器官芯片

Abstract(#br)Sensing and stimulating microstructures are necessary to develop more specialized and highly accurate Organ-on-Chip (OOC) platforms. In this paper, we present the integration of a conductive polymer, poly (3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS), on a stretchable membrane, core element of an Heart-on-Chip.

用于制作片上器官( OOC )应用的微流控芯片的表面修饰往往是一个耗时的过程，涉及芯片清洗、紫外( UV )曝光、蒸汽灭菌等。本文报道了一种简单、快速、经济的方法，利用标准生物安全柜内的紫外光，在微流控芯片上一步实现儿茶酚胺材料的光引发聚合和图形化。聚二甲基硅氧烷( PDMS )微流控器件中填充多巴胺和去甲肾上腺素单体，然后在紫外光照射下引发材料的聚合，为OOC的应用创造了一个高度可行的表面。我们考察了这些紫外光引发的表面涂层用于制造3种不同的OOCs的性能，微流控芯片通过3种不同的方式进行键合和修饰：1 )常规的氧等离子体键合微流控芯片填充单体溶液，然后暴露在紫外光下对表面进行修饰(等离子体键合，聚合物包复)；2 )流体层和玻璃基底均暴露在紫外光下对功能层进行包复，同时允许黏合蛋白将这2块结合在一起(紫外光键合，聚合物包复)；3 )通过掩膜将紫外光投射到聚二甲基硅氧烷( PDMS )基底上，形成流体壁微流控通道(投影包复)。3种技术中在紫外光照射聚合物涂层表面接种的Cath . a . differential ( CAD )细胞表现出明显的高细胞活力、细胞黏附、增殖、基因表达，与未涂层PDMS相比保留了功能性。UV引发的表面改性技术使用了一种极简的方法，使用较少的设备和现有的基础设施，如生物安全柜，来创建一个功能性的OOC。

微生理系统又称芯片上的器官，是用于体外模拟人体生理的微流控装置。聚二甲基硅氧烷( PDMS )是目前应用最广泛的芯片上器官材料，其制备方法和性能使其适用于低细胞毒性、光学透明、透气性等生物应用。然而，小分子的吸收和未交联低聚物的浸出可能会阻碍PDMS基片上器官用于药物发现检测。在此，我们设计了一个模块化的、无PDMS的微电生理系统，该系统能够重现PDMS器件中常见的生物屏障功能。我们的微生理系统由微流控芯片和气动微流控泵组成，以可编程压力和剪切应力驱动流动。模块化的体系结构和可编程泵使我们能够模拟多个体内微环境。首先，我们证明了在培养膜上产生循环应变的能力，并建立了肺泡气液界面模型。其次，利用三维有限元分析建模对装置内流体动力学进行了表征，建立了发生在肾小球滤过屏障处的压力驱动过滤模型。最后，我们证明我们的模型可以用于球鞘脂诱导的肾损伤的再造。总之，我们的研究结果表明，在不使用PDMS的情况下，可以构建一个多功能、模块化的微电生理系统。此外，我们在微流控装置中使用的生物惰性塑料适用于各种既定的、高通量的制造技术，如注射成型。因此，塑料片上器官的发展为满足日益增长的片上器官技术需求提供了途径。

片上肺装置可为体外构建仿生肺细胞微环境和构建肺部疾病模型提供新策略，有望极大地推动药物评价、毒理学检测和疾病模型构建的发展。本研究开发了一种新型的聚(乳酸-羟基乙酸) ( PLGA )纳米纤维/聚二甲基硅氧烷( PDMS )微孔复合膜-夹心肺-片上进行抗肿瘤药物检测。对复合膜进行了表征，结果表明其对分子具有渗透性，可用于小分子药物扩散的研究。此外，该微芯片可应用灌注液模拟极低流体剪切应力下的血流，还可通过复合膜的变形模拟肺泡的球状形态。利用该芯片评价吉非替尼对两种非小细胞肺癌细胞，肺腺癌NCI - H1650细胞株和大细胞肺癌NCI - H460细胞株的抗肿瘤药物疗效。我们进一步探讨了NCI-H460细胞在常氧和缺氧条件下对吉非替尼的耐药性。所建立的复合膜夹心肺芯片能够模拟肺生理病理微环境中更多的生化和生物物理因素，在肺肿瘤的个性化治疗中具有重要的应用。有望在临床诊断和药物筛选方面发挥潜在作用。

片上肺装置可为体外构建仿生肺细胞微环境和构建肺部疾病模型提供新策略，有望极大地推动药物评价、毒理学检测和疾病模型构建的发展。本研究开发了一种新型的聚(乳酸-羟基乙酸) ( PLGA )纳米纤维/聚二甲基硅氧烷( PDMS )微孔复合膜-夹心肺-片上进行抗肿瘤药物检测。对复合膜进行了表征，结果表明其对分子具有渗透性，可用于小分子药物扩散的研究。此外，该微芯片可应用灌注液模拟极低流体剪切应力下的血流，还可通过复合膜的变形模拟肺泡的球状形态。利用该芯片评价吉非替尼对两种非小细胞肺癌细胞，肺腺癌NCI - H1650细胞株和大细胞肺癌NCI - H460细胞株的抗肿瘤药物疗效。我们进一步探讨了NCI-H460细胞在常氧和缺氧条件下对吉非替尼的耐药性。所建立的复合膜夹心肺芯片能够模拟肺生理病理微环境中更多的生化和生物物理因素，在肺肿瘤的个性化治疗中具有重要的应用。有望在临床诊断和药物筛选方面发挥潜在作用。

近十年来，微流控芯片上肠模型作为研究健康和疾病中肠道功能的新平台不断出现。这些微生理系统以机械线索的形式或通过多种细胞类型和/或肠道微生物素的掺入，增加了微环境背景，从而更好地反映了肠道的结构和生理。本文综述了目前的芯片上肠模型，区分了基于细胞或类器官的模型和应用体外组织活检的模型，以及芯片上肠模型在研究宿主-微生物相互作用和肠道疾病方面的进展和需要克服的障碍。

聚二甲基硅氧烷( PDMS )具有透明性、柔韧性、透气性和易用性等特点，是一种应用于各种生物医学领域的有机硅合成材料。虽然PDMS在微观和纳米尺度上促进和辅助了复杂的几何结构的制备，但它并不能与细胞进行最佳的粘附和增殖。人们提出了各种策略来渲染PDMS以增强细胞附着。这些表面改性技术大部分已提供给静态细胞培养系统。然而，像芯片上的器官设备这样的动态细胞培养系统需要平台来重现活体组织微环境的复杂性。在片上器官平台中，PDMS表面通常被细胞外基质( ECM )蛋白包被，这种包被是由于PDMS与ECM蛋白之间存在物理和弱的结合，当受到剪切应力时这种结合会被降解。本文报道了利用聚多巴胺( PDA )在PDMS基微流控器件中共价结合胶原的静态和动态涂层方法，并通过水接触角测量和原子力显微镜( AFM )对涂层方法进行了评价，优化了涂层条件。通过在微流控装置中培养原代人支气管上皮细胞( HBECs )，评价胶原涂层PDMS器件的生物相容性。结果表明，两种PDA涂层方法均能结合胶原蛋白，从而提高细胞的粘附力(约3倍以上)，但两种方法的细胞粘附力没有明显差异。这些结果表明，这样的表面修饰可以帮助在PDMS基微流控器件上包复细胞外基质蛋白。

称为‘芯片上器官’的先进体外模型可以模拟各种组织中发现的特定细胞环境。其中许多模型包括一种薄的，有时是柔性的，旨在模拟体内屏障的细胞外基质( ECM )支架的膜。这些膜往往是由聚二甲基硅氧烷( PDMS )制成的，这种硅橡胶对基膜的化学和物理性能模拟较差。然而，ECM及其力学特性对组织的稳态起着关键作用。在这里，我们报告了具有类似于体内发现的成分和机械性能的生物膜。制备了两种胶原-弹性蛋白( collagen-elastin，CE )膜：玻璃化膜和非玻璃化膜(称为\"水凝胶膜\" )。采用鼓胀试验方法对其力学性能进行了表征。利用原子力显微镜( AFM )对结果进行了比较，这是一种用于评价软材料在纳米级的杨氏模量的标准技术。结果表明，通过调节CE的配比、制备方式(玻璃化与否)和/或温度等参数，可以制备出硬度在几百kPa到1 kPa之间的CE膜。利用鼓胀试验可以很容易地确定杨氏模量。这种方法是一种稳健和重复性好的测定膜刚度的方法，即使对于软膜，也更难用AFM来评估。评估基底刚度对人成纤维细胞在这些表面铺展的影响表明，细胞铺展在较软的表面比在较硬的表面要低。