熱塑性彈性體3D打印+熱壓印，實現(xiàn)心臟芯片設備的自動化制造

來源： EngineeringForLife

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

針對此問題，來自加拿大多倫多大學的Milica Radisic團隊設計了一種自動化且可擴展的制造方法來設計Biowire II多孔平臺來生成人類iPSC衍生的心臟組織。這種高通量芯片心臟平臺采用熒光納米復合微線作為力傳感器，由量子點（QD）和熱塑性彈性體（TPE）制成，并通過熱壓花在聚苯乙烯組織培養(yǎng)基底上進行3D打印。作為演示，作者將內(nèi)置導電碳電極和TPE/QD納米復合微線自動集成到多孔板裝置中，以進行長期電調(diào)節(jié)、刺激和原位收縮評估。對各種多孔裝置中的電場分布進行數(shù)學建模，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（圖1）。

相關研究成果以“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展制造示意圖

1. 用于有效器件設計的電場分布有限元建模

增加多孔板單個足跡上存在的組織數(shù)量（即從24 孔板移動到384孔板）可以顯著提高藥物測試通量。然而，實現(xiàn)藥物測試和成熟的有效組織起搏需要孔內(nèi)均勻的電場分布，這可能對板上可行組織的數(shù)量施加下限。在對孔內(nèi)碳電極周圍的電場分布進行有限元建模時，作為孔尺寸的函數(shù)，在標準設置（10 cm 培養(yǎng)皿中的 Biowire II 條帶）和多孔模型之間注意到場分布的變化（圖2A)。具體而言，與多孔模型相比，10 cm培養(yǎng)皿的培養(yǎng)基中兩個電極之間的電場分布更加均勻（圖2B-C）。圖2D顯示了沿著水凝膠的軸向的電場（V/m）的線輪廓，該水凝膠接近中心平面中的組織。當施加電場時，所有模型中微絲壁附近的場強均明顯高于平均值�？傮w而言，由于24孔和96孔配置中場分布的增強，相對于384孔配置，24孔和96孔的制造得到了進一步的應用。

圖2 Biowire II培養(yǎng)裝置和多孔板裝置中的電場分布

2. 自動化多孔裝置生產(chǎn)比手動制造Biowire II設置提高了效率

結(jié)合熱壓印和3D打印技術（圖3A）來制造多孔板裝置，消除了需要操作員的手動操作和插入步驟。該工藝能夠形成24孔（圖3B-D）和96孔板裝置（圖3E-G），每個孔中均具有均勻的TPE/QD微絲和平行碳電極。標準 Biowire II 平臺與多孔板裝置之間的制造步驟的詳細比較表明每個步驟的制造時間存在顯著差異（圖3H）。通過這種自動化生產(chǎn)工藝，每個平臺的制造時間從3890分鐘（Biowire II 設置）顯著減少到70分鐘（24孔板）和74分鐘（96孔板）（圖3I）。當考慮每個組織孔的時間時，生產(chǎn)時間從483分鐘（Biowire II）減少到2.9分鐘（24孔），僅實現(xiàn)0.77分鐘（96孔）（圖3J）。通過這種新的制造工藝，之前通過完全手工過程制造的Biowire II平臺從8微孔芯片擴展到圖案化的24孔或96孔板，從而在24孔板中使每個微孔的平臺生產(chǎn)速度加快17,500%，在96孔板中比Biowire II平臺加快69,000%（圖3K）。

圖3 24孔板和96孔板心臟片上器件的自動化制造

3. 納米復合微線的表征

接著，為了檢測彈性微絲偏轉(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，通過核殼CdSe/ZnS量子點（QD）發(fā)出熒光（圖4A和B）。作者定制了納米復合材料墨水，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)波長進行激發(fā)（圖4A-B）。將納米復合材料薄膜浸入培養(yǎng)基中長達一個月后，TPE/QD納米復合材料沒有出現(xiàn)降解（圖4C），這表明其具有適合長期細胞培養(yǎng)的穩(wěn)定性。納米復合材料微線中的量子點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。通過這一特性，多孔板裝置中的納米復合微線被用作力傳感器來監(jiān)測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和位移傳感器的納米復合微線的表征

4. hiPSC來源的心臟組織的成熟
由于電場分布普遍改善（圖2），將成熟研究重點放在具有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械特性相似。新平臺的細胞相容性首先在新生大鼠心臟組織中得到驗證。使用水凝膠將心臟成纖維細胞接種到24孔板裝置的每個微孔中，并進行重組以生成物理附著在納米復合微線上的3D心臟組織。多孔平臺能夠提高基于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)歷了顯著的細胞凝膠壓實，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實現(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）。納米復合材料微絲位移的原位記錄提供了工程心臟組織收縮動力學的非侵入性讀數(shù)，例如主動力、預張力和峰值持續(xù)時間（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. 使用納米復合微線在多孔平臺中進行藥物測試
為了證明該裝置的應用，評估了組織對增加劑量的硝苯地平和利多卡因的反應（圖6）。電刺激下心臟組織的藥物反應可以通過在我們的平臺中追蹤心臟組織的力和鈣瞬變來證明（圖6A）。硝苯地平暴露導致心臟組織中的力和Ca2+瞬變呈劑量依賴性下降（圖6B）。硝苯地平對收縮力的半最大抑制濃度 (IC50) 為 3.6 nM，對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用導致收縮力呈劑量依賴性下降（圖6D-E）�？傮w而言，這些結(jié)果驗證了具有納米復合微線和碳電極的新型多孔板裝置在藥物測試中的實用性。

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、可靠且可重復的芯片心臟模型的開發(fā)是一個快速發(fā)展的領域，在藥物發(fā)現(xiàn)和疾病建模方面具有巨大的應用潛力。這項研究表明，結(jié)合使用量子點/熱塑性彈性體納米復合材料的熱壓花和3D打印，可以自動制造多孔板設備格式，從而實現(xiàn)高通量設備制造，并且無需操作員。這種格式在可擴展性、與標準液體處理和成像設備的兼容性以及同時培養(yǎng)多個組織樣本的能力方面優(yōu)于現(xiàn)有的Biowire II設備。這種自動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，并且由于裝置每個孔中均勻的電場分布而能夠培養(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。

文章來源：https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2023.10.019