耶鲁大学利用大分子拥挤效应突破胶原蛋白组装难题，为组织工程和生物打印带来新思路

在组织工程与再生医学领域，Ⅰ型胶原蛋白（CollagenⅠ）因其卓越的生物相容性、低免疫原性以及作为细胞外基质主要组分的天然优势，被视为构建工程化组织的理想支架材料。然而，其体外应用长期受限于一个关键瓶颈：在中性 pH、生理相容条件下，胶原分子自组装形成稳定水凝胶的过程动力学缓慢且难以精确调控。传统的凝胶化方法通常需要数十分钟，且难以实现时空控制，这严重阻碍了胶原作为即时生物粘合剂或在生物打印中实现高精度、复杂结构及直接细胞整合的能力。

近日，耶鲁大学 Michael Mak 教授领衔的研究团队在 Nature Materials 上发表了题为“Instant assembly of collagen for tissue engineering and bioprinting”的研究论文，提出了一项突破性技术——TRACE（Tunable Rapid Assembly of Collagenous Elements，可调控的胶原元件快速组装）。该技术的核心在于创新性地应用了大分子拥挤（Macromolecular Crowding, MMC） 这一生物物理原理，成功解决了未修饰胶原蛋白的快速可控组装难题。

MMC 效应描述了在高浓度大分子环境中，由于排除体积效应，溶液中溶质分子的有效浓度增加，从而加速其相互作用的物理现象。团队发现，向体系中引入高浓度的惰性大分子拥挤剂，可显著加速胶原分子的液—凝胶转变过程。流变学分析明确显示，当中性胶原溶液与 PEG8000 接触后，其储能模量在室温下于数秒内急剧升高，表明凝胶网络瞬间形成。直观实验进一步证实，将微升级胶原液滴滴入 PEG8000 浴液，液滴边界在 1 秒内即清晰固化，整个凝胶过程约 3 分钟完成。并且，MMC 诱导形成的胶原纤维相较于传统缓慢凝胶化形成的纤维，直径更小、排列更为致密，更接近于体内天然胶原的微观结构。

图 | MMC 诱导胶原即时组装

TRACE 技术的突破性不仅在于实现了未修饰胶原的“即时”组装，更在于其强大的多尺度可控构建能力，为从微观到宏观的生理结构制造提供了统一平台。

在微观尺度，研究团队利用 PEG8000 浴液中剪切流诱导胶原自组装形成微米级活性纤维束。高浓度胶原前体形成的厚束结构因更高孔隙率，显著促进血管内皮细胞浸润及互连血管网络形成。在 VEGF 刺激下，厚束 EC 斑块在纤维蛋白凝胶中长出具有管腔的血管新芽，其出芽长度显著优于薄束结构，并维持 28 天稳定性，为工程化血管构建提供新策略。

在介观尺度，团队利用多通道 PDMS 装置实现细胞-胶原混合液秒级成型条带状凝胶，瞬时凝胶防止细胞沉降。应用此方法，负载人多能干细胞（hPSC）的胶原条带成功实现了原位定向分化为具有生理结构的肠组织。条带细胞最终自发组织形成厘米级肠管，培养可维持长达 5 周，并检测到肠上皮成熟标志物 Villin 及潘氏细胞（溶菌酶阳性）的出现。这为构建具有生理尺寸和复杂性的类器官提供了可扩展的新途径。

在宏观尺度，TRACE 技术通过开发“TRACE 支撑浴”实现突破性生物打印。该体系利用 MMC 效应使挤出中性胶原墨水即时原位组装，有效解决低浓度胶原打印扩散问题。打印结构仅需 3 分钟即可完整释放，结构完整性显著优于常规支撑浴。团队成功高保真打印多种厘米级解剖结构：2 mg /ml 中性胶原制成的心脏模型（半心/全心）及冠状动脉树；6 mg /ml 酸性胶原构建的薄壁葫芦、胃模型及心脏瓣膜。此外，在 800 mg /ml PEG20000 浴中结合 20μm 喷嘴高速打印，实现 5-10μm 级胶原微丝精确定制，为宏观结构引入微观拓扑控制提供新方案。

TRACE 技术最显著的成就之一是其卓越的生物相容性支持活细胞的直接打印，并最终形成具有长期活性和高级生理功能的组织。该过程完全避免了化学修饰、光交联或非生理添加剂的使用。

功能性心脏组织的直接打印实现重大突破。团队首次使用未修饰胶原墨水打印负载高密度心肌细胞的毫米级心脏腔室（心室/双心室）。打印组织达生理细胞密度，稳定维持 77 天。第 14 天观测到全组织同步钙瞬变，并对异丙肾上腺素（增频）及卡巴胆碱（降频）产生生理响应，表明心肌细胞间建立了有效的电耦合网络。最具功能说服力的是，打印的心室腔室展现出清晰的收缩/舒张周期，并能驱动腔室内流体产生泵送作用。

图 | TRACE 打印的心脏心室在培养第 14 天展现出泵血功能

本研究开发的 TRACE 技术通过大分子拥挤效应实现未修饰胶原蛋白的即时可控组装，突破传统动力学瓶颈，构建了支持多尺度精密制造的生物相容性平台——从微观可调谐纤维束到宏观高保真器官雏形。该技术直接整合活细胞产出具有血管化、电生理及泵血功能的高级组织，并保留天然胶原生物活性确保长期功能稳定性。作为通用平台，TRACE 显著拓展胶原蛋白在跨器官系统生物制造的应用边界，未来将在生物分子组装、组织发育研究、模块化器官构建、药物筛选模型及再生医学领域推动突破性进展，标志着可控多功能生物制造的关键进步。

参考链接：

1.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

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