摩方精密助力新型胰島微生理系統(tǒng)構(gòu)建：氣動微流體紡絲技術(shù)+胰島細(xì)胞微纖精密

來源：微流控信息網(wǎng)

微生理系統(tǒng)是一種細(xì)胞模型，它可再現(xiàn)器官或組織中細(xì)胞所暴露的動態(tài)微環(huán)境，可用于復(fù)現(xiàn)生理學(xué)的各個方面。它們通常整合了氣體或液體流動等特征，因此常常被稱為微流控器官芯片。這類技術(shù)能有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)動物模型在疾病機(jī)制研究和藥物反應(yīng)預(yù)測方面的局限性，并在特定場景下實(shí)現(xiàn)動物實(shí)驗(yàn)替代。以糖尿病研究為例，其在藥物代謝評估（如肝臟-胰島軸模擬）及高效篩選中已展現(xiàn)出明確的臨床轉(zhuǎn)化潛力。

上海大學(xué)材料基因組工程研究院高興華團(tuán)隊(duì)通過氣動控制的微流體紡絲技術(shù)制備了負(fù)載胰島細(xì)胞的微纖維，用于構(gòu)建微生理系統(tǒng)。該研究成果以“Engin-eering pancreatic islet-loaded microfibers via pneumatically-controlled microfluidic spinning for the assembly of a microphysiological system”為題，發(fā)表在《Biomaterials》期刊上。

該研究介紹了一種基于微纖維的胰島微生理系統(tǒng)（MPS），通過氣動控制的微流體紡絲技術(shù)制備胰島細(xì)胞負(fù)載的微纖維，并將其與血管內(nèi)皮細(xì)胞共培養(yǎng)在微流控芯片中。該系統(tǒng)能夠模擬胰島的生理微環(huán)境，為糖尿病研究和藥物篩選提供了一個新的平臺。該研究通過摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)（nanoArch® S140，精度：10μm）制備了微流控紡絲芯片模具和組裝芯片模具，再結(jié)合PDMS翻模技術(shù)制備了兩種芯片。

圖1展示了胰島微生理系統(tǒng)的設(shè)計原理圖，包括基于微流控紡絲技術(shù)結(jié)合氣動控制制備的胰島微纖維，以及將微纖維與血管內(nèi)皮細(xì)胞組裝的微流控系統(tǒng)。圖中詳細(xì)描繪了微纖維的制備過程，包括核心流、樣本流和鞘流的注入，以及通過氣動控制實(shí)現(xiàn)的液滴形成和微纖維的收集。此外，還展示了微纖維在微流控系統(tǒng)中的組裝方式，以及最終構(gòu)建的胰島微生理系統(tǒng)，模擬了胰島的生理微環(huán)境和血管化結(jié)構(gòu)。

圖1. 胰島微生理系統(tǒng)的設(shè)計原理圖。

圖2展示了通過氣動控制微流控紡絲技術(shù)制備的含水滴微纖維的表征結(jié)果。圖中通過明場和熒光顯微鏡圖像展示了微纖維的連續(xù)性和水滴的均勻分布情況，同時利用傅里葉變換紅外光譜（FTIR）分析了微纖維的化學(xué)組成，確認(rèn)了微纖維中鈣藻酸鹽和葡聚糖的存在。此外，通過共聚焦顯微鏡的三維成像技術(shù)進(jìn)一步驗(yàn)證了水滴在微纖維中的空間分布，表明水滴與纖維之間無相互擴(kuò)散，為細(xì)胞的三維培養(yǎng)提供了獨(dú)立的微環(huán)境。

圖2. 通過氣動控制微流控紡絲技術(shù)制備的含水滴微纖維的表征結(jié)果。

圖3展示了微流控紡絲條件優(yōu)化的結(jié)果，研究了氣動閥頻率、核心流速、樣本流速和鞘流速對微纖維中水滴尺寸、間距和纖維寬度的影響。結(jié)果顯示，核心流速和氣動閥頻率主要影響水滴的尺寸，樣本流速影響水滴間距，而鞘流速則主要影響纖維的寬度。通過優(yōu)化這些參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了水滴的均勻分布和高通量制備，為細(xì)胞的三維培養(yǎng)提供了理想的微環(huán)境。

圖3. 微流控紡絲條件優(yōu)化的結(jié)果。

圖4展示了胰島細(xì)胞負(fù)載微纖維的制備與表征結(jié)果。圖中通過明場和熒光顯微鏡圖像展示了胰島細(xì)胞在微纖維中的分布情況，細(xì)胞被標(biāo)記為綠色熒光，表明細(xì)胞在微纖維的水滴中均勻分布。細(xì)胞活性檢測結(jié)果顯示細(xì)胞在微纖維中具有高活性和良好的增殖能力。此外，通過共聚焦顯微鏡對細(xì)胞骨架和胰島素分泌的染色結(jié)果表明，細(xì)胞在微纖維中形成了類似胰島的三維結(jié)構(gòu)，并具有正常的內(nèi)分泌功能。基因表達(dá)分析進(jìn)一步證實(shí)了微纖維中細(xì)胞的胰島功能增強(qiáng)。

圖4. 胰島細(xì)胞負(fù)載微纖維的制備與表征結(jié)果。

圖5展示了微纖維組裝芯片的設(shè)計和流體動力學(xué)模擬結(jié)果。圖中詳細(xì)描繪了組裝芯片的結(jié)構(gòu)，包括用于微纖維和血管內(nèi)皮細(xì)胞共培養(yǎng)的大腔室以及對稱的微通道網(wǎng)絡(luò)。通過COMSOL軟件進(jìn)行的流體動力學(xué)模擬顯示，通過調(diào)節(jié)入口流速，可以模擬毛細(xì)血管中的流體剪切應(yīng)力，為細(xì)胞提供生理相關(guān)的流體環(huán)境。模擬結(jié)果表明，微纖維和細(xì)胞所在的中央腔室的流體剪切應(yīng)力較低，而通道進(jìn)出口附近的剪切應(yīng)力較高，這種梯度有利于內(nèi)皮細(xì)胞的生長和血管化。

圖5. 微纖維組裝芯片的設(shè)計和流體動力學(xué)模擬結(jié)果。

圖6通過熒光顯微鏡圖像展示了血管內(nèi)皮細(xì)胞在微纖維表面的生長和血管化情況。結(jié)果顯示，內(nèi)皮細(xì)胞在微纖維表面形成了豐富的血管樣結(jié)構(gòu)，并表達(dá)了特異性的內(nèi)皮標(biāo)記物CD31。通過共聚焦顯微鏡的Z軸掃描和三維建模，進(jìn)一步證實(shí)了內(nèi)皮細(xì)胞在微纖維上的單層排列和血管樣結(jié)構(gòu)的形成。此外，基因表達(dá)分析表明，與二維培養(yǎng)相比，微纖維上的內(nèi)皮細(xì)胞表現(xiàn)出更高的血管生成相關(guān)基因表達(dá)水平，如CD31、VCAM-1和KLF2，表明微纖維促進(jìn)了內(nèi)皮細(xì)胞的血管化。

圖6. 通過熒光顯微鏡圖像展示了血管內(nèi)皮細(xì)胞在微纖維表面的生長和血管化情況。

圖7展示了胰島微生理系統(tǒng)的構(gòu)建和抗糖尿病藥物GLP-1(7-37)的評估結(jié)果。圖中通過熒光顯微鏡圖像展示了胰島細(xì)胞和血管內(nèi)皮細(xì)胞在微纖維上的共培養(yǎng)情況，以及胰島細(xì)胞的胰島素分泌功能。在動態(tài)培養(yǎng)條件下，胰島細(xì)胞保持了正常的內(nèi)分泌功能。通過MTT實(shí)驗(yàn)、ELISA檢測和NO釋放檢測，評估了GLP-1(7-37)對胰島細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞的增殖、胰島素分泌和NO釋放的影響。結(jié)果顯示，GLP-1(7-37)顯著促進(jìn)了胰島細(xì)胞的增殖和胰島素分泌，同時也增強(qiáng)了內(nèi)皮細(xì)胞的增殖和NO釋放能力，表明該微生理系統(tǒng)可用于抗糖尿病藥物的體外評估。

圖7. 胰島微生理系統(tǒng)的構(gòu)建和抗糖尿病藥物GLP-1(7-37)的評估結(jié)果。

總結(jié)：本文通過氣動控制的微流體紡絲技術(shù)成功制備了胰島細(xì)胞負(fù)載的微纖維，并構(gòu)建了一種模擬胰島生理微環(huán)境的微生理系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅能夠支持胰島細(xì)胞和血管內(nèi)皮細(xì)胞的共培養(yǎng)，還能夠用于藥物篩選和疾病機(jī)制研究。未來，該技術(shù)有望進(jìn)一步優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的組織模擬和更高效的藥物評估，為糖尿病的個性化治療提供新的工具和方法。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2025.123480