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胶原蛋白瞬时组装技术（TRACE）在组织工程与生物打印中的突破性应用

作者及机构
该研究由Xiangyu Gong（1,2,4）、Zhang Wen（2,4）、Zixie Liang（2,4）等共同完成，主要来自美国石溪大学（Stony Brook University）药理学系和耶鲁大学（Yale University）生物医学工程系。研究成果于2025年8月发表于Nature Materials（Volume 24, Pages 1307–1318），DOI: 10.1038/s41563-025-02241-7。

学术背景

科学领域：组织工程与生物材料，聚焦于胶原蛋白（Collagen I）的快速组装技术。
研究动机：胶原蛋白是人体细胞外基质（ECM, Extracellular Matrix）的核心成分，但其传统体外凝胶化过程耗时（需数十分钟）、可控性差，限制了其在生物打印和复杂组织构建中的应用。
关键问题：如何实现未修饰胶原蛋白（unmodified collagen）的瞬时组装，同时保持生物相容性和结构可调性？
研究目标：开发一种名为“可调快速组装胶原元件”（TRACE, Tunable Rapid Assembly of Collagenous Elements）的技术，通过大分子拥挤效应（MMC, Macromolecular Crowding）加速胶原凝胶化，实现从微观到宏观的多尺度组织构建。

研究流程与实验设计

1. MMC诱导的瞬时凝胶化

• 方法：使用8 kDa聚乙二醇（PEG8000）作为惰性拥挤剂（crowder），浓度200 mg/mL，通过剪切流变学验证凝胶化速度。
  
• 结果：胶原溶液接触PEG后1秒内形成凝胶边界，3分钟完成完全凝胶化（传统方法需40分钟）。扫描电镜（SEM）显示MMC促进胶原纤维致密排列（纤维直径缩小50%）。
  

2. 多尺度胶原结构构建

• 微观尺度（μ-束, Micro-bundles）：通过快速移液混合胶原与PEG，形成可调直径（2–30 μm）的纤维束。高浓度胶原（9.5 mg/mL）产生的μ-束更抗细胞收缩，支持血管内皮细胞（ECs）形成管腔网络。
  
• 宏观尺度（厘米级组织条带）：设计多通道PDMS器件，注入PEG后挤出胶原溶液，秒级成型条带。细胞分布均匀性提升80%（vs.传统模具法）。
  

3. 自由形式生物打印

• 创新支持浴（Trace Printing Bath）：将PEG8000与琼脂糖颗粒混合，实现中性pH下低浓度胶原（2 mg/mL）的高精度打印。
  
• 成果：打印心脏瓣膜、肠道模型等复杂结构，特征分辨率达7 μm，凝胶时间缩短至3分钟（传统方法需30分钟）。
  

4. 功能组织验证

• 血管工程：μ-束引导内皮细胞自组装为血管网络，VEGF刺激下生成连通管腔（ sprouting长度增加2倍）。
  
• 肠道类器官：人多能干细胞（hPSCs）条带原位分化为厘米级肠管，表达肠特异性标志物（Villin、Lysozyme），维持活性超5周。
  
• 心脏组织：打印的心室结构（细胞密度4×10⁷ cells/mL）展现同步钙瞬变和泵血功能（流速7.8 mm/s），持续77天。
  

主要结果与逻辑链条

1. MMC机制：PEG通过排除体积效应（excluded volume effect）压缩胶原分子间距，加速液-凝胶转变。
   
2. 结构可调性：胶原浓度与μ-束直径呈线性关系（R²=0.98），支持定制化ECM微环境。
   
3. 生物打印突破：TRACE支持酸性/中性胶原、宽浓度范围（2–24 mg/mL）打印，无需化学交联或紫外固化。
   
4. 功能验证：μ-束增强血管生成；hPSC条带分化为肠管证明几何形态引导细胞自组织能力。
   

结论与价值

科学价值：
- 首次将MMC效应应用于胶原生物打印，提出“瞬时组装”理论框架。
- 突破了未修饰胶原在复杂组织构建中的技术瓶颈，填补了高生物相容性与快速成型间的鸿沟。

应用价值：
- 再生医学：可打印血管化心脏、肠道等器官原型，推动移植研究。
- 疾病模型：纤维化肝肿瘤簇（fibrotic spheroids）等病理模型构建。
- 临床转化潜力：全胶原墨水（cell-laden bioinks）简化了FDA合规流程。

研究亮点

1. 方法创新：TRACE技术整合MMC、微流控和生物打印，实现从纳米纤维到厘米组织的全尺度控制。
   
2. 生物相容性：仅用未修饰胶原和PEG，避免化学修饰的毒性风险。
   
3. 跨学科融合：结合材料科学（PEG流体力学）、工程学（PDMS器件设计）和发育生物学（类器官诱导）。
   

其他重要内容

• 技术扩展性：TRACE可适配其他生物聚合物（如纤维蛋白、透明质酸）。
  
• 局限性：高浓度PEG可能影响细胞迁移，需进一步优化crowder类型（如葡聚糖）。
  

（全文约2000字，涵盖实验细节、数据支撑及领域意义）

注：专业术语如“大分子拥挤（MMC）”、“μ-束（Micro-bundles）”等在首次出现时标注英文原词，后续统一使用中文译名。