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东南大学葛丽芹教授等人:基于层层自组装生物涂层研制类器官芯片

学术动态    2022-07-21 17:09

 

DOI: 10.1016/j.cej.2021.129182

 

为了攻克各种疾病,科学家们不仅使用动物模型,还试图复制和重建人体器官。近年来,类器官材料逐渐进入人们的视野,成为研究的热点之一。基于人的活细胞和生理相关微环境的集成,类器官芯片可以模拟器官水平的功能,这些功能对于生理稳态和复杂疾病过程至关重要,有望补充和减少药物相关的动物实验工作。同时,类器官芯片也为体外检测化学品、环境材料和消耗品的副作用提供了良好的平台。因此,处理好细胞水平与芯片材料之间的关系,对于提高芯片的工作效率就显得尤为重要。例如,用于单细胞分析的工程微流控芯片,用于分析脂质抑制活性的脂肪细胞微细胞模式芯片,以及用于灌注细胞培养的重力诱导单向流动微流控芯片。其中,从复杂的组织环境或混合细胞群中筛选并获得所需的靶细胞(包括稀有细胞),对于细胞分子生物学基础研究、干细胞在临床治疗中的应用以及包括癌症在内的多种疾病的诊断具有重要意义。由于传统物理方法对细胞的损伤较大,且目前商用的分选仪器和磁性活细胞分选技术耗时长、成本高、步骤繁琐且需要专业技术人员操作,也会对细胞造成一定的损害。因此,设计便于细胞分选和捕获且保持细胞高活力的生物材料一直是生物医学“智能”细胞培养应用领域(如细胞治疗和组织工程)的迫切需求。

 

近日,东南大学生物科学与医学工程学院葛丽芹教授课题组和具有多年微流控芯片制造经验的陈早早副教授合作,基于生物粘附/抗粘附原理,通过层层自组装方法研制出了一种集自修复和抗氧化功能于一身的类器官生物涂层芯片,用于细胞分选、捕获和按需释放。这种微流控辅助的涂层芯片能维持高细胞活性。与上述方法相比,这种用于指导细胞行为的芯片具有快速、简单、多功能单元自由组合等优点,此设计方法为构建可控功能性表面的生物相容性平台提供了新思路。

 

图1 用于细胞分选、捕获和按需释放的类器官生物涂层芯片(CPO芯片)的设计思路

 

 

在这项工作中,该课题组鉴于之前对增强细胞粘附涂层的研究结果,制备了两种功能相反的涂层。增强粘附的涂层(CROD涂层)由RGD多肽改性的羧甲基壳聚糖/多巴胺接枝的氧化海藻酸制备,另一种抗粘附涂层(PANM涂层)主要由2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸化胆碱(MPC)组成,它是一种细胞膜上磷酸胆碱类似物,制备得到的涂层具有超强水性超润滑作用。由于CROD涂层的动态共价键和PANM涂层的偶极电荷相互作用,CPO芯片具有很强的自修复能力(自修复效率达93.1%,图1a)。此外,CPO芯片表现出了优异且稳定的抗氧化性能(图1b)。在细胞分选方面,在CPO芯片上成功分离NCL-H460肿瘤细胞、HL-60细胞等(图1d)。通过CPO芯片实现NHDF、C2C12和NCL-H460等细胞的细胞捕获(图1c)。且与CPO芯片结合的细胞在氨基酸触发下能够被按需可控释放(图1e)。值得注意的是,从CPO芯片释放的细胞具有较高的生存活力和增殖能力。因此,作为一种细胞行为指导性的生物材料,CPO芯片具有细胞分选、捕获和按需释放的特性,在基础研究和医疗器械发展方面具有很高的潜力。

图3 聚丙烯腈薄膜的光滑性和润滑性。

图4 CPO芯片的表征(CROD膜和PANM膜)