熱塑性彈性體3D打印+熱壓印，實(shí)現(xiàn)心臟芯片設(shè)備的自動(dòng)化制造

來(lái)源： EngineeringForLife

芯片上器官裝置的成功轉(zhuǎn)換需要開(kāi)發(fā)用于裝置制造的自動(dòng)化工作流程，而這面臨著需要在微米級(jí)配置中精確沉積多類材料的挑戰(zhàn)。目前許多芯片心臟設(shè)備都是手動(dòng)生產(chǎn)的，需要熟練操作人員的專業(yè)知識(shí)和靈活性。

針對(duì)此問(wèn)題，來(lái)自加拿大多倫多大學(xué)的Milica Radisic團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)化且可擴(kuò)展的制造方法來(lái)設(shè)計(jì)Biowire II多孔平臺(tái)來(lái)生成人類iPSC衍生的心臟組織。這種高通量芯片心臟平臺(tái)采用熒光納米復(fù)合微線作為力傳感器，由量子點(diǎn)（QD）和熱塑性彈性體（TPE）制成，并通過(guò)熱壓花在聚苯乙烯組織培養(yǎng)基底上進(jìn)行3D打印。作為演示，作者將內(nèi)置導(dǎo)電碳電極和TPE/QD納米復(fù)合微線自動(dòng)集成到多孔板裝置中，以進(jìn)行長(zhǎng)期電調(diào)節(jié)、刺激和原位收縮評(píng)估。對(duì)各種多孔裝置中的電場(chǎng)分布進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，以優(yōu)化電極位置和孔格式，以確保組織培養(yǎng)的均勻電場(chǎng)（圖1）。

相關(guān)研究成果以“Automated fabrication of a scalable heart-on-a-chip device by 3D printing of thermoplastic elastomer nanocomposite and hot embossing”為題于2023年11月7日發(fā)表在《Bioactive Materials》上。

圖1 用于培養(yǎng)成熟人類Biowire II心臟組織的多孔板裝置的可擴(kuò)展制造示意圖

1. 用于有效器件設(shè)計(jì)的電場(chǎng)分布有限元建模

增加多孔板單個(gè)足跡上存在的組織數(shù)量（即從24 孔板移動(dòng)到384孔板）可以顯著提高藥物測(cè)試通量。然而，實(shí)現(xiàn)藥物測(cè)試和成熟的有效組織起搏需要孔內(nèi)均勻的電場(chǎng)分布，這可能對(duì)板上可行組織的數(shù)量施加下限。在對(duì)孔內(nèi)碳電極周圍的電場(chǎng)分布進(jìn)行有限元建模時(shí)，作為孔尺寸的函數(shù)，在標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置（10 cm 培養(yǎng)皿中的 Biowire II 條帶）和多孔模型之間注意到場(chǎng)分布的變化（圖2A)。具體而言，與多孔模型相比，10 cm培養(yǎng)皿的培養(yǎng)基中兩個(gè)電極之間的電場(chǎng)分布更加均勻（圖2B-C）。圖2D顯示了沿著水凝膠的軸向的電場(chǎng)（V/m）的線輪廓，該水凝膠接近中心平面中的組織。當(dāng)施加電場(chǎng)時(shí)，所有模型中微絲壁附近的場(chǎng)強(qiáng)均明顯高于平均值。總體而言，由于24孔和96孔配置中場(chǎng)分布的增強(qiáng)，相對(duì)于384孔配置，24孔和96孔的制造得到了進(jìn)一步的應(yīng)用。

圖2 Biowire II培養(yǎng)裝置和多孔板裝置中的電場(chǎng)分布

2. 自動(dòng)化多孔裝置生產(chǎn)比手動(dòng)制造Biowire II設(shè)置提高了效率

結(jié)合熱壓印和3D打印技術(shù)（圖3A）來(lái)制造多孔板裝置，消除了需要操作員的手動(dòng)操作和插入步驟。該工藝能夠形成24孔（圖3B-D）和96孔板裝置（圖3E-G），每個(gè)孔中均具有均勻的TPE/QD微絲和平行碳電極。標(biāo)準(zhǔn) Biowire II 平臺(tái)與多孔板裝置之間的制造步驟的詳細(xì)比較表明每個(gè)步驟的制造時(shí)間存在顯著差異（圖3H）。通過(guò)這種自動(dòng)化生產(chǎn)工藝，每個(gè)平臺(tái)的制造時(shí)間從3890分鐘（Biowire II 設(shè)置）顯著減少到70分鐘（24孔板）和74分鐘（96孔板）（圖3I）。當(dāng)考慮每個(gè)組織孔的時(shí)間時(shí)，生產(chǎn)時(shí)間從483分鐘（Biowire II）減少到2.9分鐘（24孔），僅實(shí)現(xiàn)0.77分鐘（96孔）（圖3J）。通過(guò)這種新的制造工藝，之前通過(guò)完全手工過(guò)程制造的Biowire II平臺(tái)從8微孔芯片擴(kuò)展到圖案化的24孔或96孔板，從而在24孔板中使每個(gè)微孔的平臺(tái)生產(chǎn)速度加快17,500%，在96孔板中比Biowire II平臺(tái)加快69,000%（圖3K）。

圖3 24孔板和96孔板心臟片上器件的自動(dòng)化制造

3. 納米復(fù)合微線的表征

接著，為了檢測(cè)彈性微絲偏轉(zhuǎn)引起的心臟組織的收縮行為，苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯（SEBS）嵌段共聚物，即熱塑性彈性體，通過(guò)核殼CdSe/ZnS量子點(diǎn)（QD）發(fā)出熒光（圖4A和B）。作者定制了納米復(fù)合材料墨水，并將其打印成具有不同可分辨顏色的微米線（直徑為 60 ± 4 μm），可以使用不同的激發(fā)波長(zhǎng)進(jìn)行激發(fā)（圖4A-B）。將納米復(fù)合材料薄膜浸入培養(yǎng)基中長(zhǎng)達(dá)一個(gè)月后，TPE/QD納米復(fù)合材料沒(méi)有出現(xiàn)降解（圖4C），這表明其具有適合長(zhǎng)期細(xì)胞培養(yǎng)的穩(wěn)定性。納米復(fù)合材料微線中的量子點(diǎn)未改變微線的彎曲性能（圖4D和E）和剛度（圖4F），顯示出與TPE微線相似的力-位移曲線。通過(guò)這一特性，多孔板裝置中的納米復(fù)合微線被用作力傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)心臟組織的收縮行為。TPE/QD的楊氏模量顯著高于POMAC，但這兩個(gè)值都與天然心臟彈性相似。

圖4 多孔板裝置中用作組織錨定點(diǎn)和位移傳感器的納米復(fù)合微線的表征

4. hiPSC來(lái)源的心臟組織的成熟
由于電場(chǎng)分布普遍改善（圖2），將成熟研究重點(diǎn)放在具有60 μm微絲的24孔板裝置上，這些微絲與所證明的天然心肌的機(jī)械特性相似。新平臺(tái)的細(xì)胞相容性首先在新生大鼠心臟組織中得到驗(yàn)證。使用水凝膠將心臟成纖維細(xì)胞接種到24孔板裝置的每個(gè)微孔中，并進(jìn)行重組以生成物理附著在納米復(fù)合微線上的3D心臟組織。多孔平臺(tái)能夠提高基于hiPSC-CM的3D心臟組織的產(chǎn)量，并具有高度的組織形成一致性（圖5A）。在接種后的第一周內(nèi)，組織經(jīng)歷了顯著的細(xì)胞凝膠壓實(shí)，直到直徑最終穩(wěn)定（圖5B-C）。使用先前建立的每周增加頻率的方案來(lái)實(shí)現(xiàn)組織成熟。電興奮性參數(shù)隨著成熟而改善，表現(xiàn)為電刺激時(shí)興奮閾值(ET)的降低和最大捕獲率(MCR)的顯著增加（圖5D-E）。納米復(fù)合材料微絲位移的原位記錄提供了工程心臟組織收縮動(dòng)力學(xué)的非侵入性讀數(shù)，例如主動(dòng)力、預(yù)張力和峰值持續(xù)時(shí)間（圖5F-J）。

圖5 24孔板裝置中基于 hiPSC 的心臟組織的組裝和功能

5. 使用納米復(fù)合微線在多孔平臺(tái)中進(jìn)行藥物測(cè)試
為了證明該裝置的應(yīng)用，評(píng)估了組織對(duì)增加劑量的硝苯地平和利多卡因的反應(yīng)（圖6）。電刺激下心臟組織的藥物反應(yīng)可以通過(guò)在我們的平臺(tái)中追蹤心臟組織的力和鈣瞬變來(lái)證明（圖6A）。硝苯地平暴露導(dǎo)致心臟組織中的力和Ca2+瞬變呈劑量依賴性下降（圖6B）。硝苯地平對(duì)收縮力的半最大抑制濃度 (IC50) 為 3.6 nM，對(duì)Ca2+瞬變的半最大抑制濃度為0.8 nM（圖6C）。同樣，鈉通道阻滯劑利多卡因的應(yīng)用導(dǎo)致收縮力呈劑量依賴性下降（圖6D-E）。總體而言，這些結(jié)果驗(yàn)證了具有納米復(fù)合微線和碳電極的新型多孔板裝置在藥物測(cè)試中的實(shí)用性。

圖6 24孔板裝置能夠原位記錄藥物暴露心臟組織中的收縮力和鈣瞬變

6. 結(jié)論
高通量、可靠且可重復(fù)的芯片心臟模型的開(kāi)發(fā)是一個(gè)快速發(fā)展的領(lǐng)域，在藥物發(fā)現(xiàn)和疾病建模方面具有巨大的應(yīng)用潛力。這項(xiàng)研究表明，結(jié)合使用量子點(diǎn)/熱塑性彈性體納米復(fù)合材料的熱壓花和3D打印，可以自動(dòng)制造多孔板設(shè)備格式，從而實(shí)現(xiàn)高通量設(shè)備制造，并且無(wú)需操作員。這種格式在可擴(kuò)展性、與標(biāo)準(zhǔn)液體處理和成像設(shè)備的兼容性以及同時(shí)培養(yǎng)多個(gè)組織樣本的能力方面優(yōu)于現(xiàn)有的Biowire II設(shè)備。這種自動(dòng)化方法克服了用惰性材料和多孔板尺寸制造高通量裝置的困難，并且由于裝置每個(gè)孔中均勻的電場(chǎng)分布而能夠培養(yǎng)成熟的心臟組織。3D打印在精確沉積基于TPE的錨點(diǎn)方面的多功能性，可能允許為各種組織創(chuàng)建其他孔板格式的設(shè)備，為跨不同器官系統(tǒng)的候選藥物和疾病建模的高通量篩選提供平臺(tái)。

文章來(lái)源：https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2023.10.019