浙江大學(xué)賀永教授課題組：水凝膠三維微流控芯片及在其上構(gòu)建的血管芯片

來源：賀永科學(xué)網(wǎng)博客

浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院賀永教授課題組發(fā)明了一種基于二次交聯(lián)的凝膠基微流控芯片制造新方法，能夠構(gòu)造具有不同復(fù)雜內(nèi)部流道的凝膠芯片，進(jìn)而接種血管內(nèi)皮細(xì)胞，形成具有血管形態(tài)和功能的血管模型。通過凝膠基血管芯片的構(gòu)建不僅可以模擬血管的主要功能，還可以借助微流控手段施加各種流體剪切及生物因子的刺激。實(shí)現(xiàn)在時(shí)間和空間上重現(xiàn)體內(nèi)的血管環(huán)境，它可以應(yīng)用于血管化過程研究，心血管疾病研究，體外組織工程器官芯片的構(gòu)建，腫瘤藥物篩選等。本方法可實(shí)現(xiàn)微流道高強(qiáng)度封裝，便于物理剪切力、生物因子等施加刺激；同時(shí)水凝膠也為營養(yǎng)滲透以及分子擴(kuò)散提供了高效支撐。

基于二次交聯(lián)的凝膠基微流控芯片制造工藝及原理

一直以來，器官芯片的基底材質(zhì)通常是PDMS，塑料、硅等適合于微加工的材料，水凝膠可否作為微流控芯片的材料呢？他們設(shè)計(jì)了一種Bottom-Up的芯片制造策略，先加工出帶有微槽的水凝膠層（每層水凝膠含有兩種水凝膠材料，一種用于固化，一種用于后續(xù)的二次交聯(lián)），然后將水凝膠層堆疊拼裝，進(jìn)行二次交聯(lián)，實(shí)現(xiàn)三維水凝膠微流控芯片制造。用這種方法，可制造帶有螺旋形流道、分叉流道、蛇形流道、多層互通流道等的水凝膠芯片。

帶有復(fù)雜內(nèi)部流道的水凝膠芯片

基于二次交聯(lián)方法構(gòu)造的水凝膠基血管芯片

流道上的內(nèi)皮細(xì)胞逐漸貼壁，增殖，軸向及徑向布滿整個(gè)流道，自發(fā)對(duì)齊，形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，流道開始實(shí)現(xiàn)血管化，Vinculin蛋白（一種細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)/細(xì)胞與支架之間相互作用的關(guān)鍵蛋白細(xì)胞）的表達(dá)驗(yàn)證了細(xì)胞與流道材料間聯(lián)系的產(chǎn)生，細(xì)胞間連接蛋白VE-Cadherin的表達(dá)表明了細(xì)胞之間形成緊密的相互連接，細(xì)胞之間實(shí)現(xiàn)明顯的交流，內(nèi)皮細(xì)胞功能蛋白CD31的表達(dá)進(jìn)一步驗(yàn)證了血管功能化的實(shí)現(xiàn)。此外，通過炎癥誘導(dǎo)因子的加載，模擬了動(dòng)脈粥樣硬化等病理?xiàng)l件下血管的炎癥反應(yīng)。

本方法的優(yōu)點(diǎn)有：
1.凝膠基微流控芯片的構(gòu)建得益于水凝膠材料的固有交聯(lián)性質(zhì)，無需引入任何其他材料。
2.二次交聯(lián)原理可以應(yīng)用于任意具有不同交聯(lián)體系的水凝膠組合。
3.獲得的凝膠基微流控芯片沒有任何結(jié)合面分界線，完全結(jié)合為一個(gè)整體。
4.方便構(gòu)建各種復(fù)雜形式的內(nèi)部流道。
5.具有良好的生物相容性，可以實(shí)現(xiàn)血管功能化。

相關(guān)論文Vessel-on-a-chip with Hydrogel-based Microfluidics近日刊登在WILLY旗下的SMALL雜志上。第一作者為聶晶博士生、高慶博士后、王怡棟博士生，通訊作者為賀永教授和轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)院的陳偉教授。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.201802368