想象一下，为外科医生更换一个患病或受伤的器官，进行功能齐全的实验室植入物替换手术。这仍然是科幻小说，而不是现实，因为今天的研究人员试图将细胞组织成复杂的3D排列，我们的身体可以自己掌握。
在实验室培养器官和组织的过程中，有两个主要障碍需要克服。首先是使用生物相容的3D支架，细胞可以在其中生长。第二种方法是用正确配置的生化信息装饰支架，以触发所需器官或组织的形成。
作为将这一希望变为现实的重要一步，华盛顿大学的研究人员开发了一种技术，可以通过使用影响细胞行为的基于蛋白质的生化信息来修饰天然存在的生物聚合物。他们的方法发表在《美国国家科学院院刊》年1月18日那一周。这种方法使用近红外激光触发蛋白质信息与生物聚合物(如胶原蛋白)制成的支架的化学粘附，生物聚合物是遍布我们全身的结缔组织。
威斯康星大学化学工程和生物工程副教授科尔德福特说，哺乳动物细胞对附着在3D支架上的蛋白质信号的反应符合预期。这些支架上的蛋白质触发了细胞内信息传递途径的改变，从而影响细胞生长、信号转导等行为。
德福特说，这些方法可能会形成基于生物的支架的基础，这些支架有一天可能会使功能实验室中生长的组织成为现实。他还是西澳大利亚大学分子工程和科学研究所以及西澳大利亚大学干细胞和再生医学研究所的教员。
德福特说：“这种方法为我们提供了我们一直在等待的机会，可以更好地控制天然衍生生物材料的细胞功能和命运——不仅在三维空间，而且随着时间的推移。”“此外，它利用了在4D可以控制的极其精确的光化学，同时独特地保留了蛋白质的功能和生物活性。”
德福特在这个项目上的同事是第一作者，前UW化学工程和生物工程博士后研究员伊万巴塔洛夫和合著者凯里史蒂文斯，后者是UW生物工程和实验室医学与病理学的助理教授。
他们的方法是该领域的第一种方法，它在空间上控制天然生物材料内部的细胞功能，而不是合成衍生材料。包括德福特在内的几个研究小组已经开发了基于光的方法，通过使用蛋白质信号来修饰合成支架。然而，天然生物聚合物对于组织工程来说可能是更有吸引力的支架，因为它们天然地具有细胞为结构、通讯和其他目的所依赖的生化特性。
德福特说：“像胶原蛋白这样的天然生物材料固有地包含许多与天然组织中发现的信号线索相同的信号线索。”“在许多情况下，这些类型的材料通过向细胞提供类似于体内遇到的信号，让细胞‘更快乐’。”
他们研究了两种类型的生物聚合物：胶原蛋白和纤维蛋白，一种参与血液凝固的蛋白质。他们将它们组装成一种叫做水凝胶的充满液体的支架。
研究小组给水凝胶添加的信号是蛋白质，它是细胞的主要信使之一。蛋白质有很多种形式，它们都有自己独特的化学特性。因此，研究人员设计了他们的系统，并采用了一种将蛋白质附着在水凝胶上的通用机制，即两个化学基团(烷氧基胺和醛)之间的结合。在水凝胶组装之前，他们用烷氧基胺基团修饰胶原或纤维蛋白前体，并用“笼子”物理封闭，防止烷氧基胺过早反应。笼子可以用紫外或近红外激光拆除。
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