人類的肺部由氣管、支氣管和肺泡組成，這些部分是氧氣和養(yǎng)分向人體運(yùn)輸?shù)闹匾粨Q界面。肺部容易發(fā)展氣道疾病，因此對其的研究和建模需求日益增加。器官芯片作為一種模擬體外器官細(xì)胞微環(huán)境的工具，具有成本、倫理、時(shí)間和性能等方面的優(yōu)勢，但制造過程需要整合和選擇復(fù)雜的細(xì)胞類型、細(xì)胞外基質(zhì)成分和生物制造過程。當(dāng)前，僅有少數(shù)體外微流體平臺(tái)能再現(xiàn)肺泡的體內(nèi)尺寸，且未考慮在氣道炎癥中起重要作用的肺成纖維細(xì)胞。傳統(tǒng)的聚二甲基硅氧烷（PDMS）微流體平臺(tái)存在低通量和小分子吸附等性能缺陷，限制了大規(guī)模生產(chǎn)的可擴(kuò)展性和整合性。

3D打印為解決這些問題提供了一種解決方案，它提供了與常規(guī)PDMS芯片相同的生物性能和生物降解性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高通量和無小分子吸附。然而，3D打印的分辨率尚未與軟光刻技術(shù)相媲美，且使用固化樹脂無法模擬呼吸運(yùn)動(dòng)。近期，某些由昂貴材料制成的設(shè)備已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)幾微米厚度的肺泡所需尺寸，并復(fù)制單個(gè)肺泡的體內(nèi)上皮面積，還能模擬呼吸運(yùn)動(dòng)。但這些設(shè)備不是一次性使用的，在高通量和廣泛應(yīng)用方面存在不足。因此，仍需進(jìn)一步研究和改進(jìn)，以創(chuàng)建更準(zhǔn)確、現(xiàn)實(shí)和穩(wěn)健的肺芯片模型。

研究內(nèi)容

圖1展示了一個(gè)基于表面張力的開放式微流體平臺(tái)的結(jié)構(gòu)和液體圖案化過程，用于再現(xiàn)肺部的三維細(xì)胞微環(huán)境。圖1a展示了微流體平臺(tái)的頂視圖和側(cè)視圖。平臺(tái)的中心區(qū)域包含微柱陣列，用于形成薄的水凝膠膜，兩側(cè)是包含不同細(xì)胞懸浮液的流體通道。圖1b展示了水凝膠和不同細(xì)胞層的位置安排，模擬肺部細(xì)胞環(huán)境的氣-液界面結(jié)構(gòu)。圖1c到圖1e展示了圖案化過程的兩個(gè)關(guān)鍵步驟——液體注入和保持。首先，水凝膠液體通過微柱流動(dòng)；當(dāng)液體達(dá)到通道的擴(kuò)展區(qū)域時(shí)，使用吸取器將多余液體移除，剩余部分被保持在微柱之間形成所需的薄層。這一過程中利用了表面張力的“毛細(xì)釘扎”現(xiàn)象，即通過幾何結(jié)構(gòu)和表面特性來控制液體的流動(dòng)和停留。

圖1微流控芯片和液體圖案化過程

圖2展示了用于模擬液體填充和圖案化條件的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，進(jìn)一步分析了在微流體平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)毛細(xì)釘扎過程的成功條件。圖2a展示了與圖案化成功條件相關(guān)的物理參數(shù)，包括柱子的高度、間距和側(cè)通道的長度。通過這些參數(shù)的控制，可以預(yù)測液體在微柱之間的保留情況。圖2b展示了液體填充過程的數(shù)值模擬，包括在不同接觸角（例如60°和120°）條件下的液體流動(dòng)和釘扎效果。模擬結(jié)果顯示了如何通過改變接觸角和壓力控制液體在微柱之間的流動(dòng)和停留。圖2b的模擬驗(yàn)證了在較大接觸角下液體被釘扎在微柱邊緣的效果。圖2c至2e總結(jié)了不同微柱高度、間距和側(cè)通道長度對液體保留過程的影響，通過這些參數(shù)優(yōu)化可實(shí)現(xiàn)液體在微柱之間的穩(wěn)定釘扎，適用于后續(xù)的細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)。

圖2數(shù)值模擬與圖案化條件

圖3通過細(xì)胞加載流程示意圖和熒光圖像，展示了微流體平臺(tái)在再現(xiàn)肺泡三維微環(huán)境方面的有效性。圖3a展示了細(xì)胞加載的步驟，包括在水凝膠薄膜兩側(cè)加入不同類型的細(xì)胞，以創(chuàng)建多層細(xì)胞結(jié)構(gòu)。圖3b和3c展示了微流體平臺(tái)上與內(nèi)皮細(xì)胞和肺成纖維細(xì)胞的共培養(yǎng)熒光圖像。水凝膠薄膜中含有橙色染色的成纖維細(xì)胞，水凝膠膜側(cè)面綠色層表示生長的內(nèi)皮細(xì)胞層。這種結(jié)構(gòu)模擬了肺部的基質(zhì)和內(nèi)皮層，為后續(xù)肺部疾病研究提供了生理相關(guān)的模型。圖3d和3e分別展示了細(xì)胞配置的示意圖和最大投影的共聚焦顯微圖像。在這些圖中可以看到肺成纖維細(xì)胞（橙色）和內(nèi)皮細(xì)胞（綠色）在水凝膠薄膜的不同層次的分布情況，形成了一個(gè)三維的細(xì)胞共培養(yǎng)環(huán)境。圖像還顯示，細(xì)胞在培養(yǎng)過程中保持了較高的活力，并成功地在水凝膠薄膜周圍形成了均勻的細(xì)胞層。

圖3芯片的共培養(yǎng)和三培養(yǎng)

總結(jié)與展望

在這項(xiàng)研究中展示了3D打印和毛細(xì)釘固著作為制造高通量微流體設(shè)備的有效工具的潛力。結(jié)果表明，工程化一個(gè)薄的水凝膠層以模擬氣-液界面的大小是可行的，這個(gè)大小接近100-150微米，適合細(xì)胞培養(yǎng)，并具有多種細(xì)胞圖案配置，便于共聚焦成像。未來的工作可以包括開發(fā)一個(gè)完整的雙細(xì)胞層模型，其中包括癌細(xì)胞，或使用空氣泵模擬設(shè)備內(nèi)的呼吸。這種微流體平臺(tái)提供了一系列廣泛的未來應(yīng)用，例如粉末吸入實(shí)驗(yàn)或藥物篩選。