Biofabrication：可個性化定制的DLP打印多材料水凝膠微流控芯片

來源： EngineeringForLife

器官芯片包括細胞外基質(zhì)樣微組織，這些微組織可以調(diào)節(jié)嵌入細胞和微流控組件的生物學(xué)行為。傳統(tǒng)的生物制造方法，如微成型和光刻，在控制微組織的組成以及材料的選擇方面，存在局限性。生物3D打印，當配備多材料平臺時，可以用于制作異質(zhì)微組織，用于藥物開發(fā)和個性化醫(yī)療。

來自美國羅文大學(xué)的Amir K. Miri團隊開發(fā)了一臺DLP生物3D打印機，該DLP打印機可以快速、一步地制作基于聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）和甲基丙烯酸�；�明膠（GelMA）的多材料復(fù)合水凝膠微流控芯片。該微流控芯片具有良好的機械性能和生物相容性，并且可以有效地促進微組織血管化。該生物制造方法可以為微組織模型快速集成到器官芯片和高通量藥物篩選平臺提供極大幫助。相關(guān)論文“Multi-Material Digital Light Processing Bioprinting of Hydrogel-Based Microfluidic Chips”發(fā)表于雜志Biofabrication上。

圖1 可實現(xiàn)多材料打印的DLP打印機的工作原理示意圖

如圖1所示，研究人員設(shè)計并組裝了一臺DLP生物3D打印機，其中通過料槽的旋轉(zhuǎn)，可以實現(xiàn)墨水的清洗和更換，從而實現(xiàn)多材料打印。

如圖2所示，該DLP打印機可以打印高分辨率模型，具有制造復(fù)合結(jié)構(gòu)和多材料結(jié)構(gòu)的能力，能夠個性化定制具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的微組織和類器官。

圖2 DLP打印機的打印能力評價

爆破壓力代表著水凝膠微通道對流體壓力的抵抗能力，爆破壓力不足，可能會導(dǎo)致芯片的局部故障。爆破壓力由如圖3所示的定制裝置來測試。結(jié)果表明，當墨水濃度升高時，爆破壓力增加，爆破壓力的大小可能與水凝膠的剛度有關(guān)。此外，微通道的溶脹率隨著GelMA濃度的降低而減小。

圖3 測試水凝膠微通道的爆破壓力的裝置示意圖和微通道的性能表征

如圖4所示，該制造方法可以個性化定制可管道連接和不同圖案的微流控芯片。單獨的GelMA或其它軟水凝膠對微流控芯片的構(gòu)建具有一定的挑戰(zhàn)性。GelMA具有優(yōu)異的生物相容性，但是它無法提供足夠高的機械強度和打印保真度。因此，選擇PEGDA來創(chuàng)建支撐和通道連接，與GelMA進行多材料復(fù)合打印，為制得的微流控芯片提供更高的穩(wěn)定性和保真度。

圖4 可個性化定制的多材料水凝膠微流控芯片

如圖5所示，研究人員在微通道中使用人臍靜脈內(nèi)皮細胞（HUVEC）測試了水凝膠微流控芯片的表面特性。血管生成標志物（如CD31）的表達，標志著長期動態(tài)流動誘導(dǎo)的生理剪切應(yīng)力使微通道逐漸形成血管管腔結(jié)構(gòu)。HUVEC的生理形態(tài)和CD31的空間分布顯示了動態(tài)流動可以影響微通道中細胞及微組織的生物活性。

圖5 水凝膠微流控芯片中的血管建模

水凝膠主要是一種流體飽和的固體網(wǎng)絡(luò)，水凝膠內(nèi)的流體運動可以向細胞的輸送營養(yǎng)物質(zhì)，使細胞可以在相互連接的空間內(nèi)進行遷移和增殖。如圖6所示，在具有不同凝膠濃度的微流控芯片中觀察到染料顆粒的時間依賴性擴散現(xiàn)象。該微流控芯片使擴散率可以量化，為研究它如何受藥物性質(zhì)和細胞外基質(zhì)微環(huán)境的影響提供幫助。

圖6 水凝膠微流控芯片中的擴散現(xiàn)象

綜上所述，研究人員通過DLP生物3D打印技術(shù)，開發(fā)了一種將微組織模型快速集成到器官芯片和高通量藥物篩選平臺的生物制造方法，該制造方法可以個性化定制多材料水凝膠微流控芯片。制得的微流控芯片具有高打印保真度、可調(diào)特性和高爆破壓力，與基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）的傳統(tǒng)微流控芯片相比，具有一定的競爭力。DLP生物3D打印技術(shù)同微流控技術(shù)相結(jié)合，在制藥行業(yè)和組織工程領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻

Anant Bhusal, Elvan Dogan, Hai Anh Nguyen, Olga Labutina, Daniel Nieto, Ali Khademhosseini and Amir K Miri. Multi-material digital light processing bioprinting of hydrogel-based microfluidic chips. Biofabrication
https://doi.org/10.1088/1758-5090/ac2d78