微生理系统

摘要\n使用聚二甲基硅氧烷( PDMS )的软光刻技术是微流控微器件和微生理系统( MPS )等新兴技术的基石，这些系统大多在干细胞分化、药物筛选或器官样发育过程中使用疏水小分子。然而，由于PDMS的结构和疏水性，亲脂分子被强烈吸收，产生不可预测的丝裂原、药物、分化因子和分析物浓度，这是其在生物应用中的一大限制。本研究合成了几种儿茶酚功能化杯[ 4 ]芳烃基大环多酚类化合物( MPPs )，通过浸涂或流过工艺在PDMS表面包复。其中一个分子MPP5锥是由儿茶酚和间苯二酚以其锥体异构体形式合成的，增加了PDMS的亲水性，并急剧减少了对多个疏水性药物替代物的吸收，同时保持了高的透氧性、良好的细胞活力和功能。然而，基于Log P的分子吸收并没有观察到简单的规律，这表明单探针筛选PDMS阻隔涂层是不够的。涂层过程很容易通过泵的通道输液转化为微流控器件，因此在分子吸收进入PDMS是一个重要问题的应用中应该得到应用。

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。

一个微生理系统( MPS )作为动物模型的替代品，在药物筛选和毒理学检测方面有着巨大的前景。然而，该平台在使用的材料方面面临一些挑战(例如聚二甲基硅氧烷、PDMS )。例如，药物候选物和荧光染料在PDMS中的吸附以及材料对培养细胞的影响，都会导致细胞检测结果的不准确或误导。PDMS的使用也对制造MPS的批量生产和长期储存提出了挑战。因此，为了规避这些问题，本文描述了利用光键合工艺和真空紫外( VUV )开发一种基于环烯烃聚合物( COP )的MPS，称为COP-VUV- MPS。COP是一种无定形聚合物，具有化学/物理稳定性、高纯度和光学清晰度。由于金属模压工艺具有良好的热稳定性和高模量的COP，可以在不变形微结构的前提下，快速制备周期(约10 min / cycle )的MPSs；此外，采用准分子光在172 nm波长下的VUV光键合工艺可以在不使用额外溶剂和胶带的情况下组装COP材料，从而导致电池的损伤。与PDMS制成的常规MPS ( PDMS- MPS )相比，COP-VUV- MPS在不引起分子吸收的情况下表现出了更高的耐化学性质。此外，COP-VUV- MPS维持了对环境敏感的人类诱导多能干细胞的干性，而不会引起不希望的细胞表型或基因表达。这些结果表明COP-VUV- MPS可能广泛适用于MPS的进展和在药物开发中的应用，以及体外毒理学检测。

微流控微生理系统( MPSs )或“芯片上器官”是一种很有前景的替代动物模型用于药物筛选和毒理学试验。然而，大多数微流控器件都采用聚二甲基硅氧烷( PDMS )作为结构材料，存在着一些缺点。环烯烃聚合物( COPs )由于其较低的药物吸收和自荧光性，比PDMS等热塑性材料更具有优势。然而，大多数基于COP的微流控器件都是通过组分的溶剂键合制备的。值得注意的是，残留溶剂会对培养的细胞产生影响。本研究采用真空紫外光( VUV )光键合工艺，在不使用任何溶剂的情况下制备微流控器件，并与溶剂键合体系(以环己烷、二氯甲烷或甲苯为溶剂)的性能进行比较，考察残留溶剂对细胞培养的影响。定量免疫荧光实验表明，溶剂结合型COP器件对细胞外基质蛋白(如Matrigel和Ⅰ型胶原)的包被效率低于VUV结合型器件。此外，利用SH-SY5Y神经母细胞瘤细胞评价了该系统的细胞毒性，并在溶剂处理装置中观察到细胞凋亡增加。这些结果为微流控器件制造过程中所用溶剂的影响提供了见解，有助于防止不良反应并建立良好的制造实践。

微流控微生理系统( MPSs )或“芯片上器官”是一种很有前景的替代动物模型用于药物筛选和毒理学试验。然而，大多数微流控器件都采用聚二甲基硅氧烷( PDMS )作为结构材料，存在着一些缺点。环烯烃聚合物( COPs )由于其较低的药物吸收和自荧光性，比PDMS等热塑性材料更具有优势。然而，大多数基于COP的微流控器件都是通过组分的溶剂键合制备的。值得注意的是，残留溶剂会对培养的细胞产生影响。本研究采用真空紫外光( VUV )光键合工艺，在不使用任何溶剂的情况下制备微流控器件，并与溶剂键合体系(以环己烷、二氯甲烷或甲苯为溶剂)的性能进行比较，考察残留溶剂对细胞培养的影响。定量免疫荧光实验表明，溶剂结合型COP器件对细胞外基质蛋白(如Matrigel和Ⅰ型胶原)的包被效率低于VUV结合型器件。此外，利用SH-SY5Y神经母细胞瘤细胞评价了该系统的细胞毒性，并在溶剂处理装置中观察到细胞凋亡增加。这些结果为微流控器件制造过程中所用溶剂的影响提供了见解，有助于防止不良反应并建立良好的制造实践。

聚二甲基硅氧烷( PDMS )具有使用方便、弹性好、光学透明、微加工成本低等优点，是用于芯片上器官设备和微生理系统的主要材料。然而，PDMS对小分子疏水分子的吸附以及PDMS负载器件的高通量制造能力有限，严重限制了这些系统在个性化医学、药物发现、体外药动学/药效学( PK / PD )建模以及细胞对药物反应研究中的应用。因此，相对年轻的片上器官设备和MPS领域正逐步开始为这些关键应用过渡到替代的非吸收材料。本综述审查了在开发由弹性体、水凝胶、热塑性聚合物和无机材料等替代材料组成的片上器官装置和MPS方面所采取的一些第一步。同时也提供了PDMS-交替器件走向何处以及基于PDMS替代材料的多功能器件发展中必须克服的障碍的展望。

近年来，片上器官( OoC )系统引起了不同学科研究者越来越多的兴趣。OoCs以微型化的方式使体内样微环境的再创造和广泛不同组织或器官的或器官。通常，OoC平台是基于聚二甲基硅氧烷( PDMS )制成的微流控芯片，PDMS具有良好的生物相容性、透氧性和快速成型性，但其对小分子疏水分子(包括多种测试化合物、激素和细胞因子)的吸附能力有限。OoC系统的另一个共同特点是膜的集成( i )分离不同的组织室，( ii )将对流灌注限制在介质通道，( iii )为细胞单层提供机械支持。通常，多孔聚合物膜是通过轨迹刻蚀(例如聚对苯二甲酸乙二酯)来显微结构的；PET )或光刻(如PDMS )。虽然已经利用了不同生物力学性质的膜(刚性PET到弹性PDMS )，但膜结构和材料大多停留在人工状态，与体内条件(细胞外基质)不相似。在此，我们报道了一种利用激光结构的聚甲基丙烯酸甲酯( PMMA )在OoC模块中可靠制备和集成电纺膜的方法，选择PMMA作为基材，在避免吸收问题的同时提供了类似PDMS的光学参数和生物相容性。利用静电纺丝技术生成3D膜，可以生成类似于原生细胞外基质( ECM )的微环境。我们对两种不同的电纺膜进行了测试，并建立了紧密集成到PMMA模块中的工艺。人(微血管)内皮和(视网膜色素)上皮细胞层可在系统内成功培养7天，而直接接触(内皮细胞)或保护(上皮细胞)不受剪切流的影响。