Biofabrication：可个性化定制的DLP打印多材料水凝胶微流控芯片

来源： EngineeringForLife

器官芯片包括细胞外基质样微组织，这些微组织可以调节嵌入细胞和微流控组件的生物学行为。传统的生物制造方法，如微成型和光刻，在控制微组织的组成以及材料的选择方面，存在局限性。生物3D打印，当配备多材料平台时，可以用于制作异质微组织，用于药物开发和个性化医疗。

来自美国罗文大学的Amir K. Miri团队开发了一台DLP生物3D打印机，该DLP打印机可以快速、一步地制作基于聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）和甲基丙烯酸酰化明胶（GelMA）的多材料复合水凝胶微流控芯片。该微流控芯片具有良好的机械性能和生物相容性，并且可以有效地促进微组织血管化。该生物制造方法可以为微组织模型快速集成到器官芯片和高通量药物筛选平台提供极大帮助。相关论文“Multi-Material Digital Light Processing Bioprinting of Hydrogel-Based Microfluidic Chips”发表于杂志Biofabrication上。

图1 可实现多材料打印的DLP打印机的工作原理示意图

如图1所示，研究人员设计并组装了一台DLP生物3D打印机，其中通过料槽的旋转，可以实现墨水的清洗和更换，从而实现多材料打印。

如图2所示，该DLP打印机可以打印高分辨率模型，具有制造复合结构和多材料结构的能力，能够个性化定制具有复杂结构的微组织和类器官。

图2 DLP打印机的打印能力评价

爆破压力代表着水凝胶微通道对流体压力的抵抗能力，爆破压力不足，可能会导致芯片的局部故障。爆破压力由如图3所示的定制装置来测试。结果表明，当墨水浓度升高时，爆破压力增加，爆破压力的大小可能与水凝胶的刚度有关。此外，微通道的溶胀率随着GelMA浓度的降低而减小。

图3 测试水凝胶微通道的爆破压力的装置示意图和微通道的性能表征

如图4所示，该制造方法可以个性化定制可管道连接和不同图案的微流控芯片。单独的GelMA或其它软水凝胶对微流控芯片的构建具有一定的挑战性。GelMA具有优异的生物相容性，但是它无法提供足够高的机械强度和打印保真度。因此，选择PEGDA来创建支撑和通道连接，与GelMA进行多材料复合打印，为制得的微流控芯片提供更高的稳定性和保真度。

图4 可个性化定制的多材料水凝胶微流控芯片

如图5所示，研究人员在微通道中使用人脐静脉内皮细胞（HUVEC）测试了水凝胶微流控芯片的表面特性。血管生成标志物（如CD31）的表达，标志着长期动态流动诱导的生理剪切应力使微通道逐渐形成血管管腔结构。HUVEC的生理形态和CD31的空间分布显示了动态流动可以影响微通道中细胞及微组织的生物活性。

图5 水凝胶微流控芯片中的血管建模

水凝胶主要是一种流体饱和的固体网络，水凝胶内的流体运动可以向细胞的输送营养物质，使细胞可以在相互连接的空间内进行迁移和增殖。如图6所示，在具有不同凝胶浓度的微流控芯片中观察到染料颗粒的时间依赖性扩散现象。该微流控芯片使扩散率可以量化，为研究它如何受药物性质和细胞外基质微环境的影响提供帮助。

图6 水凝胶微流控芯片中的扩散现象

综上所述，研究人员通过DLP生物3D打印技术，开发了一种将微组织模型快速集成到器官芯片和高通量药物筛选平台的生物制造方法，该制造方法可以个性化定制多材料水凝胶微流控芯片。制得的微流控芯片具有高打印保真度、可调特性和高爆破压力，与基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）的传统微流控芯片相比，具有一定的竞争力。DLP生物3D打印技术同微流控技术相结合，在制药行业和组织工程领域具有广阔的应用前景。

参考文献

Anant Bhusal, Elvan Dogan, Hai Anh Nguyen, Olga Labutina, Daniel Nieto, Ali Khademhosseini and Amir K Miri. Multi-material digital light processing bioprinting of hydrogel-based microfluidic chips. Biofabrication
https://doi.org/10.1088/1758-5090/ac2d78