一刀切:使用流聚焦微流体的水凝胶纤维结构的生物制造

由微流控技术开发的细胞负载水凝胶超纤维结构代表了一种令人兴奋的方法，可以在微尺度上再现生物组织的结构和功能。此外，它们在不同3D环境的建模中也很有价值，例如癌症模型中的多细胞隔室。然而，迄今为止，只能通过使用单独设计的需要不断调整的微流体装置来创建具有复杂形状和成分的广泛多室微纤维。本文讨论了一种新颖的生物制造方法，该方法利用单个三维流体动力聚焦芯片可重复且精确地生成具有特定几何形状的不同水凝胶结构，用于各种生物应用。

一模一样

水凝胶超纤维结构在生物医学领域具有深远的潜力，因为它们可以用来模拟不同生物组织的尺寸、力学和复杂性、疾病病理和详细的药物反应。例如，可以使用三条带形状制造纤维上的黑色素瘤模型，以模拟癌细胞在基底膜和基质微环境中的侵袭行为。

然而，以前使用2D水动力芯片创建不同水凝胶几何形状的方法存在一些挑战，例如，许多形态需要自己特定的微流体设置。除此之外，传统的2D芯片具有简单的几何形状，因此可以生产的超纤形状范围非常有限。针对这些问题，一种使用单一三维流体动力流聚焦芯片的替代生物制造技术已经开发出来，该技术可以将水凝胶前体纺成各种复杂结构的多材料、多腔室微纤维。¹

微流体的一个新维度

3D流聚焦芯片是微流控器件，通常设计用于产生极单分散液滴。在新的微流控生物制造方法中，不同的溶液流经新型3D流体聚焦芯片(Dolomite microfluics)的四个独立通道，在连接处相遇，生成由所有输入流体组成的3D聚焦流(图1)通过在液滴掐断区域形成三维护套流，减少表面污染，延长液滴生产时间，延长芯片寿命。

图1:一个三维流聚焦芯片的通道组织和结点配置示意图。

然后将流体流旋转到交联氯化钙浴中，当它从出口通道中出现时，在挤压上形成水凝胶纤维。通过以比其旋转速度更高的速度拉动气流，可以实现相当大的尺寸减小，产生大约2 - 3米的多室水凝胶纤维，直径小于50 μm，这是文献中引用的最小的水凝胶纤维尺寸之一(图2)。

图2:通过以比纺丝速度更快的速度拉动水凝胶前驱体，可以将纤维尺寸从100 μm减小到50 μm以内，同时还能保持其形状。

到目前为止，3D流聚焦已经被证明是制造大量3D结构的一种快速有效的方法，这些结构可以被加工成许多更小的长度，并用于不同的模型阵列。通过采用可选的通道配置，可以创建一系列水凝胶纤维形状(图3)。

图3:获得不同水凝胶纤维形状所需的通道配置:核-壳(i)、带状(ii)、双janus (iii)、三同轴(iv)、双核-壳(v)和油核-水凝胶-壳(vi)。颜色表示所使用的不同溶液，如每张显微镜图像左侧所示。带蓝色微粒的结冷胶，带红色微粒的rGG结冷胶。

人们发现调节溶液的粘度和施加不同水平的压力也会以不同的方式分布纤维内部的材料(图4)。这可重复地产生了大量不同的室结构和超纤维尺寸，从水凝胶和疏水核壳形状到带状结构，包括许多以前未观察到的几何形状。然而，粘度和压力似乎对可以使用典型的2D流聚焦芯片制造的结构范围没有任何显著影响。

图4:在核壳(顶部)和带状(底部)形态中，压力比对纤维腔室相对大小的影响。内外通道压力比从左到右减小，导致芯径减小或内带厚度减小。带蓝色微粒的结冷胶，带红色微粒的rGG结冷胶。

为新的应用打开大门

研究人员现在正在更深入地研究材料、粘度和压力对超细纤维形状的影响，最终目标是能够预测在不同情况下产生的形态。由于对高度逼真的组织模型的需求不断增长，流聚焦微流体在癌症建模方面的潜力也越来越受到关注。可以理解的是，制药公司对在一种快速容易制造的活材料上试验新分子和药物非常感兴趣，以加快测试过程，降低开发新疗法的总成本。使用三维流聚焦微流控生物结构来添加构建比目前可用的更大的组织工程模型的实用性也正在探索中。

这种原始的生物制造方法与生物应用高度相关，因为它是第一个组装接近单细胞和其他小生物结构(如血液小动脉)大小的3D结构的方法。因此，三维流聚焦一个强大而多功能的平台，可用于建模各种各样的组织和场景在体外，产生更逼真和现实的结果，并帮助科学家们更接近找到多种疾病的治疗方法。

参考:Guimarães CF, Gasperini L, Marques AP, Reis RL。三维流聚焦微流控生物制造:一芯片通用的水凝胶纤维结构。今天应用板牙．2021; 23:101013。doi:10.1016 / j.apmt.2021.101013

作者简介:

卡洛斯·f·Guimarães他是3B研究小组的博士后研究员。他最近在葡萄牙米尼奥大学3B研究小组和美国斯坦福大学癌症早期检测中心的合作下完成了组织工程、再生医学和干细胞的博士学位。

卢卡Gasperini他是3B研究小组的博士后研究员。他拥有意大利特伦托大学颁发的材料科学与工程博士学位。他在3B的研究小组工作，专门研究生物医学应用材料。

Alexandra P. Marques他是3B研究小组的首席研究员。她拥有组织工程、再生医学和干细胞的康复学位，干细胞专业，材料科学与技术-生物材料博士学位，生物化学学士学位。她是葡萄牙米尼奥大学3B研究小组的创始人和首席研究员，她的研究兴趣集中在将干细胞和生物材料的知识整合到组织工程中，以定义创新的策略来改善皮肤伤口愈合。

瑞·l·瑞斯是葡萄牙米尼奥大学组织工程、再生医学、生物材料和干细胞专业的正教授。他还是3B研究小组-葡萄牙生物材料、生物可降解物和仿生学研究所的主任。

理查德·格雷他是Blacktrace Inc.的业务发展总监，该公司是总部位于英国的Blacktrace集团的美国办事处，包括白云石生物、白云石微流体和粒子工程品牌。他是Blacktrace公司的两位联合创始人之一，该公司成立于20年前，旨在将微流控技术商业化，用于广泛的科学应用。