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December 07, 2021

3D打印芯片心脏助力心脏病研究和药物输送应用

心脏病一直是全球死亡的主要原因。如今,三维微纳加工技术进一步推进了生命科学研究,向治疗该领域疾病的再生医学概念迈进了一大步。来自美 国波士顿大学的科学家们通过Nanoscribe双光子聚合技术(2PP)研制出了心脏微流控芯片平台,这为心脏组织的基础研究奠定了基础,以实现能够植入人体心脏的组织。

如果没有文章介绍,很难想象在例如心脏等人体器官创建组织补丁。这种天马行空的想法只能在玛丽雪莱(Mary Shelly) 的著名科幻小说《科学怪物》(Frankenstein)中看到。而在现实生活中,这方面的研究却可以帮助数百万患者在从严重的医疗问题和疾病中解脱出来,重获生命的希望。我们心脏中的肌肉组织主要有心肌细胞组成,在心脏病发作期间会受到不可逆的损伤,并且这种组织不可再生。目前生命科学研究的目标是利用患者自身的干细胞制造功能性心脏组织补丁,这些工程组织细胞可以替代心脏病发作后患病或受损的肌肉,以帮助患者回复正常生活。

3D微纳加工技术实现心脏芯片制作

近期,来自波士顿大学的科学家们新研发了一种软性机械活性细胞培养平台,用于在定制的3D微环境中研究心肌组织。该多功能工具箱可实现心脏组织在3D环境中生长,并可在晶片垂直壁上的细胞附着点观察其自体组装。集成电子感应装置可测量培养的心脏细胞的收缩力。此外,研究人员还在芯片中集成了一个机械制动器,以被动拉伸培养组织。该制动器可帮助科学家对心脏组织进行恒定和动态机械应变分析。

当标准PDMS翻模工艺遇上双光子聚合技术

心脏芯片平台由一个包含被微流体致动器包围的心脏组织的内嵌圆形培养皿组成。细胞附着位点直接打印在培养皿的垂直壁上。
微流控致动器,也是应变传感器是芯片平台的关键元件。当流体流过通道时,通道和培养皿之间的薄隔板膨胀。这种机械应变被传递到培养组织,在平台的附着点位生长。同时,薄隔墙的应变也可以通过电子读数被记录下来。

科学家们使用PDMS翻模工艺来制造培养皿和周围的微流控通道。第一步,他们使用Nanoscribe的双光子聚合2PP技术来打印负模。激光直写技术可以帮助研究人员制造薄而高纵横比的膜壁,将外部微流控通道与内部培养皿分隔开。随后,研究人员从负模母版上复制PDMS培养皿。以2PP技术为基础的打印系统在此发挥了重要作用。研究人员在Nanoscribe打印系统上使用定制的光刻胶,直接在培养皿的垂直薄壁上打印微胶囊。这些微纳结构将用作细胞的锚点,来决定独立心脏组织的几何图形。最后,心脏芯片平台通过集成电极触点连接到玻璃衬底上,以读取应变数据。

通过同步心跳进行高级细胞排列研究

在研究中,科学家们制造了具有不同数量的细胞附着点位平台,用来观察独立心脏组织在培养皿中的几何形状是如何根据其位置和数量发生变化。四到五天后,心脏组织开始自主搏动,集成应变感应器可以检测到细胞施加在附着点的机械力。作为研究的亮点,科学家们还会周期性用微流体驱动器拉伸心脏组织。约三分钟后,心肌细胞则可实现跟着心脏组织受激节奏同步自发收缩。这令人兴奋的结果证明了科学家们向实现利用组织补丁移植到人体心脏上,并完美达到与患者心脏同步跳动的美好愿望迈进了一大步。

展望组织工程和再生医学新应用

虽然,为了最终实现这个目标仍然需要大量研究,但是在Nanoscribe双光子聚合技术的帮助下,科研人员可以利用该技术制造对心脏组织进行详细研究和观察的平台。
波士顿大学科研人员开发的这款新型心脏芯片平台非常好得证实了基于双光子聚合2PP技术的微纳加工是如何推进生命科学领域应用的。受益于2PP技术,生物组织规模和亚微米分辨率的3D打印结构非常适合模拟自然环境。随着采用生物兼容性材料,以2PP技术为基础的3D打印的发展,未来将在组织工程学,细胞生物学和再生医学领域有更多值得期待的新应用。

作为BICO集团的一部分,Nanoscribe敏锐捕捉到了生命科学对3D微纳加工的需求,并推出了不同类型得打印材料,如IP-PDMS,以及与我们的合作伙伴Xpect Inx合作的N100生物材料墨水。敬请期待令人激动得未来新应用。

欢迎阅读相关科学出版物以深入了解此项目:Direct laser writing for cardiac tissue engineering: A microfluidic heart on a chip with integrated transducers

 

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视频资料

心脏芯片平台的显微镜俯视图。该平台有8个装有心脏组织的细胞附着位点。组织与打印的微纳结构相对应连接,并使其能够跟着心脏组织受激节奏同步自发收缩。视频来自于M. Çağatay Karakan, Boston University

SEM图像显示了圆形培养皿的横截面,周围有一个微流控通道和三个特制的微腔,这些微腔作为3D独立心脏微组织的细胞粘附位点。
通过PDMS翻模工艺和双光子聚合3D打印技术制作的心脏芯片平台。SEM图像显示了圆形培养皿横截面,周围有一个微流控通道和三个特制的微腔,这些微腔作为3D独立心脏微组织的细胞粘附位点。图片来自于M. Çağatay Karakan, Boston University
心脏芯片平台制造方案
光纤上心脏平台的制造方案。(i-iii)从负模母版上进行培养皿翻模。图像来自于M. Çağatay Karakan, Boston University
心脏芯片平台制造方案第二部分
(iv)从负模母版上进行培养皿翻模(v)在PDMS培养皿垂直壁上运用直写技术打印细胞附着点(vi)将基于PDMS的平台连接到电极图案的玻璃基底上。图片来自于M. Çağatay Karakan, Boston University
心脏芯片平台显微俯视图
心脏芯片平台显微镜俯视图,该平台有8个细胞附着位点,装载有心脏组织。组织与打印的微观结构对齐。图片来自于M. Çağatay Karakan, Boston University
测量结果
微流控致动器产生动态搏动,以在心肌细胞中诱导正应变。培养的自主搏动的细胞与同步的心跳搏动作出反应。图片来自于M. Çağatay Karakan, Boston University
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