热塑性弹性体3D打印+热压印，实现心脏芯片设备的自动化制造

来源： EngineeringForLife

芯片上器官装置的成功转换需要开发用于装置制造的自动化工作流程，而这面临着需要在微米级配置中精确沉积多类材料的挑战。目前许多芯片心脏设备都是手动生产的，需要熟练操作人员的专业知识和灵活性。

针对此问题，来自加拿大多伦多大学的Milica Radisic团队设计了一种自动化且可扩展的制造方法来设计Biowire II多孔平台来生成人类iPSC衍生的心脏组织。这种高通量芯片心脏平台采用荧光纳米复合微线作为力传感器，由量子点（QD）和热塑性弹性体（TPE）制成，并通过热压花在聚苯乙烯组织培养基底上进行3D打印。作为演示，作者将内置导电碳电极和TPE/QD纳米复合微线自动集成到多孔板装置中，以进行长期电调节、刺激和原位收缩评估。对各种多孔装置中的电场分布进行数学建模，以优化电极位置和孔格式，以确保组织培养的均匀电场（图1）。

相关研究成果以“Automated fabrication of a scalable heart-on-a-chip device by 3D printing of thermoplastic elastomer nanocomposite and hot embossing”为题于2023年11月7日发表在《Bioactive Materials》上。

图1 用于培养成熟人类Biowire II心脏组织的多孔板装置的可扩展制造示意图

1. 用于有效器件设计的电场分布有限元建模

增加多孔板单个足迹上存在的组织数量（即从24 孔板移动到384孔板）可以显着提高药物测试通量。然而，实现药物测试和成熟的有效组织起搏需要孔内均匀的电场分布，这可能对板上可行组织的数量施加下限。在对孔内碳电极周围的电场分布进行有限元建模时，作为孔尺寸的函数，在标准设置（10 cm 培养皿中的 Biowire II 条带）和多孔模型之间注意到场分布的变化（图2A)。具体而言，与多孔模型相比，10 cm培养皿的培养基中两个电极之间的电场分布更加均匀（图2B-C）。图2D显示了沿着水凝胶的轴向的电场（V/m）的线轮廓，该水凝胶接近中心平面中的组织。当施加电场时，所有模型中微丝壁附近的场强均明显高于平均值。总体而言，由于24孔和96孔配置中场分布的增强，相对于384孔配置，24孔和96孔的制造得到了进一步的应用。

图2 Biowire II培养装置和多孔板装置中的电场分布

2. 自动化多孔装置生产比手动制造Biowire II设置提高了效率

结合热压印和3D打印技术（图3A）来制造多孔板装置，消除了需要操作员的手动操作和插入步骤。该工艺能够形成24孔（图3B-D）和96孔板装置（图3E-G），每个孔中均具有均匀的TPE/QD微丝和平行碳电极。标准 Biowire II 平台与多孔板装置之间的制造步骤的详细比较表明每个步骤的制造时间存在显着差异（图3H）。通过这种自动化生产工艺，每个平台的制造时间从3890分钟（Biowire II 设置）显着减少到70分钟（24孔板）和74分钟（96孔板）（图3I）。当考虑每个组织孔的时间时，生产时间从483分钟（Biowire II）减少到2.9分钟（24孔），仅实现0.77分钟（96孔）（图3J）。通过这种新的制造工艺，之前通过完全手工过程制造的Biowire II平台从8微孔芯片扩展到图案化的24孔或96孔板，从而在24孔板中使每个微孔的平台生产速度加快17,500%，在96孔板中比Biowire II平台加快69,000%（图3K）。

图3 24孔板和96孔板心脏片上器件的自动化制造

3. 纳米复合微线的表征

接着，为了检测弹性微丝偏转引起的心脏组织的收缩行为，苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯（SEBS）嵌段共聚物，即热塑性弹性体，通过核壳CdSe/ZnS量子点（QD）发出荧光（图4A和B）。作者定制了纳米复合材料墨水，并将其打印成具有不同可分辨颜色的微米线（直径为 60 ± 4 μm），可以使用不同的激发波长进行激发（图4A-B）。将纳米复合材料薄膜浸入培养基中长达一个月后，TPE/QD纳米复合材料没有出现降解（图4C），这表明其具有适合长期细胞培养的稳定性。纳米复合材料微线中的量子点未改变微线的弯曲性能（图4D和E）和刚度（图4F），显示出与TPE微线相似的力-位移曲线。通过这一特性，多孔板装置中的纳米复合微线被用作力传感器来监测心脏组织的收缩行为。TPE/QD的杨氏模量显着高于POMAC，但这两个值都与天然心脏弹性相似。

图4 多孔板装置中用作组织锚定点和位移传感器的纳米复合微线的表征

4. hiPSC来源的心脏组织的成熟
由于电场分布普遍改善（图2），将成熟研究重点放在具有60 μm微丝的24孔板装置上，这些微丝与所证明的天然心肌的机械特性相似。新平台的细胞相容性首先在新生大鼠心脏组织中得到验证。使用水凝胶将心脏成纤维细胞接种到24孔板装置的每个微孔中，并进行重组以生成物理附着在纳米复合微线上的3D心脏组织。多孔平台能够提高基于hiPSC-CM的3D心脏组织的产量，并具有高度的组织形成一致性（图5A）。在接种后的第一周内，组织经历了显着的细胞凝胶压实，直到直径最终稳定（图5B-C）。使用先前建立的每周增加频率的方案来实现组织成熟。电兴奋性参数随着成熟而改善，表现为电刺激时兴奋阈值(ET)的降低和最大捕获率(MCR)的显着增加（图5D-E）。纳米复合材料微丝位移的原位记录提供了工程心脏组织收缩动力学的非侵入性读数，例如主动力、预张力和峰值持续时间（图5F-J）。

图5 24孔板装置中基于 hiPSC 的心脏组织的组装和功能

5. 使用纳米复合微线在多孔平台中进行药物测试
为了证明该装置的应用，评估了组织对增加剂量的硝苯地平和利多卡因的反应（图6）。电刺激下心脏组织的药物反应可以通过在我们的平台中追踪心脏组织的力和钙瞬变来证明（图6A）。硝苯地平暴露导致心脏组织中的力和Ca2+瞬变呈剂量依赖性下降（图6B）。硝苯地平对收缩力的半最大抑制浓度 (IC50) 为 3.6 nM，对Ca2+瞬变的半最大抑制浓度为0.8 nM（图6C）。同样，钠通道阻滞剂利多卡因的应用导致收缩力呈剂量依赖性下降（图6D-E）。总体而言，这些结果验证了具有纳米复合微线和碳电极的新型多孔板装置在药物测试中的实用性。

图6 24孔板装置能够原位记录药物暴露心脏组织中的收缩力和钙瞬变

6. 结论
高通量、可靠且可重复的芯片心脏模型的开发是一个快速发展的领域，在药物发现和疾病建模方面具有巨大的应用潜力。这项研究表明，结合使用量子点/热塑性弹性体纳米复合材料的热压花和3D打印，可以自动制造多孔板设备格式，从而实现高通量设备制造，并且无需操作员。这种格式在可扩展性、与标准液体处理和成像设备的兼容性以及同时培养多个组织样本的能力方面优于现有的Biowire II设备。这种自动化方法克服了用惰性材料和多孔板尺寸制造高通量装置的困难，并且由于装置每个孔中均匀的电场分布而能够培养成熟的心脏组织。3D打印在精确沉积基于TPE的锚点方面的多功能性，可能允许为各种组织创建其他孔板格式的设备，为跨不同器官系统的候选药物和疾病建模的高通量筛选提供平台。

文章来源：https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2023.10.019