微流控技術是一種通過微小的通道和微型裝置對流體進行精確操控和分析的技術。它是現代醫學技術發展過程中的一種重要的生物醫學工程技術，具有廣泛的應用前景和重要性。它在高通量分析、個性化醫療、細胞篩選等方面有著巨大的潛力，Aigtek安泰電子今天就將爲大家分享一篇微流控領域研究成果，一起接著往下看吧~

　　隨著三維器官模型在模擬人體于藥物和化學物質作用下的反應的精確度不斷獲得肯定，三維器官芯片的熱度也不斷攀升。然而器官芯片現有的問題也非常多。首先，現有器官芯片，芯片上的器官仍然缺乏重建活體組織的三維結構和相關細胞的空間組織的能力；其次，用于微芯片設計的生物惰性聚合物材料，盡管提供了細胞附著和生長的支持，但不能代表原生ECM的晶格結構和剛度；此外，現有芯片還忽略了ECM基質晶格中上皮細胞和間充質細胞之間的相互作用，以及空氣暴露和拉伸等因素對誘導細胞分化的影響----這些因素對于皮膚和肺泡等組織來說是誘導細胞最終分化的必要條件。目前許多器官芯片都只是在3D表面上的2D共培養，而不是3D器官型培養，並且不包括基質和/或調節細胞在體內所受機械力的成分。

近期， 美国著名器官芯片研发公司Emulate, Inc.的Christopher D. Hinojosa，在Biomaterials上发表了题为A novel organ-chip system emulates three-dimensional architecture of the human epithelia and the mechanical forces acting on it 的文章。该团队设计了一种新型皮肤/肺泡组织器官芯片。该芯片具有开盖设计，能够在施加机械力的同时，用混合了间充质細胞的天然ECM水凝胶, 为細胞提供刚度适宜的支持。

　　該芯片由四層PDMS組成（圖1），其中最底部是一片螺旋形的微流控芯片，截面長600um,高400u，用于種植血管內皮細胞，模擬血管。螺旋型的結構有助于增加其與上層的接觸面積，使營養物質能更充分的交換。倒數第二層是一層50um厚的多孔薄膜，孔徑7um,很好的模擬了血管的內彈性膜結構。正數第二層主要結構是一個空腔，直徑6mm,高度4mm，主要用于培養細胞外基質及相應皮膚或肺組織細胞。最上面一層也含有一個微流控流道，組裝後可爲第二層的空腔提供流動營養物質或施加剪切力。整體來看，底部三層是緊密固定的，而頂部的第四層則是可拆卸的，經由特制的夾具固定在另外三片芯片上。

　　圖1開頂芯片設計原理圖

　　除了傳統微流控結構以外，第二層腔體周圍還環繞著一圈圖1C中由深灰色標識的氣動結構。這層結構是空心的，連接著一個真空氣泵。控制氣泵規律性的抽出氣動空腔中的氣體，就能帶動空腔及期內部的組織結構周期性的拉伸。通過對開頂芯片真空通道施加負壓能産生0~15%的循環應變，幅值爲0~?90kPa，頻率爲0.2Hz（圖2）。

　　圖2開頂芯片的拉伸

　　在倒數第三層空腔內細胞外基質層的表面，團隊還用一個刻有微圖案的印章塑造了細胞外基質表面的圖案（圖3）。在細胞外間質凝固過程中外置印章這一做法，充分發揮了芯片頂部可打開的優勢。通過添加這一表面微圖案的小細節，則更貼切的模擬了人體內自然狀態下上皮于細胞間質界面形態。細胞外間質層主要由基質等效ECM混合物使用牛I型膠原蛋白溶液制備,中間再視器官模型中上成纖維細胞或平滑肌細胞，用印章壓制成2mm厚(皮膚組織)或200um厚（肺泡組織）的膠狀結構。

　　圖3開頂芯片細胞基質層表面微圖案制作

　　考慮到內皮細胞對上皮細胞的成長有著重要的作用，器官芯片的底部螺旋流道中可以根據芯片功能選擇種上相應的內皮細胞。在流動的培養基作用下培養7-15天，螺旋流道裏就能形成單層致密的由內皮細胞組成的脈管系統。圖4以及圖5b就對流道內內皮細胞的性質進行了檢測。同時圖5還檢測了腔體內上皮細胞的成長狀況，驗證了成熟表皮層的形成。

　　圖4開頂肺泡芯片血管腔內皮細胞特性

　　圖5開頂皮膚芯片細胞特性

　　至于肺泡芯片，該團隊也對腔體內的肺泡上皮結構進行了組織切片檢測（圖6）。切片的組織學分析證實了兩種表型明顯的細胞類型——I型肺細胞和ii型肺細胞的存在。

　　圖6開頂肺泡芯片上皮細胞特征

　　分別驗證了各個區間的細胞狀態後，該團隊又試圖評估該模型是否能實現間質與上皮的相互作用，並捕捉三個芯片間隔之間的串擾。爲此，團隊用脂多糖對開頂肺泡芯片做了一個脂多糖（LPS）炎症檢測。即使在沒有免疫細胞的情況下，脂多糖也會引發上皮的炎症反應。在用LPS處理開頂肺泡芯片後，團隊發現內皮細胞上的炎症表面標記物ICAM-1上調，經免疫組化顯示，芯片血管通道流出物中炎症介質IL-6、IL-8和MPC-1水平都有升高（圖7）。這些數據表明，在開放頂部芯片的三個不同的細胞層之間的功能確實是互連並相關的。

　　圖7開頂肺泡芯片LPS炎症反應

　　爲了進一步證實肺泡上皮層和血管通道之間的相互影響，該團隊又用含CD41標記的血小板的全血灌注血管通道15分鍾，並將上皮暴露于LPS下，然後，通過實時成像跟蹤標記血小板的運動及其與內皮細胞的相互作用。實驗結果顯示，與體內狀態類似，由于暴露于LPS模擬的血管微環境中的炎症會導致血小板與內皮細胞的顯著結合。這些發現表明，開頂肺泡芯片可用于具體研究病理環境下的細胞-細胞相互作用，評估藥物毒性和/或療效，並揭示相關供體-供體差異。

　　圖8開頂肺泡芯片LPS介導的血小板活化和聚集

　　ATA-2081高壓放大器

　　帶寬：（-3dB）DC~200kHz

　　電壓：800Vp-p（±400Vp）

　　電流：40mAp

　　功率：16Wp

　　壓擺率：≥356V/μs

　　可程控

　　參考文獻

Antonio Varone, Justin Ke Nguyen, Lian Leng, Riccardo Barrile, Josiah Sliz, Carolina Lucchesi, Norman Wen, Achille Gravanis, Geraldine A. Hamilton, Katia Karalis, Christopher D. Hinojosa, A novel organ-chip system emulates three-dimensional architecture of the human epithelia and the mechanical forces acting on it, Biomaterials

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