基于液滴微流控的可定制多孔GelMA微球，实现3D空间可控细胞共培养-北京永康乐业科技发展有限公司

近期，西南交通大学王垚磊副教授、郭建秀老师与无锡市第五人民医院刘洪副主任医师合作，提出了一种新的策略，通过液滴微流控和占位符生成多孔GelMA微球，作为构建三维空间可控细胞共培养的支架。多孔GelMA微球的孔径、孔隙数量和粒径均可以灵活调控。相关研究以“Microfluidic Droplet-Based Tailorable Porous GelMA Microspheres for 3D Spatio Controllable Cell Coculture”为题目，发表在期刊《Advanced Materials Technologies》上。

本文要点：

1、本研究提出了一种基于液滴微流控技术结合占位符的简便方法，用于制备具有可定制孔隙结构和尺寸的GelMA微球，以构建具有空间可控细胞分布的3D共培养模型。

2、研究中利用ATPS（双水相体系）乳液模板生成占位符，并通过UV交联和螯合反应形成多孔GelMA微球。

3、以肝细胞癌（HCC）模型为例，将HepG2细胞封装在微球外侧，HUVEC细胞封装在孔隙内，结果表明，3D共培养模型中的细胞活性、增殖能力和药物抗性均优于对照组。

4、该方法为体外构建3D组织模型提供了一种新途径，可用于组织工程、细胞运输和药物筛选等领域。

多孔GelMA微球的具体制备步骤如下：

1、制备ATPS体系：

将8 g的聚乙二醇（PEG, 8 kDa）和8 g的右旋糖酐（Dex, 500 kDa）加入到含有84 mL无菌水的烧杯中，搅拌12小时以达到相平衡，上层为PEG富集相，下层为Dex富集相。

2、制备Alg-Ca微球（占位符）：

将1 wt%的Dex-Alg溶液加入到Dex富集相中，并将10 wt%的CaCl₂溶液加入到PEG富集相中以制备PEG-CaCl₂溶液。

通过振荡混合Dex-Alg和PEG溶液（体积比为1:3），形成Dex-Alg/PEG乳状液。

然后将乳状液注入10 wt% PEG-CaCl₂溶液中进行离子交联，形成单分散的Alg-Ca微球。

3、多孔GelMA微球的生成：

将Alg-Ca微球与GelMA前体溶液按照1:3的体积比混合，形成分散相。

用注射泵将分散相以20 μL/min的流速泵入液滴微流控装置，同时以100 μL/min的流速泵入连续相（植物油）。

在液滴生成单元中形成液滴后，通过紫外线交联固化，生成Alg-Ca/GelMA微球。

4、形成多孔结构：

用50 mM EDTA溶液螯合去除Alg-Ca微球，从而在微球内部形成多孔结构。

5、纯化与灭菌：

用PBS对生成的GelMA微球清洗3-5次以去除残留的植物油，并使用10%灭菌链霉素和青霉素PBS溶液进一步清洗。

紫外线灭菌12小时。

上述步骤确保制备的多孔GelMA微球具有优异的单分散性和良好的生物相容性，适用于3D细胞培养及组织工程应用。

所制备的多孔GelMA微球在3D共培养模型中具有以下优势：

1、空间可控的细胞分布

GelMA微球支持异质细胞的空间分布，将不同细胞精准地封装在指定位置（例如HUVEC细胞在孔隙内，HepG2细胞在孔隙外），能够更好地模拟体内组织微环境。

2、良好的生物相容性与可定制物理特性

GelMA具有优异的生物相容性，且其孔隙结构和尺寸可以通过占位符技术灵活调整，从而适配不同细胞和组织模型需求。

3、改善营养和废物交换

多孔GelMA微球结构通过提高氧气和营养物质的扩散能力，同时促进代谢废物的排除，解决了传统非多孔微球在扩散受限方面的缺陷。

4、确保细胞增殖与活性

在3D共培养模型中，GelMA微球内部和表面提供更优越的附着与生长环境，显著提高了细胞的生长和代谢活性。

5增强功能表现

GelMA微球模型在功能蛋白分泌（如白蛋白和MRP）以及抗药性（如对DOX和CIS）方面均优于对照模型，显示出卓越的生物学功能模拟能力。

在研究中，HCC共培养模型在第7天显示出初步的血管化结构，进一步提升整体功能表现。

图1.制备多孔GelMA微球的示意图。

图2.多孔GelMA微球的特性。A1）海藻酸钙微球的光学图像。A2）海藻酸钙微球尺寸分布统计。B1）多孔GelMA微球的光学图像。B2）多孔GelMA微球尺寸分布统计。C1）多孔GelMA微球表面的SEM图像。C2）多孔GelMA微球横截面的SEM图像。D1）多孔GelMA微球对HepG2细胞的细胞毒性。D2）多孔GelMA微球对HUVEC细胞的细胞毒性。