人体组织和器官模型可以构建逼真的人体环境，具有成本低、实施方便等优点，已被广泛用于各种内科和外科的检查、手术训练、设备测试、术前诊断等。目前，基于水凝胶的器官模型由于具备与人体匹配的机械性能、润湿性、细胞相容性，在精确构建模拟环境方面备受关注。然而，理想的组织模型不仅要求能复制器官的形状和结构，还要具备在界面处能模拟器官物质交换的功能，这对目前的仿生水凝胶人体模型仍然是一个很大的挑战。

中科院兰州化学物理研究所周峰研究员、王晓龙研究员等人通过金属离子诱导的水凝胶在热裂解模板上的界面超分子组装，实现了具有内部通道、梯度结构和器官生物功能的水凝胶人体器官模型。藻酸盐/Ca2+水凝胶层可在模板上通过快速扩散诱导凝胶化过程进行原位生长，去除模板后便可得到具有连接通道且结构完整的水凝胶结构。基于该水凝胶，作者通过复制管状结构来模仿器官的基本轮廓，设计了一系列人体模型，包括分支血管、消化系统、远端肺亚单位以及肾小球。该工作为构建具有腔结构的基于水凝胶的仿生人体模型铺平了道路，在体外生物医学培训、测试、药理学等领域具有潜在的应用前景。该研究以题为“Growing Hydrogel Organ Mannequins with Interconnected Cavity Structures”的论文发表在《Advanced Functional Materials》上。

【水凝胶器官模型的制备】

作者将热裂解模板的3D打印与水凝胶的原位生长相结合，实-现了制备任意形状的中空结构水凝胶。首先，作者将明胶和ι-角叉菜胶（ι-CA）混合以制成可印刷的墨水，其流变特性取决于明胶上-NH2和ι-CA上-SO3-之间的强静电相互作用、氢键，以及两者链的物理缠结。然后，作者通过热场辅助直接墨水印刷技术得到热裂解模板，并通过快速离子扩散诱导凝胶化在其上原位生长了物理交联的藻酸盐/Ca2+水凝胶层。最后将其转移到70°C水浴中进行溶胶-凝胶转变，从而除去内部模板，最终得到具有互连腔结构的理想水凝胶。

图1中空结构水凝胶的制备过程

图2制备的中空结构水凝胶器官模型

【水凝胶器官模型的体外模拟】

作者对所得的水凝胶器官模型进行了体外模拟，首先采用医用导丝研究了水凝胶血管模型的血管内介入。结果表明，与传统材料相比，该水凝胶的亲水特性赋予了导丝导航过程中有效的水润滑，使其更接近真实条件和环境，因此导丝尖端在水凝胶管内移动更顺畅，具有更低的摩擦系数和更稳定的摩擦行为。作者还展示了另一种水凝胶消化系统模型，用于模拟体外受控的药物递送过程。与传统的玻璃模型相比，该水凝胶消化系统模型可以模拟基本的物理化学性质，并为一些研究提供逼真的几何形状和通道。因此，体外水凝胶人体模型具有柔韧、润滑以及与组织匹配的机械性能等特性，可以提供相似的物理化学条件和逼真的生理环境，这对于体外测试和医疗设备培训等实际应用至关重要。

图3水凝胶消化系统模型中的受控药物递送

【实体器官模型的生物功能模拟】

作者研究了水凝胶模拟具有通道和腔室的实体器官的潜力。首先制造了中空结构水凝胶以模拟具有肺毛细血管网络和肺泡囊的远端肺亚单位，由此所得的远端肺亚单位模型具有独特的内室和外部分支通道。当从远端细支气管进行换气时，肺泡囊发生相应的扩张和收缩，实现外部肺毛细血管中的液体运输。作者还展示另一种水凝胶肾小球模型的通过物质交换构建仿生环境的潜力。当染色水流过模型内部通道时，染料分子可通过源自水凝胶质量传输的渗透过程交换到水凝胶腔室中。因此，该水凝胶器官模型可以作为潜在的平台，为类似于生物体的物质交换提供动态环境，是未来用于真实模拟生理功能的模型的重要候选者。

图4实体器官模型的生物功能模拟

总结：作者通过热场辅助直接墨水印刷技术制造了热裂解水凝胶模板，并通过快速离子扩散诱导凝胶化在其上原位生长了物理交联的藻酸盐/Ca2+水凝胶层。去除模板后，便可获得具有互连腔体、梯度结构的生物结构水凝胶。基于该水凝胶，作者构建了人体器官模型用于模拟血管、受控药物递送的消化系统、可进行界面物质交换的远端肺亚单位和肾小球。此类能模拟生物体动态生理环境的水凝胶人体器官模型为体外生物医学培训、测试、药理学等领域提供了新的平台。