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。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)制單個肺泡的體內(nèi)上皮面積，還能模擬呼吸運(yùn)動。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展示了一個基于表面張力的開放式微流體平臺的結(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展示了微流體平臺的頂視圖和側(cè)視圖。平臺的中心區(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；當(dāng)液體達(dá)到通道的擴(kuò)展區(qū)域時，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，工程化一個薄的水凝膠層以模擬氣-液界面的大小是可行的，這個大小接近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。