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一种将电纺膜集成到低吸收热塑性器官芯片中的

公司新闻    2021-09-22 16:21

Doi:10.1021/acsbiomaterials.0c01062

近年来,器官芯片(OoC)系统引起了来自不同学科的研究人员越来越多的兴趣。OoCs 能够以小型化的方式重建类似体内的微环境,并生成各种不同的组织或器官。最常见的是,OoC 平台基于由聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 制成的微流体模块。虽然在生物相容性、透氧性和快速原型设计方面具有优势,但 PDMS 具有主要局限性,因为它吸收小的疏水分子,包括许多类型的测试化合物、激素和细胞因子。OoC 系统的另一个共同特征是膜的集成 (i) 以分隔不同的组织隔室,(ii) 将对流灌注限制在介质通道中,和/或 (iii) 为细胞单层提供机械支持。通常,多孔聚合物膜使用轨迹蚀刻(例如,聚对苯二甲酸乙二醇酯;PET)或光刻(例如,PDMS)进行微结构化。尽管已经使用了不同生物力学特性的膜(刚性 PET 到弹性 PDMS),但膜结构和材料仍然主要是人造的,与体内条件(细胞外基质)不同。在这里,作者报告了一种在 OoC 模块中可靠制造和集成电纺膜的方法,该模块由激光结构的聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)制成。选择 PMMA 作为基材提供了类似于 PDMS 的光学参数和生物相容性,同时避免了吸收问题。使用静电纺丝技术生成 3D 膜,可以生成类似于天然细胞外基质 (ECM) 的微环境。测试了两种不同类型的静电纺丝膜,并建立了与 PMMA 模块紧密集成的工艺。人类(微血管)内皮和(视网膜色素)上皮细胞层可以在系统内成功培养长达 7 天,同时直接暴露于(内皮细胞)或保护(上皮细胞)免受剪切流的影响。该新方法能够实现 OoC 平台的多功能制造,该平台可以根据感兴趣组织的天然环境进行定制,同时适用于无限制的化合物或化学品测试。

 

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图 1. 芯片设计和制造:(A)左:PLA-GM2 芯片的照片;中心:膜的明场显微镜图像(比例尺:500 μm);右:芯片上纤维的自发荧光(DAPI 通道)的共聚焦图像(比例尺:50 μm);(B) 芯片设计各层示意图;(C) 静电纺丝过程显示了纤维沉积设置,其特点是由“d”指示的非导电 PDMS 件产生的额外距离,用于在基板上方创建平面膜。(D) 膜制造过程中图像的时间顺序:(i) 将结构化PMMA片(连同下面的 PDMS 板)包装到铝箔中。铝箔位于两侧,沿通道形成纤维取向;(ii) 膜旋涂在整个零件上;(iii) 使用用 HFIP 润湿的手术刀沿PMMA部件与铝箔的界面切割后的膜,从而使膜与 PMMA 局部结合;(iv) 去除 PDMS 后结构化PMMA上的膜;(v) 通道周围激光切割后的膜;vi) 具有最小必要膜尺寸的用于粘合过程的膜的最终几何形状;(E) 激光切割工艺对光纤的影响;(i) PLA 膜; (ii) PLA-GM2 膜(比例尺:100 μm)。

 

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图 2. 芯片制备过程中膜的形态变化:(A、C) 粘合前电纺膜 PMMA 层的代表性图像; (B,D) 键合后 PMMA 芯片的代表性图像;(E) 粘合前和粘合后 (F) PLA 膜的明场显微镜;(G) PLA-GM2 膜在粘合前和 (H) 粘合后的明场显微镜;(I) PLA膜在温度处理前和(J)后形貌的SEM图像;(K) PLA-GM2 膜在温度处理之前和 (L) 之后的形貌的 SEM 图像;(M,N) PLA 膜由于涂层的形态和接触角的变化:(M) 涂层前,具有高疏水性;(N) 涂层后,疏水性低;显微图像;比例尺:500 μm (E-H);SEM图像;比例尺:20μm (IN)。

 

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图 3. 罗丹明 B 在 PMMA 芯片中的扩散曲线与由 PDMS 制成的对照芯片相比;(A) 实验开始和结束时染料扩散的荧光显微镜图像(比例尺:100 μm);(B) 120 分钟内的相对平均 ROI 强度;这些值(w/标准偏差的平均值)是从位于通道和散装材料之间边缘中央的矩形区域获得的,其中矩形的一半覆盖了通道的内部,另一半覆盖了通道的外部。因此,起始值为 50% 强度。

 

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图 4. 灌注开始前在膜上培养的不同细胞类型的活/死染色;绿色(FDA - 表示活细胞); 红色(PI - 表示死细胞);白色虚线标记两个通道重叠的区域;通道重叠以外的单元是由于芯片未对准造成的;A: PLAmembrane 上的 mvECs;B:PLA-GM2 膜上的 mvEC;C: PLAmembrane 上的 RPE;D:PLA-GM2 膜上的 RPE(比例尺:100 μm)。

 

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图 5. 灌注培养的芯片。(A) mvEC 灌注示意图:流动和剪切力直接施加到细胞层上,灌注通道显示在横截面中,并用圆圈表示。(B) 片上培养 7 天后 mvECs 到 PLA 膜上 (C) 片上培养 7 天后 mvECs 到 PLA-GM2 膜上(红色:CD31;蓝色:DAPI);(D) RPE 灌注示意图:保护细胞免受通过膜的直接剪切力;(E) 片上培养 4 天后 RPE 到 PLA 膜上;(F) 片上培养 4 天后 RPE 到 PLA-GM2 膜上(绿色:鬼笔环肽;蓝色:DAPI;比例尺:50 μm);(G) 细胞取向的分布取决于材料和细胞类型,显示沿纤维方向 (0°) 的优选取向;(H) 在通过上部通道灌注免疫细胞后,下部水凝胶填充通道(175 μm 高)的共聚焦显微镜 z 堆叠,揭示细胞迁移通过膜(PLA-GM2 和 PLA)。