微流控芯片不同基體材料生物相容性對比

現(xiàn)階段微流控芯片在生命科學(xué)、醫(yī)藥衛(wèi)生和環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，鑒于所使用的微流控芯片基體材料的生物相容性可能會對芯片內(nèi)生物醫(yī)學(xué)檢測過程產(chǎn)生重要影響，因而很有必要對微流控芯片基體材料的生物相容性及其改善方法進(jìn)行分析和研究。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，基于此，來自北京化工大學(xué)和新疆科技學(xué)院的研究人員于《微納電子技術(shù)》期刊發(fā)表論文，對各種基體材料的微流控芯片的生物相容性進(jìn)行了討論，并對改善微流控芯片生物相容性的方法進(jìn)行了總結(jié)。

微流控芯片不同基體材料生物相容性對比

如下表所示，研究人員對不同種類微流控芯片基體材料的生物相容性研究結(jié)果進(jìn)行了對比。

表1 不同基體材料的微流控芯片的生物相容性

具體來說，硅膠類聚合物材料彈性好，基于軟光刻方法制備的微流控芯片鍵合工藝簡單、流道完整、化學(xué)穩(wěn)定性高，并且模具可以重復(fù)利用。硅膠類聚合物材料中PDMS和NOA81的生物相容性比較好，而PUMA和OSTE的生物相容性則相對欠佳。有研究人員提出了一種以PDMS為基體的微流控芯片，圖1（a）為該微流控芯片的整體示意圖，圖1（b）為微流控芯片中的單個培養(yǎng)單元，左右兩側(cè)分別是培養(yǎng)基的入口和出口，上下通道的作用是加載細(xì)胞和排出廢料，人癌（HeLa）細(xì)胞在此芯片中存活了14天之久。

圖1 PDMS基體的微流控芯片整體示意圖及其單個培養(yǎng)單元

熱塑性聚合物材料機(jī)械性能優(yōu)異，基于激光燒蝕技術(shù)制備的微流控芯片的成本低、制作周期短，且生物相容性較高。近幾年出現(xiàn)的新興材料TPE或sTPE的生物相容性優(yōu)良，并且兼具熱塑性聚合物材料和彈性體聚合物材料的優(yōu)點(diǎn)。

3D打印技術(shù)中的熔融沉積快速成型技術(shù)常用的ABS和PLA的生物相容性好，而光固化成型技術(shù)常用的光敏樹脂類材料生物相容性大都欠佳。其他常用材料如玻璃和紙的生物相容性很好，尤其是紙基微流控芯片在生物醫(yī)學(xué)檢測方面的應(yīng)用已經(jīng)較為廣泛。

陶瓷的生物相容性受其材料配比的影響而不盡相同，但大部分陶瓷的生物相容性欠佳。有研究人員制備了3種硼硅酸鹽玻璃陶瓷LTCC襯底材料，即Ca-B-Si-O（CBS）、Ca-Al-B-Si-O（CABS）和Ca-Mg-B-Si-O（CMBS），并通過實(shí)驗(yàn)對3種不同的陶瓷材料的生物相容性進(jìn)行了評估。結(jié)果如圖2（a）所示，CMBS樣品的浸出液中發(fā)現(xiàn)大量死亡細(xì)胞，其他兩種幾乎看不到；然后通過直接培養(yǎng)細(xì)胞法培養(yǎng)細(xì)胞，圖2（b）所示的結(jié)果表明細(xì)胞良好地粘附在纖維連接蛋白包覆的CABS樣品表面，觀察到其中有少量死亡細(xì)胞，然而，細(xì)胞很少粘附在CBS和CMBS樣品表面，并觀察到大量的死亡細(xì)胞。

圖2 不同方法培養(yǎng)細(xì)胞的熒光圖像

微流控芯片生物相容性的提高方法

（1）表面修飾或材料改性

微流控芯片的生物相容性沒有達(dá)到理想狀態(tài)時可以通過改變材料的組成或者在微通道內(nèi)壁表面修飾一層理想的具有生物相容性的涂層來改善芯片的生物相容性。有研究人員通過氬（Ar）或氮（N）等離子體處理，在以PUMA和OSE-80聚合物為基質(zhì)的微流控芯片表面引入極性高且有利于細(xì)胞附著和生長的修飾物，圖3為未處理及等離子體處理的PUMA和OSTE聚合物上分別孵育24和72h后HUVEC的代表性免疫熒光圖像，此方法成功地使HUVEC在PUMA上更好地粘附和增殖，提高了芯片表面的生物相容性。

圖3 Ar或N等離子體處理不同時間HUVEC細(xì)胞生長的代表性免疫熒光圖像

（2）表面形貌及粗糙度

材料表面的粗糙度會對細(xì)胞附著和表面浸潤性有一定的影響，這勢必會對其生物相容性產(chǎn)生一定的影響。一般來說，增大材料表面粗糙度可以增加其生物相容性。

總體來說，現(xiàn)階段提高生物相容性方法的適用范圍和使用效果還很有限，未來可以探索從表面修飾的新材料、新方法入手提升微流控芯片內(nèi)表面的生物相容性及表面修飾的耐久性。

論文鏈接：

http://dx.doi.org/10.13250/j.cnki.wndz.2022.07.003

審核編輯 ：李倩