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生物结构本质上是复杂的。结构层次，化学各向异性和组成异质性在生物系统中无处不在，并在生物系统的功能中发挥关键作用。几十年来，诸如软光刻的方法通过对2D分子图案进行精确的空间控制，使得这种布置得以再现。随着技术的进步以及对分子和结构生物学的日益深入的理解，人们对以3D重建此类空间组织的兴趣日益浓厚。最近，伦敦玛丽皇后大学AlvaroMata教授团队在《先进功能材料》上发表了题为3DPatterningwithinHydrogelsfortheRecreationofFunctionalBiologicalEnvironments综述，作者介绍用于组织工程应用的水凝胶内功能分子的3D模式创建的最新技术的全面摘要。根据用于制造图案的主要驱动力，将审查分为五组技术，包括光，精确的化学设计，微流体，3D打印和非接触力（即电场，磁场或声场和自部件）。
1介绍
1.1自然与生物系统的模式
大自然充满了美丽的结构，展现出精确形状和大小的重复图案。但是，这些模式绝不仅仅是美学特征，而是运动，繁殖，保护和营养的必要条件。例如，飞鹅显示的美丽的V形图案（图1A）有助于羊群感知周围环境并在整个群体中快速传递信息。动物皮肤（例如长颈鹿，豹子或斑马）上存在的黑色素斑点或图案条纹的周期性，以及鸟类羽毛上的颜色梯度（图1B）用作伪装，信号或识别。树木在遇到外部因素（例如风，光，竞争者以及生物或非生物应激源）时，会以最小的能量消耗形成分支模式（图1C）以保持其结构特性。这些美丽而实用的图案是自然界演化出的精确空间组织的直接结果。
图1自然界中的图案。
1.2需要重现结构和化学各向异性
模块化组织工程（TE）策略已被开发出来，通过从下至上制造活动的构建基块来工程化组织和器官。实现图案的需求和潜力并不是什么新鲜事。Whitesides及其同事在二十多年前开发的软光刻技术已在细胞生物学，生物化学，生物技术和生物工程领域产生了巨大影响。这些示例说明了2D或2.5D地形线索可能会对研究或重建生物过程的能力产生影响（图2A）。想象一下，如果能够轻松地在复杂的3D环境中制造相似的图案（图2B），则可以想象。
图2从2D到3D仿生环境。
1.3综述目的
在这里，作者回顾了能够在水凝胶中制造功能性3D模式的领先技术。作者将3D模式定义为在水凝胶内部定位的明确定义的生物功能异质性，赋予其空间定义的生化或结构特性。根据用于制造图案的主要驱动力将审查分为五组技术，包括光，化学设计，微流体，3D打印以及涉及电场，磁场，声场或自组装的非接触力（图3）。
图3制作3D图案的方法。
2通过照相制版制作图案
光已被广泛用于在水凝胶中产生图案。光图案化需要能够在曝光后发生反应的部分（光敏或光敏）。将这一部分分为不同的多层图案化技术，后者使用光同时创建图案和凝胶（图4A）和后凝胶化图案技术，后者在凝胶化之后创建图案（图5A）。
图4通过光图案化，多层图案化技术制作图案。
图5通过光图案化，后凝胶化图案化技术来制作图案。
2.2建后模式
凝胶化后的图案化需要包含反应性光敏部分的合成水凝胶（图5A）。在此，根据模板掩膜的使用（例如，掩模光刻（MP）或直接激光光刻）来划分凝胶化后的图案化技术（聚焦激光照射（FLI）和双光子激光扫描光刻（TPLSP））（图5B–F）。
2.2.1掩模光刻
使用通过软光刻制造的母版的概念已扩展到MP中水凝胶的3D图案化。通过使用掩模覆盖暴露在水之下的水凝胶表面，选择性照射的未掩模区域会发生光反应，从而形成结构和生化模式（图5B）。
3通过精确的化学设计制作图案
化学（生物）缀合反应，例如生物素-链霉亲和素或酪胺-过氧化物的缀合，PEGygaltion，肽的缀合以及偶联-点击反应已被广泛用于生产细胞反应性材料。其中，点击化学已被证明是在温和条件下以高效率和选择性，高收率和无害副产物结合功能分子的强大工具。点击化学前体的正交性使其成为水凝胶合成（图6A）和诸如细胞移植，药物递送，体外模型和治疗等应用的可行候选者。
图6通过精确的化学设计制作图案。
3.1基于PEG的水凝胶骨架
Anseth和他的同事首先提出了使用Click水凝胶来进行细胞包封和通过四臂PEG四叠氮化物和双（二氟代环辛炔）双功能化多肽之间的双正交的Huisgen环加成法来制作图案的方法。
3.2糖胺聚糖和基于蛋白质的水凝胶骨干
还已经探索了其他水凝胶作为利用点击化学将功能分子图案化的聚合物主链。例如，通过两步点击光诱导反应制备的降冰片烯官能化HA水凝胶已用m宽的硫醇官能化肽条进行了图案化（图6F）。
4通过微流控技术制作图案
体内ECM的生化和生物力学特性直接影响细胞行为。
4.1微流控
在过去的20年中，已经提出了多种使用微流体技术对水凝胶和细胞进行图案化的方法。例如，在微腔设备中，通过层流将Matrigel图案化成–m宽的平板，方法是将多达五个入口通道组合在一起，从而实现生物分子的共培养和梯度洗脱。其他示例包括通过对流混合微流体设备生成胶原蛋白梯度，原代造血干细胞模式化，ECM成分和多个细胞模式化以重建肿瘤位（图7A）。通过一种复杂的方法，通过向多个入口微流控芯片添加气动阀，在功能上使20m水凝胶微纤维在空间上具有可调节的结构和化学特征，从而在纤维内控制肝细胞和成纤维细胞的共培养组织（图7B）。微流控已经成为一种通用且对细胞友好的图案化技术，允许使用多种类型的水凝胶，同时允许使用流动来操纵细胞（图7C）。
图7通过微流控制备图案。
5通过3D打印制作图案
在过去的五年中，对用于组织工程和生物工程的增材制造的兴趣呈指数增长。油墨材料的多功能性和可调整性，可扩展性，微尺度精度和制造结构的坚固性使3D打印得以发展。
5.1模仿血管的3D打印模式
人造组织的功能取决于适当的可灌注脉管系统中细胞和ECM的组装。为了实现这一目标，3D打印已经能够使用牺牲性策略在水凝胶中制造类似血管的结构，以产生空心结构。利用明胶的热敏特性，该方法已被用于在胶原蛋白和纤维蛋白水凝胶中打印1mm宽的牺牲明胶图案，从而产生了内皮化的可灌注血管样网络。同样，热敏性PluronicF已被用作GelMA中的牺牲材料来工程化血管系统（图8A），印刷的琼脂糖纤维已被用作牺牲品，以将类似血管的图案生成各种水凝胶（图8B）。无需牺牲策略即可制造类似血管的结构。例如，在非牺牲方法中，通过使微流体设备适应3D打印机，用单个或两个生物分子对GelMA血管网格进行构图（图8C）。
图8通过3D打印制作图案。
6通过非接触力制作图案
电场，磁场和声波以及自组装的相互作用也可以用作操纵力，以设计3D环境中特定生物功能线索的模式。
6.1电图案
传统上，电场已用于刺激细胞群体。但是，非均匀（介电泳）（图9A–C）或均匀（电泳）（图9D）电场也已用于创建3D模式。Albrecht等人的开拓性工作。报道了一种在电泳过程中在微凝胶中产生m宽条纹图案的细胞的报道。
6.2磁光成像
磁力还可用于在3D环境中动员和定位提示和单元。例如，将磁性标记的人类黑素瘤M1和成纤维细胞一起培养，并通过销钉固定器和磁体专门定位以模仿肿瘤环境。
6.3助听器
声光止血技术最近已被用作一种清洁（即远程控制）的技术来生成复杂的细胞模式。该技术利用细胞与周围流体之间的密度差异，促进细胞向压力最小的声波节点平面迁移。类似地，法拉第波施加到纤维蛋白水凝胶上，促进了iPSC衍生的心肌细胞形成多个20m厚的层，超声驻波在空间上将水凝胶内-m宽的成肌细胞群体组织在一起。后来的研究还证明了生产机械各向异性支架的可能性（图9E）。类似地，采用超声波体声波将藻酸水凝胶中的hADSC优先排列成条纹状。通过在过程中使用七边形声镊实现对定位，方向和图案几何形状的更高控制，该镊子用于在自由水凝胶中的DRG共培养物中创建多种类型的雪旺细胞图案（图9F）媒体。
图9图案形成的非接触力。
6.4通过自组装进行构图
自组装提供了使用非共价力（即氢键，疏水相互作用，π–π堆积）从下往上生长，包括具有图案的3D水凝胶的可能性。这种方法之所以特别有吸引力，是因为它为制造和创建细胞和亚细胞大小尺度的结构和化学模式提供了机会，从而促进了材料-细胞相互作用的优化。此外，自组装还可以自发地创建具有纳米级精度和受控分子表示的图案，而无需外部力。例如，在液-液界面处产生的疏水力已被用来引导PEG微凝胶组装成线性，分支或偏移的聚集体，从而支持成纤维细胞的包封（图9G）。
参考文献：doi.org/10.2/adfm.209574
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