功率放大器行業(yè)應(yīng)用分享：微組織工程的拓?fù)渌z的微流控配方研究
微流控技術(shù)是一種通過(guò)微小的通道和微型裝置對(duì)流體進(jìn)行精確操控和分析的技術(shù)。它是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)技術(shù)發(fā)展過(guò)程中的一種重要的生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)，具有廣泛的應(yīng)用前景和重要性。它在高通量分析、個(gè)性化醫(yī)療、細(xì)胞篩選等方面有著巨大的潛力，Aigtek安泰電子今天就將為大家分享一篇微流控領(lǐng)域研究成果，一起接著往下看吧~
微流控技術(shù)已成為一種強(qiáng)有力的工具，用于產(chǎn)生亞毫米大小的細(xì)胞聚集體，能夠執(zhí)行組織特異性功能，即所謂的微組織，應(yīng)用于藥物測(cè)試、再生醫(yī)學(xué)和細(xì)胞治療。近日，來(lái)自波蘭科學(xué)院物理化學(xué)研究所JanGuzowski教授團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)回顧了該領(lǐng)域的最新進(jìn)展，特別關(guān)注小“維度”的細(xì)胞包裹微凝膠的配方:“0D”(顆粒)、“1D”(纖維)、“2D”(薄片)等，重點(diǎn)對(duì)微凝膠的區(qū)域化和自組裝的各種可能途徑進(jìn)行了分類，包括不同拓?fù)浜途S度結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生。此外，作者還確定了可利用的劃分結(jié)構(gòu)的微流體技術(shù)：(i)自組裝平靜液態(tài)架構(gòu)，通常由多個(gè)不能混合的液態(tài)部分，或(ii)瞬時(shí)不平衡由多個(gè)組成的架構(gòu)易混合的片段通過(guò)快速交聯(lián)反應(yīng)淬滅。最后系統(tǒng)地回顧了拓?fù)湮⒔Y(jié)構(gòu)的最新組織特異性應(yīng)用，包括多種類型的微組織，包括微型胰腺、肝臟、肌肉、骨骼、心臟、神經(jīng)組織、脈管系統(tǒng)以及干細(xì)胞球體和微腫瘤。相關(guān)研究成果以“Microfluidic Formulation of Topological Hydrogels for Microtissue Engineering”為題于2022年9月15日發(fā)表在《Chemical Reviews》上。
圖1微流體輔助微組織工程的主要興趣主題
本文主要分為五大模塊進(jìn)行，如圖1所示，主要內(nèi)容分別是：（1）微凝膠維度和拓?fù)涞囊话惴诸?；?）微流體制劑中使用的不同類型的水凝膠；（3）可用的微流體方法；（4）拓?fù)渌z微結(jié)構(gòu)的制造；（5）不同類型的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。
1.微凝膠維度和拓?fù)涞囊话惴诸?/p>
首先，作者根據(jù)它們的(i)“維度”和(ii)拓?fù)鋵?duì)劃分的水凝膠微結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類。就“維度”而言，主要將其分為0D、1D、2D、3D、4D；通過(guò)結(jié)構(gòu)的拓?fù)湫裕饕獎(jiǎng)澐譃橥虥](méi)拓?fù)浜蚃anus拓?fù)洌▓D2）。
圖2微凝膠結(jié)構(gòu)的多樣性
2.微流體制劑中使用的不同類型的水凝膠
目前，最常用于制備用于組織工程的微凝膠的生物聚合物包括(i)天然來(lái)源的聚合物，例如多糖，例如瓊脂糖、透明質(zhì)酸、殼聚糖或藻酸鈣，或基于蛋白質(zhì)的聚合物，例如明膠、膠原、纖維蛋白或基質(zhì)凝膠或其他類型的脫細(xì)胞基質(zhì)(dECM)，(ii)部分合成的聚合物，例如明膠甲基丙烯酰(GelMa)，或(iii)完全合成的聚合物，例如聚乙二醇(PEGs)及其衍生物。
?。?）力學(xué)性能形成3D細(xì)胞培養(yǎng)支架的水凝膠的機(jī)械性能不僅決定了支架的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，而且通過(guò)機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)，即由外部機(jī)械信號(hào)誘導(dǎo)的生物化學(xué)信號(hào)，直接影響包埋細(xì)胞的行為。在仿生基質(zhì)中，取決于所應(yīng)用的仿生策略，基質(zhì)的機(jī)械性質(zhì)應(yīng)該與天然組織或天然ECM的性質(zhì)相匹配。各種組織和各種水凝膠的楊氏模量之間的詳細(xì)比較總結(jié)于圖3中。
圖3組織與生物材料：機(jī)械性能的比較
?。?）細(xì)胞與水凝膠的相互作用細(xì)胞粘附和增殖是健康組織生長(zhǎng)所必需的。生長(zhǎng)因子只能在少數(shù)天然來(lái)源的水凝膠中發(fā)現(xiàn)，如Matrigel或dECM，而細(xì)胞粘附基序也天然存在于殼聚糖、膠原、纖維蛋白、明膠和GelMa中，但不存在于瓊脂糖、藻酸鹽、透明質(zhì)酸或PEG中。在后一種情況下，可以通過(guò)水凝膠的適當(dāng)化學(xué)功能化來(lái)促進(jìn)細(xì)胞粘附。
（3）生物降解性在水凝膠作為臨時(shí)支持物的應(yīng)用中，支架應(yīng)該隨著組織的成熟而逐漸降解。在這種情況下，水凝膠的降解速率需要與組織發(fā)育的速率相匹配，而組織發(fā)育的速率又取決于組織的類型。水凝膠的降解通常由兩種機(jī)制之一引起:酶解或水解。酶促降解是一種局部現(xiàn)象，而由于不穩(wěn)定化學(xué)鍵的存在，水解發(fā)生在水凝膠的整個(gè)體積中。
3.可用的微流體方法
第三部分主要回顧了微凝膠制劑的微流體策略，其通常必須考慮所用水凝膠的類型及其交聯(lián)機(jī)理。在許多情況下，交聯(lián)過(guò)程中涉及的物理化學(xué)因素是決定微通道和微流體連接的布局和/或尺寸的因素。
物理交聯(lián)依賴于水凝膠分子自組裝成網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)由溶液溫度的變化誘導(dǎo)或由聚合物鏈和交聯(lián)劑之間的物理(非共價(jià))相互作用介導(dǎo)，如離子相互作用、氫鍵或主客體絡(luò)合。物理交聯(lián)過(guò)程的優(yōu)點(diǎn)是條件溫和，使得包埋的細(xì)胞保持高水平的生存力（圖4a-c）。
各種化學(xué)交聯(lián)方法已經(jīng)成功地用于配制微凝膠。在可用的方法中，紫外引發(fā)的交聯(lián)具有交聯(lián)時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)，因此即使使用可混溶的水凝膠前體，也可容易地用于產(chǎn)生間隔化的微凝膠。另一方面，酶法、邁克爾加成法或點(diǎn)擊化學(xué)法通常更具生物相容性，并且在技術(shù)上更易于實(shí)施，因?yàn)樗鼈儾恍枰獙⑷魏瓮獠吭O(shè)備(例如紫外光源)整合到微流體工作流程中，并且因此為不太復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)提供了最佳解決方案。（圖4d-e）
圖4水凝膠液滴交聯(lián)的微流體策略
4.拓?fù)渌z微結(jié)構(gòu)的制造
對(duì)于1D結(jié)構(gòu)，作者主要從橫向圖案化的微纖維、縱向圖案化超細(xì)纖維、“1.5D”帶狀結(jié)構(gòu)、水凝膠纖維和絲帶中的復(fù)雜圖案化和信息編碼幾方面分別展開敘述；2D結(jié)構(gòu)構(gòu)成了一組相對(duì)較小的微流體輔助組織工程支架，包括多孔膜、自下而上組裝的2D微凝膠棋盤圖案和水凝膠液滴網(wǎng)絡(luò)；3D結(jié)構(gòu)主要包括可注射顆粒支架，包括顆粒生物墨水、3D打印的基于液滴的結(jié)構(gòu)、3D打印或捆綁的微纖維和散裝多孔材料。
5.不同類型的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用
在回顧了制造載細(xì)胞微凝膠的微流體方法之后，最后作者詳細(xì)地描述它們?cè)诮M織工程中的應(yīng)用。這部分主要從微凝膠的維度和拓?fù)錄Q定的應(yīng)用以及組織和細(xì)胞類型的特定應(yīng)用展開敘述。
由微凝膠的維度和拓?fù)錄Q定的應(yīng)用如圖6所示，展示了0D、1D、2D、3D、4D微凝膠的各種結(jié)構(gòu)激發(fā)的多種應(yīng)用，如組織建模、再生醫(yī)學(xué)和細(xì)胞療法、藥物測(cè)試等；此外，作者一一研究了廣泛的組織，包括肝臟、胰腺、神經(jīng)元、心臟組織、骨骼肌、骨骼和血管組織，還討論了干細(xì)胞和癌細(xì)胞封裝作為再生和個(gè)性化醫(yī)學(xué)的新興策略的最新進(jìn)展。
圖5組織工程中的多種應(yīng)用
帶寬：（-3dB）DC~5kHz
電壓：10kVp-p（±5kVp）
電流：20mAp
功率：100Wp
壓擺率：≥111V/μs
綜上，微流體最近已成為一種強(qiáng)大的工具，可用于生成能夠執(zhí)行組織特異性功能的亞毫米級(jí)細(xì)胞聚集體，即所謂的微組織，用于藥物測(cè)試、再生醫(yī)學(xué)和細(xì)胞療法。拓?fù)渖锊牧系奈⒘骺胤椒ㄔ谖⑿徒M織和器官（如胰腺、肝臟、肌肉、骨骼、心臟、神經(jīng)組織或脈管系統(tǒng)）的工程設(shè)計(jì)以及為干細(xì)胞擴(kuò)增定制微環(huán)境的制造方面取得了重大進(jìn)展和分化，或在癌癥建模中，包括生成用于個(gè)性化藥物測(cè)試的血管化腫瘤。通過(guò)利用各種交聯(lián)機(jī)制和各種路徑進(jìn)行劃分，回顧了可用的微流體制造方法，并批判性地討論了可用的組織特異性應(yīng)用。最后，列出了剩余的挑戰(zhàn)，例如簡(jiǎn)化微流體工作流程以使其在生物醫(yī)學(xué)研究中的廣泛使用、從實(shí)驗(yàn)室到床邊的過(guò)渡（包括生產(chǎn)升級(jí)）、進(jìn)一步的體內(nèi)驗(yàn)證、更精確的器官樣模型的生成以及整合誘導(dǎo)多能干細(xì)胞作為邁向臨床應(yīng)用的一步。
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