3D打印让微流控技术和器官芯片的完美结合

2020-12-24

“据麦姆斯咨询报道，在最近发表的《一种开发新型器官芯片的新方法：将增材制造与微流控技术相结合》的文章中，我国研究人员正在探索一种复杂但日趋流行的3D打印主题，将该技术与器官芯片（organs-on-chips, OOCs）等装置相结合。”

据麦姆斯咨询报道，在最近发表的《一种开发新型器官芯片的新方法：将增材制造与微流控技术相结合》的文章中，我国研究人员正在探索一种复杂但日趋流行的3D打印主题，将该技术与器官芯片（organs-on-chips, OOCs）等装置相结合。

随着增材制造持续推动研究和其他领域的新发展，如教育（几乎覆盖每个年级，直到最高学位）和工程学，器官芯片（用于模仿人体器官功能的微流控平台）等领域也在持续进行更大的创新。

尽管器官芯片还处于初级阶段，且缺乏必要的可调节性，但随着科学家们越来越接近成功将3D打印器官移植到人体内的目标，该领域已经取得了令人难以置信的进步。虽然生物打印取得了长足的进步，但是由于组织工程的微妙特性，该技术仍然充满挑战。

器官芯片和生物打印发展的重要时间表和里程碑

       最近，研究人员为基于器官芯片的生物打印做出了新的努力，包括以下项目：
       - 大规模集成微流控芯片
       - 精密的3D蜂窝结构
       - 可实现稳定环境维护的流量控制
       - 组织/器官水平结构的生成
       - 组织间接口

将增材制造与微流控技术集成到器官芯片上的概念

不同工作原理的3D细胞打印方法示意图：（a1）微挤出打印；（a2）喷墨打印；（a3）激光辅助打印；（b1）组装好注射泵的挤出机和打印机渲染图；（b2）大学logo 3D生物打印的延时序列；（b3）基于喷墨打印出来的胶原心和胶原心横截面图；（c1）由两种模式组成的3D棋盘示意图；（c2）大学logo的图案；（c3）同心圆，局部圆图案和‘笑脸’，通过打印含有番茄NIH 3T3成纤维细胞（红色）的荧光墨水（绿色）和酸性墨水（蓝色）获得（比例尺：200 μm）；（c4）基于水凝胶的生物打印微流控芯片（比例尺：1 mm，激光辅助打印）；（d1）激光直写示意图；（d2）人造微珠和载细胞（比例尺：200 μm）；（d3）MDA-MB-231 3D聚集体的共聚焦显微镜图像（比例尺：100 μm）。以上图片经美国科学促进会许可转载。

       生物打印通常分为基于支架的方法和不基于支架的方法。基于支架的生物墨水旨在：
       - 与细胞互动
       - 为细胞载入提供载体
       - 为组织形成搭建支架

它们通常从明胶或藻酸盐等材料中自然提取，也可以从聚乙二醇和Pluronic等材料中合成而来。

研究人员指出，“在充满细胞的水凝胶中，通常将包含生长因子，其他细胞外基质（extracellular matrix, ECM）相关蛋白质在内的生物活性成分包裹起来，以增强细胞黏附、细胞增殖或分化。被打印水凝胶的固化通过热交联、光交联或离子/化学交联来实现。最近，水凝胶生物墨水已掺入纳米材料，以改善其坚固性和细胞分化。”

       随着生物打印技术的不断发展，我们已经看到：
       - 肝芯片
       - 生物打印心脏芯片
       - 血管芯片

3D生物打印器官芯片的特性分析还在继续，研究人员使用生物化学和生物力学分析评估其开发和功能。正如研究团队指出的那样，在器官芯片的开发中，细胞活性是一个‘基本参数’。生物化学研究也被用于测试器官芯片的遗传和蛋白质表达信息。

研究人员总结道，“简而言之，从打印分辨率的角度来看，当芯片结构变得更复杂和异构时，已经被广泛接受的基于挤出的打印仍然无法兼容所有的设计。立体光固化成型技术（SLA）具有更高的分辨率，但在激光或紫外线照射期间，细胞活性会不可避免地受到影响。”

“同时，嵌入式物理、生物化学和光学传感器与器官芯片的集成可以实时记录细胞行为和环境参数。所有这些创新将扩展生物打印集成器官芯片在基础研究和临床环境中的应用。”

器官芯片技术在全球各地的实验室中不断进步，从先进的工程方法到帮助降低成本的原型，甚至使用这种方法来对抗病毒威胁。

与微流控器官芯片集成的3D生物打印。（a1）肝芯片数字设计和相应的装置；（a2）通道内培养的hUVEC荧光图像（绿色显示的是肌动蛋白，蓝色显示的是胞核，比例尺：100 μm）；（b1）心脏芯片，hiPSC-CMs与正常人体心脏成纤维细胞共培养的芯片功能化微组织的原理；（b2）用于载细胞液滴生成然后转化为微凝胶的微流控芯片（下图，比例尺：100 μm）；（b3）第1、8和14天培养的hiPSC-CM/NHCF-V的肾脏芯片显微照片；（c1）3D血管化近端小管制作过程示意图；（c2）制作血管芯片上的血管近端小管（比例尺：10 mm）；（c3）将3D血管化近端小管组织与闭环灌注相集成以测量肾脏的重吸收；（d1）数学空间填充曲线对水凝胶内轴向血管和包围螺旋的纠缠血管拓扑（向上）和互穿的希尔伯特曲线（向下）的适应性（比例尺：3 mm）；（d2）印刷后通过在血管网络中植入内皮细胞（HUVEC）创建的肝水凝胶载体；（d3）水凝胶锚栓截留的纤维蛋白凝胶中的肝细胞聚集体共聚焦显微镜图像（比例尺：1 mm）。

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