1秒！Nature Materials：即时组装的胶原蛋白！

小奇

2025-06-13

胶原蛋白I 是细胞外基质的主要成分，广泛应用于组织工程和生物打印领域。然而，传统胶原蛋白凝胶化过程通常需要数十分钟，限制了其在需要快速成型或精确定位的应用中的使用。此外，传统方法难以精确控制胶原蛋白的组装过程，尤其是在微观和宏观尺度上。因此，开发一种能够快速、高效地组装胶原蛋白的方法，一直是该领域的研究热点。

成果简介

近日，纽约州立大学石溪分校Michael Mak等人提出了一种名为“可调谐快速组装胶原蛋白元素（tunable rapid assembly of collagenous elements, TRACE）”的创新技术。该技术利用大分子拥挤（MMC）效应，实现了胶原蛋白的快速组装，将凝胶化时间显著缩短。这一技术不仅提高了胶原蛋白组织构建的效率，还为构建具有复杂结构和生理功能的组织提供了新的可能性。

即时胶原蛋白组装

研究团队通过在中性条件下向胶原蛋白溶液中添加200 mg/ml 的 8 kDa 聚乙二醇（PEG8000），利用大分子拥挤效应实现了胶原蛋白的快速组装。实验表明，当微升量的中性化胶原蛋白滴液接触到PEG8000 溶液时，其边界会在 1 秒内 迅速形成，随后整个滴液从边缘向中心逐渐凝胶化，整个过程大约需要 3 分钟。相比之下，常规条件下胶原蛋白需要40 分钟 才能完成凝胶化。这种快速凝胶化不仅提高了效率，还显著改善了细胞分布和组织的生物活性。

图 1 | MMC 诱导的即时凝胶化促进快速、多尺度胶原蛋白制造

微尺度胶原蛋白纤维束

基于MMC 促进的即时胶原蛋白组装原理，研究团队进一步开发了一种快速生成可调谐胶原蛋白微纤维束网络的方法。通过将胶原蛋白溶液快速注入PEG 浴中，利用混合产生的剪切流，胶原蛋白在 MMC 的作用下迅速聚合形成微尺度纤维束。这些纤维束可通过离心收集，用于后续的组织培养应用。实验表明，通过调整胶原蛋白前体溶液的浓度，可以调节纤维束的厚度和密度，从而实现从微观到宏观的多尺度结构构建。

宏观胶原蛋白构建

研究团队还展示了利用MMC 实现宏观胶原蛋白组织的快速制造。通过在聚二甲基硅氧烷（PDMS）基多通道装置中填充 PEG 溶液，然后将胶原蛋白溶液通过通道注入，能够在几秒钟内形成条带状胶原蛋白凝胶，并将其从出口冲洗出来。这种方法不仅提高了生产效率，还改善了细胞分布，可用于制造具有几何引导形态发生的多能组织。此外，该方法还支持细胞负载，能够直接在条带中培养具有生理功能的组织。

血管工程应用

研究团队探索了将胶原蛋白微纤维束作为血管内皮细胞（ECs）的组织支架的潜力。实验表明，ECs 能够在微纤维束上快速自组装形成血管网络，并在 5 天内形成具有高孔隙率和高细胞活性的血管组织。厚纤维束形成的血管组织在血管生成潜力方面表现出显著优势，能够支持ECs 的长期存活和功能维持。此外，厚纤维束形成的血管组织在血管生成实验中表现出更高的分支长度和更稳定的结构。

肠道组织构建

研究团队利用TRACE 方法构建了宏观的肠道组织。通过将人类诱导多能干细胞（hPSCs）制成的条带状组织在基底膜凝胶中培养，经过定向内胚层诱导和中后肠诱导，最终形成了具有中央管腔和周围隐窝样芽的自组织管状组织。这些肠道组织能够维持长达五周，并表现出类似生理肠道组织的特征。此外，该方法还支持从原代小鼠肠道细胞构建类似肠道的管状结构。

超薄胶原蛋白丝打印

研究团队进一步探索了利用TRACE 方法进行超薄胶原蛋白丝的精确打印。通过在高浓度PEG 浴中使用定制的细喷嘴，能够在高打印速度下生成连续的超薄胶原蛋白丝，其宽度可达 5-10 um。这些超薄丝具有高度排列的胶原蛋白纤维，能够实现宏观长度尺度上的微观分辨率打印。

图 4 | 多尺度快速自由成型打印胶原蛋白

3D 胶原蛋白打印

研究团队还开发了一种基于MMC 的增强型嵌入式 3D 胶原蛋白生物打印技术。通过将PEG 溶液与剪切屈服的琼脂糖基颗粒支持浴混合，形成 TRACE 支持浴，能够在生物墨水挤出时诱导胶原蛋白的即时组装。实验表明，与常规支持浴相比，TRACE 支持浴能够显著提高低浓度胶原蛋白墨水的打印精度，减少墨水扩散，并缩短后打印凝胶化时间。

图 5 | 利用 TRACE 实现稳健的胶原蛋白基细胞组织打印

小结

本研究通过利用大分子拥挤效应开发的TRACE 方法，实现了胶原蛋白的快速组装和精确打印，将凝胶化时间显著缩短至3分钟以内，边界形成时间缩短至1秒以内。这一技术不仅为组织工程和生物打印提供了新的解决方案，还为构建具有复杂结构和生理功能的组织开辟了新的可能性。未来，TRACE 方法有望在更多类型的胶原蛋白丰富材料和生物聚合物溶液中得到应用，为再生医学和组织工程领域带来更多的创新和突破。

参考文献：

Gong, X., Wen, Z., Liang, Z. et al. Instant assembly of collagen for tissue engineering and bioprinting. Nat. Mater. (2025). 

https://doi.org/10.1038/s41563-025-02241-7