《Materials Today Bio》：Multiscale design of core-shell GelMA-alginate composite microspheres enabling spatially compartmentalized co-culture of skin cells
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生物材料基水凝胶因其生物相容性及模拟天然皮肤微环境的能力，被广泛用作皮肤再生的伤口敷料和细胞递送载体。然而，大多数策略依赖于在均质水凝胶基质中封装单一细胞类型，这未能重现伤口愈合所必需的成纤维细胞-角质形成细胞串扰。这一限制源于缺乏平衡真皮成纤维细胞和表皮角质
生物材料基水凝胶因其生物相容性及模拟天然皮肤微环境的能力，被广泛用作皮肤再生的伤口敷料和细胞递送载体。然而，大多数策略依赖于在均质水凝胶基质中封装单一细胞类型，这未能重现伤口愈合所必需的成纤维细胞-角质形成细胞串扰。这一限制源于缺乏平衡真皮成纤维细胞和表皮角质形成细胞不同增殖动力学及功能作用所需空间区室化。因此，需要能够空间定义多细胞组织并控制细胞间相互作用的平台。在此，研究人员报道了一种通过同轴电喷雾制备的多尺度工程核壳结构明胶甲基丙烯酰（GelMA）-海藻酸盐复合微球平台，用于在区室化微环境中空间组织成纤维细胞和角质形成细胞的共培养。通过调节GelMA分子特性和电喷雾参数，制备了单分散核壳微球以支持稳健的区室化细胞封装。在微观尺度上，受控电喷雾结合离子交联海藻酸盐增强壳层决定了核壳几何形状和结构完整性。所得微球表现出高封装后细胞活力，实现了异型细胞群精确空间区室化，并在共培养条件下显著增强了早期角质形成细胞增殖。逐渐的微球降解促进了体外细胞释放和重组为汇合片状组装体，而高产率制备证明了同轴电喷雾方法的可扩展性。总之，这项工作确立了空间区室化作为实现空间调节异型细胞相互作用、防止成纤维细胞过度生长以及为空间控制皮肤细胞递送和组织工程提供模块化、可直接部署多细胞平台的多尺度设计原则。
该研究针对皮肤再生中成纤维细胞与角质形成细胞空间串扰缺失及传统水凝胶系统无法平衡细胞竞争性生长的问题，开发了基于GelMA与海藻酸盐的多尺度核壳微球平台。研究人员首先通过调控甲基丙烯酸酐（MAA）与明胶投料比合成不同取代度（DS）的GelMA，利用1H-NMR和TNBSA法定量DS值（DS40、DS60、DS90），并通过流变学表征其溶液黏度与凝胶储能模量（G'）。随后采用同轴电喷雾技术，以GelMA-DS40为核、GelMA-DS90/0.5%海藻酸盐为壳，优化电压、流速、喷嘴尺寸等参数制备单分散微球，并利用荧光标记海藻酸盐结合共聚焦显微镜调控壳层厚度。细胞实验采用原代人真皮成纤维细胞（HDFs）与hTERT永生化新生儿角质形成细胞（kerCTs），以5:1比例分别封装于核壳层，通过活/死染色、Ki67免疫荧光及谱系标志物（角蛋白5/K5、波形蛋白）染色评估细胞活力、增殖及空间分布，并结合微球降解实验观察细胞释放与宏观组织重构。
结果与讨论
3.1 分子尺度复合设计：GelMA合成与可调力学性能
研究人员通过调整MAA与明胶投料比（0.05、0.063、0.1 mL/g）成功合成不同DS的GelMA，经1H-NMR证实甲基丙烯酰胺接枝成功，TNBSA法测定平均DS分别为41.73±3.68%（DS40）、57.10±2.40%（DS60）和90.74±4.33%（DS90）。流变学分析显示，15% GelMA溶液均呈剪切稀化行为，且黏度随DS增加而降低；振荡时间扫描表明，10%和15% GelMA水凝胶在UV照射下G'迅速上升并稳定，而5%浓度因交联不足未能形成稳定凝胶。细胞增殖实验发现，5% GelMA-DS40和5% GelMA-DS90/0.5%海藻酸盐中HDFs和kerCTs增殖显著高于高浓度组，但低浓度难以维持微球结构稳定性。综上，选择GelMA-DS40为软核、GelMA-DS90/0.5%海藻酸盐为高强壳层，以平衡细胞生长与结构完整性。
3.2 微观尺度复合结构：核壳GelMA-海藻酸盐微球制备
研究人员优化同轴电喷雾参数，发现10% GelMA-DS40核与10% GelMA-DS90/0.5%海藻酸盐壳在9 kV电压下可形成单分散微球（平均直径382±26 μm）。通过调节核壳流速比（5:10、2.5:12.5、1:14 mL/h）可实现壳层厚度（表观面积占比）从28.97±5.30%到93.25±3.36%的连续调控，正交共聚焦成像证实核壳结构均匀性。最终选择2.5:12.5 mL/h流速比（壳层占比约70%），以兼顾核层营养扩散与壳层细胞容量。
3.3 区室化共培养：微观尺度成纤维细胞-角质形成细胞空间串扰
HDFs在核层密度4×106cells/mL时形成细胞网络，kerCTs在壳层20×106cells/mL时增殖活跃。共培养1-3天微球内细胞活力维持在74%-76%，第7天降至40%±9.85%，归因于静态培养下营养扩散受限。Ki67染色显示，共培养第1天kerCTs增殖较单培养提高约4倍，证实核壳结构通过空间分隔实现旁分泌信号调控而不引发成纤维细胞过度生长。免疫荧光染色（K5/波形蛋白）及三维重建证实，HDFs（波形蛋白阳性）与kerCTs（K5阳性）分别局限于核壳区室，7天内无明显跨区室迁移。
3.4 降解驱动的皮肤细胞宏观组织重构
微球在培养7天后开始降解，14天时结构完全解体，释放的细胞重组为上皮样片状结构。K5阳性角质形成细胞形成连续上皮层，波形蛋白阳性HDFs主要分布于上皮层边缘，与天然皮肤表皮-真皮空间关系一致。Ki67染色证实释放后细胞仍具增殖活性。连续电喷雾3分钟可在90 mm培养皿实现70%覆盖率，证明平台可扩展性。
结论
该研究通过GelMA分子设计与同轴电喷雾技术，构建了具有可调力学与空间结构的核壳微球平台，实现了皮肤细胞高效区室化共培养与降解介导的宏观组织重构。研究确立了空间区室化作为多尺度设计原则，为皮肤再生提供了可直接部署的模块化细胞递送系统，成果发表于《Materials Today Bio》。
