有沒(méi)有可能發(fā)展出穩(wěn)定的水凝膠微流控芯片制造方法？

摘要：水凝膠是細(xì)胞三維培養(yǎng)及組織體外構(gòu)建的最理想材料，顯然也是構(gòu)造器官芯片（微流控+微組織）的最理想平臺(tái)。然而目前的微加工工藝多用來(lái)加工硅、硅橡膠、聚合物等材料，迄今為止缺乏穩(wěn)定可靠的水凝膠微制造方法，這也嚴(yán)重制約了水凝膠在微流控芯片中的應(yīng)用。

有沒(méi)有可能發(fā)展出穩(wěn)定的水凝膠微流控芯片制造方法？這幾年課題組一直在探索有無(wú)可能基于全水凝膠構(gòu)造微流控芯片，并在這種高生物相容性的芯片上進(jìn)一步構(gòu)造出器官芯片，為器官芯片的制造提供全新的思路。

基于二次交聯(lián)的凝膠基微流控芯片制造工藝及原理

我們提出了一種制備水凝膠基微流控芯片的新方法：設(shè)計(jì)了芯片二次交聯(lián)策略，可實(shí)現(xiàn)具有任意復(fù)雜內(nèi)部流道的凝膠基三維微流控芯片的制造。該芯片的一個(gè)顯著特點(diǎn)是：不同層芯片間的鍵合強(qiáng)度和芯片本體一致。

我們采用常用的細(xì)胞三維培養(yǎng)用的水凝膠：海藻酸鹽、明膠、GelMA制造了水凝膠芯片，并對(duì)其機(jī)械性能及生物學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，研究發(fā)現(xiàn)采用課題組所產(chǎn)業(yè)化的GelMA生物水凝膠制造的芯片具有最佳的性能，可快速促進(jìn)芯片上細(xì)胞的功能化形成。

利用這種新型的水凝膠微流控芯片，我們建立了體外血管模型，CD31、Vinculin及Ve-Cadherin抗體染色表明，我們成功構(gòu)建出了接近體內(nèi)血管功能的血管芯片。隨后通過(guò)炎癥誘導(dǎo)因子的加載，模擬了動(dòng)脈粥樣硬化等病理?xiàng)l件下血管的炎癥反應(yīng)。本芯片可于組織血管化過(guò)程、心血管疾病、器官芯片、腫瘤藥物篩選等領(lǐng)域。

帶有復(fù)雜內(nèi)部流道的水凝膠芯片

浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院賀永教授課題組發(fā)明了一種基于二次交聯(lián)的凝膠基微流控芯片制造新方法，能夠構(gòu)造具有不同復(fù)雜內(nèi)部流道的凝膠芯片，進(jìn)而接種血管內(nèi)皮細(xì)胞，形成具有血管形態(tài)和功能的血管模型。通過(guò)凝膠基血管芯片的構(gòu)建不僅可以模擬血管的主要功能，還可以借助微流控手段施加各種流體剪切及生物因子的刺激。實(shí)現(xiàn)在時(shí)間和空間上重現(xiàn)體內(nèi)的血管環(huán)境，它可以應(yīng)用于血管化過(guò)程研究，心血管疾病研究，體外組織工程器官芯片的構(gòu)建，腫瘤藥物篩選等。本方法可實(shí)現(xiàn)微流道高強(qiáng)度封裝，便于物理剪切力、生物因子等施加刺激；同時(shí)水凝膠也為營(yíng)養(yǎng)滲透以及分子擴(kuò)散提供了高效支撐。

相關(guān)論文Vessel-on-a-chip with Hydrogel-based Microfluidics近日刊登在WILLY旗下的Small雜志上。第一作者為聶晶博士生、高慶博士后、王怡棟生，通訊作者為賀永教授和轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)院的陳偉教授。

一直以來(lái)，器官芯片的基底材質(zhì)通常是PDMS，塑料、硅等適合于微加工的材料，水凝膠可否作為微流控芯片的材料呢？我們?cè)O(shè)計(jì)了一種Bottom-Up的芯片制造策略，先加工出帶有微槽的水凝膠層（每層水凝膠含有兩種水凝膠材料，一種用于固化，一種用于后續(xù)的二次交聯(lián)），然后將水凝膠層堆疊拼裝，進(jìn)行二次交聯(lián)，實(shí)現(xiàn)三維水凝膠微流控芯片制造。用這種方法，可制造帶有螺旋形流道、分叉流道、蛇形流道、多層互通流道等的水凝膠芯片。

基于二次交聯(lián)方法構(gòu)造的水凝膠基血管芯片

流道上的內(nèi)皮細(xì)胞逐漸貼壁，增殖，軸向及徑向布滿(mǎn)整個(gè)流道，自發(fā)對(duì)齊，形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，流道開(kāi)始實(shí)現(xiàn)血管化，Vinculin蛋白（一種細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)/細(xì)胞與支架之間相互作用的關(guān)鍵蛋白細(xì)胞）的表達(dá)驗(yàn)證了細(xì)胞與流道材料間聯(lián)系的產(chǎn)生，細(xì)胞間連接蛋白VE-Cadherin的表達(dá)表明了細(xì)胞之間形成緊密的相互連接，細(xì)胞之間實(shí)現(xiàn)明顯的交流，內(nèi)皮細(xì)胞功能蛋白CD31的表達(dá)進(jìn)一步驗(yàn)證了血管功能化的實(shí)現(xiàn)。此外，通過(guò)炎癥誘導(dǎo)因子的加載，模擬了動(dòng)脈粥樣硬化等病理?xiàng)l件下血管的炎癥反應(yīng)。

本方法的優(yōu)點(diǎn)有：

1.凝膠基微流控芯片的構(gòu)建得益于水凝膠材料的固有交聯(lián)性質(zhì)，無(wú)需引入任何其他材料。

2.二次交聯(lián)原理可以應(yīng)用于任意具有不同交聯(lián)體系的水凝膠組合。

3.獲得的凝膠基微流控芯片沒(méi)有任何結(jié)合面分界線(xiàn)，完全結(jié)合為一個(gè)整體。4.方便構(gòu)建各種復(fù)雜形式的內(nèi)部流道。

5.具有良好的生物相容性，可以實(shí)現(xiàn)血管功能化。