维也纳理工大学用双光子聚合3D打印技术制造器官芯片中的人工胎盘

人体内的物质通过各种生物膜在体内进行传输,比如说血脑屏障,胃肠对食物的消化,以及胎盘为胎儿输送物质。研究这些生物膜的机制对于医学技术发展起到重要作用。

但是直接通过人体进行研究,无疑是充满困难的,微流控芯片/器官芯片(Organ-On-Chip)为这类医学研究提供了一种有效方式。这种在芯片上制造人体微型器官的方法,在疾病研究、开发患者特异性治疗方法以及替代动物实验方面具有应用潜力。

奥地利维也纳理工大学(Technische Universität Wien,TU Wien)材料科学与技术研究所的科研团队,对人体胎盘机制进行了研究,采用的正是器官芯片的方法。在制造芯片时,TU Wien团队使用了双光子聚合微纳米3D打印技术。

 

维也纳理工大学用双光子聚合3D打印技术制造器官芯片中的人工胎盘 3D打印制造芯片中的人工胎盘微结构

许多研究表明,母亲的糖尿病、高血压可能对未出生的胎儿产生影响,这种现象是在多参数相互作用下发生的,但如何研究这其中的复杂原因是目前的难点。TU Wien的研究人员在器官芯片复制出体外的微型“人工胎盘”,并对胎盘的机制进行研究。

维也纳理工大学用双光子聚合3D打印技术制造器官芯片中的人工胎盘
研究和分析胎盘用的器官芯片,图片来源:TU Wien

TU Wien 研究团队设计的器官芯片由两个区域组成 – 一个代表胎儿,另一个代表母亲。研究人员使用高分辨率的双光子聚合3D打印技术在它们之间制造出分区,即人造胎盘膜。通过增材制造的方式,材料逐渐形成3D结构,分辨率在微米范围内。

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生物相容性水凝胶材料制造的3D打印微结构,图片来源:TU Wien

在人工胎盘的研究中,科研人员使用打印材料是一种具有良好生物相容性的水凝胶,模仿天然胎盘制造出小而弯曲的绒毛表面,然后将胎盘细胞植入到这些结构中,形成一个非常类似于人体天然胎盘的屏障。

TU Wien团队多年来一直在科研中应用这种高分辨率3D打印技术,已取得了一系列的成果。通过这个带有人工胎盘的器官芯片,科研人员可以密切监测其中重要的生物学参数,例如监测微型器官的压力,温度,几何形状和营养供应,以及使用药物时的情况。这些研究有助于科学家准确地观察疾病进展和治愈率。

维也纳理工大学用双光子聚合3D打印技术制造器官芯片中的人工胎盘

人造胎盘示意图,图片来源:TU Wien

TU Wien的初步测试已经表明,器官芯片上的人工胎盘确实表现出与天然胎盘类似的方式:小分子物质被允许通过,而大分子物质被阻止。这款胎盘器官芯片现在专门用于研究从母体到胎儿的营养输送情况。

研究论文“Fabrication of placental barrier structures within a microfluidic device utilizing two-photon polymerization/利用双光子聚合在微流体装置内制造胎盘屏障结构”,发表在International Journal of Bioprinting, 4,2 (2018)。

 

维也纳理工大学用双光子聚合3D打印技术制造器官芯片中的人工胎盘 3D科学谷Review

近年来,微流控芯片技术在生命科学、医学诊断、分析化学等领域得到了快速发展。目前,3D打印技术在微流控芯片制造中的应用虽处于早期阶段,但在这一领域的应用也得到了快速发展。

维也纳理工大学用双光子聚合3D打印技术制造器官芯片中的人工胎盘

上图中列举了微流控芯片制造中应用的主要3D打印技术。这些3D打印技术所具有的优势各不相同,因此每种技术适合制造的微流控芯片种类也有所差异。比如说FDM技术较适合制造精度要求不高的微流控芯片,而DLP、TPP等这种基于光聚合工艺的3D打印技术则更适合制造精度要求高的微流控芯片。另外,在实际应用时,还需要结合各种技术的设备成本、材料成本、打印效率以及后处理的成本与效率等因素,综合考虑选择哪种3D打印技术。

总体来说,传统的微流控芯片制造技术属于劳动密集型的产业,将3D打印技术用于制造微流控生物芯片可以在几个小时内实现微型流体通道的快速制造,有利于设计的快速迭代,提高了基于微流控研究的跨学科性,并加速创新。目前,3D打印技术在微流控芯片制造中的应用尚处于早期阶段,其应用以芯片研发、设计验证为主。

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