物理化學條件和逼真的生理環(huán)境，這對于體外測試和醫(yī)療設備培訓等實際應用至關重要。

圖3水凝膠消化系統(tǒng)模型中的受控藥物遞送

【實體器官模型的生物功能模擬】

作者研究了水凝膠模擬具有通道和腔室的實體器官的潛力。首先制造了中空結構水凝膠以模擬具有肺毛細血管網絡和肺泡囊的遠端肺亞單位，由此所得的遠端肺亞單位模型具有獨特的內室和外部分支通道。當從遠端細支氣管進行換氣時，肺泡囊發(fā)生相應的擴張和收縮，實現(xiàn)外部肺毛細血管中的液體運輸。作者還展示另一種水凝膠腎小球模型的通過物質交換構建仿生環(huán)境的潛力。當染色水流過模型內部通道時，染料分子可通過源自水凝膠質量傳輸的滲透過程交換到水凝膠腔室中。因此，該水凝膠器官模型可以作為潛在的平臺，為類似于生物體的物質交換提供動態(tài)環(huán)境，是未來用于真實模擬生理功能的模型的重要候選者。

圖4實體器官模型的生物功能模擬

總結：作者通過熱場輔助直接墨水印刷技術制造了熱裂解水凝膠模板，并通過快速離子擴散誘導凝膠化在其上原位生長了物理交聯(lián)的藻酸鹽/Ca2+水凝膠層。去除模板后，便可獲得具有互連腔體、梯度結構的生物結構水凝膠?；谠撍z，作者構建了人體器官模型用于模擬血管、受控藥物遞送的消化系統(tǒng)、可進行界面物質交換的遠端肺亞單位和腎小球。此類能模擬生物體動態(tài)生理環(huán)境的水凝膠人體器官模型為體外生物醫(yī)學培訓、測試、藥理學等領域提供了新的平臺。