微流控技術是一種通過微小的通道和微型裝置對流體進行精確操控和分析的技術。它是現代醫學技術發展過程中的一種重要的生物醫學工程技術，具有廣泛的應用前景和重要性。它在高通量分析、個性化醫療、細胞篩選等方面有著巨大的潛力，Aigtek安泰電子今天就將(jiang)為大家分(fen)享一篇微流控(kong)領域研究(jiu)成果，一起接著往下看吧~

　　微(wei)(wei)(wei)流控技術已成(cheng)為(wei)一種(zhong)強有力的(de)(de)(de)工具，用(yong)于產生亞毫米大小(xiao)的(de)(de)(de)細胞聚集體(ti)，能夠執行(xing)組(zu)(zu)(zu)織特(te)(te)異性功能，即所謂(wei)的(de)(de)(de)微(wei)(wei)(wei)組(zu)(zu)(zu)織，應用(yong)于藥物測試、再生醫學(xue)和(he)細胞治療。近日(ri)，來(lai)自波蘭科學(xue)院物理化(hua)學(xue)研究所JanGuzowski教(jiao)授團隊系(xi)(xi)統(tong)回顧(gu)了(le)該領域的(de)(de)(de)最新進(jin)(jin)展，特(te)(te)別關注小(xiao)“維度(du)”的(de)(de)(de)細胞包裹微(wei)(wei)(wei)凝膠的(de)(de)(de)配方(fang):“0D”(顆粒)、“1D”(纖維)、“2D”(薄片)等，重點對微(wei)(wei)(wei)凝膠的(de)(de)(de)區(qu)域化(hua)和(he)自組(zu)(zu)(zu)裝(zhuang)的(de)(de)(de)各種(zhong)可(ke)能途(tu)徑(jing)進(jin)(jin)行(xing)了(le)分類，包括不(bu)(bu)同拓(tuo)撲(pu)和(he)維度(du)結(jie)構(gou)的(de)(de)(de)產生。此外，作者還確定了(le)可(ke)利用(yong)的(de)(de)(de)劃分結(jie)構(gou)的(de)(de)(de)微(wei)(wei)(wei)流體(ti)技術：(i)自組(zu)(zu)(zu)裝(zhuang)平靜(jing)液態架構(gou)，通常由多(duo)個不(bu)(bu)能混合的(de)(de)(de)液態部(bu)分，或(ii)瞬時(shi)不(bu)(bu)平衡由多(duo)個組(zu)(zu)(zu)成(cheng)的(de)(de)(de)架構(gou)易混合的(de)(de)(de)片段通過(guo)快速交聯反(fan)應淬滅(mie)。最后(hou)系(xi)(xi)統(tong)地回顧(gu)了(le)拓(tuo)撲(pu)微(wei)(wei)(wei)結(jie)構(gou)的(de)(de)(de)最新組(zu)(zu)(zu)織特(te)(te)異性應用(yong)，包括多(duo)種(zhong)類型的(de)(de)(de)微(wei)(wei)(wei)組(zu)(zu)(zu)織，包括微(wei)(wei)(wei)型胰腺、肝(gan)臟(zang)、肌肉、骨(gu)骼、心臟(zang)、神經組(zu)(zu)(zu)織、脈管系(xi)(xi)統(tong)以及干細胞球體(ti)和(he)微(wei)(wei)(wei)腫瘤。相關研究成(cheng)果以“Microfluidic Formulation of Topological Hydrogels for Microtissue Engineering”為(wei)題于2022年(nian)9月(yue)15日(ri)發表在(zai)《Chemical Reviews》上。

　　圖1微流體輔助(zhu)微組織工程的主要興趣主題

　　本文主要(yao)分(fen)為五大模塊進行(xing)，如圖1所示，主要(yao)內(nei)容分(fen)別(bie)是：（1）微(wei)凝膠維度和拓(tuo)撲(pu)的(de)一般分(fen)類；（2）微(wei)流體制劑中使用(yong)的(de)不(bu)同類型的(de)水凝膠；（3）可用(yong)的(de)微(wei)流體方法(fa)；（4）拓(tuo)撲(pu)水凝膠微(wei)結(jie)構(gou)的(de)制造；（5）不(bu)同類型的(de)生物醫學(xue)應用(yong)。

　　1.微凝膠維度和拓撲的一般分類(lei)

　　首先，作者根據它(ta)們的(i)“維(wei)(wei)度”和(he)(ii)拓(tuo)(tuo)撲(pu)對劃(hua)分(fen)(fen)的水凝膠微結(jie)構進行分(fen)(fen)類。就“維(wei)(wei)度”而言，主要將其分(fen)(fen)為0D、1D、2D、3D、4D；通過結(jie)構的拓(tuo)(tuo)撲(pu)性(xing)，主要劃(hua)分(fen)(fen)為吞(tun)沒拓(tuo)(tuo)撲(pu)和(he)Janus拓(tuo)(tuo)撲(pu)（圖2）。

　　圖(tu)2微凝(ning)膠結構的多(duo)樣性

　　2.微流(liu)體制劑中使(shi)用的不同類型(xing)的水凝膠

　　目前，最常用于(yu)(yu)制備用于(yu)(yu)組織工程的(de)(de)微凝膠(jiao)的(de)(de)生物聚合(he)物包括(kuo)(i)天(tian)然(ran)來源的(de)(de)聚合(he)物，例(li)如(ru)多糖，例(li)如(ru)瓊脂糖、透明質酸(suan)、殼聚糖或(huo)藻酸(suan)鈣，或(huo)基于(yu)(yu)蛋(dan)白質的(de)(de)聚合(he)物，例(li)如(ru)明膠(jiao)、膠(jiao)原、纖維蛋(dan)白或(huo)基質凝膠(jiao)或(huo)其(qi)他類型的(de)(de)脫細胞基質(dECM)，(ii)部分(fen)合(he)成(cheng)的(de)(de)聚合(he)物，例(li)如(ru)明膠(jiao)甲基丙烯酰(GelMa)，或(huo)(iii)完全(quan)合(he)成(cheng)的(de)(de)聚合(he)物，例(li)如(ru)聚乙二醇(PEGs)及其(qi)衍生物。

　　（1）力學(xue)性(xing)(xing)能形(xing)成(cheng)3D細胞(bao)培養支(zhi)架的(de)(de)(de)水凝膠的(de)(de)(de)機械(xie)(xie)(xie)性(xing)(xing)能不僅決定了支(zhi)架的(de)(de)(de)長期穩定性(xing)(xing)，而且通過機械(xie)(xie)(xie)轉導，即(ji)由外部機械(xie)(xie)(xie)信(xin)(xin)號誘(you)導的(de)(de)(de)生物化學(xue)信(xin)(xin)號，直接(jie)影(ying)響(xiang)包(bao)埋細胞(bao)的(de)(de)(de)行(xing)為。在仿生基(ji)質(zhi)中，取決于(yu)所(suo)應用的(de)(de)(de)仿生策(ce)略，基(ji)質(zhi)的(de)(de)(de)機械(xie)(xie)(xie)性(xing)(xing)質(zhi)應該與天(tian)(tian)然(ran)組(zu)織或天(tian)(tian)然(ran)ECM的(de)(de)(de)性(xing)(xing)質(zhi)相匹配。各種組(zu)織和各種水凝膠的(de)(de)(de)楊氏模量之(zhi)間的(de)(de)(de)詳細比較總結(jie)于(yu)圖3中。

　　圖(tu)3組織與生物(wu)材(cai)料：機械性能的比較

　　（2）細胞與水(shui)凝膠的相(xiang)互作用細胞粘(zhan)(zhan)附(fu)和增殖是健康(kang)組織生(sheng)長(chang)所必(bi)需的。生(sheng)長(chang)因子(zi)只能在(zai)少數天(tian)然來(lai)源的水(shui)凝膠中發(fa)現，如Matrigel或(huo)(huo)dECM，而(er)細胞粘(zhan)(zhan)附(fu)基序也天(tian)然存(cun)在(zai)于殼聚糖、膠原、纖維蛋白、明(ming)膠和GelMa中，但不存(cun)在(zai)于瓊脂(zhi)糖、藻(zao)酸鹽、透(tou)明(ming)質酸或(huo)(huo)PEG中。在(zai)后一(yi)種(zhong)情況下，可以通(tong)過(guo)水(shui)凝膠的適當化(hua)學功能化(hua)來(lai)促(cu)進細胞粘(zhan)(zhan)附(fu)。

　　（3）生(sheng)物(wu)降解(jie)性在水(shui)凝膠(jiao)(jiao)(jiao)作為臨時支(zhi)持(chi)物(wu)的(de)(de)(de)(de)應用中(zhong)，支(zhi)架應該隨著組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)(de)成熟而逐漸降解(jie)。在這種情況下，水(shui)凝膠(jiao)(jiao)(jiao)的(de)(de)(de)(de)降解(jie)速(su)率(lv)需(xu)要與組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)發育的(de)(de)(de)(de)速(su)率(lv)相匹配，而組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)發育的(de)(de)(de)(de)速(su)率(lv)又取決于組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)(de)類型。水(shui)凝膠(jiao)(jiao)(jiao)的(de)(de)(de)(de)降解(jie)通常由(you)兩種機(ji)制(zhi)之(zhi)一引(yin)起(qi):酶(mei)解(jie)或水(shui)解(jie)。酶(mei)促降解(jie)是(shi)一種局部現象，而由(you)于不(bu)穩定化(hua)學鍵的(de)(de)(de)(de)存在，水(shui)解(jie)發生(sheng)在水(shui)凝膠(jiao)(jiao)(jiao)的(de)(de)(de)(de)整個體積中(zhong)。

　　3.可用的微(wei)流體方法

　　第(di)三部(bu)分主(zhu)要回顧(gu)了微凝膠(jiao)制劑的(de)(de)微流體策略，其通常必須考慮所用水凝膠(jiao)的(de)(de)類(lei)型及(ji)其交聯機理。在(zai)許多情況下，交聯過程(cheng)中涉及(ji)的(de)(de)物理化學因素是決定微通道和(he)微流體連接的(de)(de)布局和(he)/或尺寸的(de)(de)因素。

　　物理(li)交聯依賴于水凝膠(jiao)分子(zi)自組裝成(cheng)網(wang)絡(luo)(luo)，該網(wang)絡(luo)(luo)由(you)(you)溶液溫度的(de)變化誘導或由(you)(you)聚合(he)物鏈和(he)交聯劑之間的(de)物理(li)(非共(gong)價)相(xiang)互作用介導，如離(li)子(zi)相(xiang)互作用、氫鍵或主客體絡(luo)(luo)合(he)。物理(li)交聯過程的(de)優點(dian)是條(tiao)件溫和(he)，使得包埋的(de)細胞保持高水平的(de)生存(cun)力（圖(tu)4a-c）。

　　各種化學(xue)交(jiao)聯(lian)方(fang)(fang)法(fa)(fa)已經成(cheng)功地用(yong)(yong)于(yu)配(pei)制微(wei)(wei)凝(ning)(ning)膠。在可用(yong)(yong)的(de)(de)方(fang)(fang)法(fa)(fa)中(zhong)，紫外引(yin)發的(de)(de)交(jiao)聯(lian)具(ju)(ju)有交(jiao)聯(lian)時間短的(de)(de)優(you)點，因此即使使用(yong)(yong)可混(hun)溶的(de)(de)水(shui)凝(ning)(ning)膠前體(ti)，也(ye)可容易(yi)地用(yong)(yong)于(yu)產生間隔化的(de)(de)微(wei)(wei)凝(ning)(ning)膠。另(ling)一方(fang)(fang)面，酶法(fa)(fa)、邁克爾加成(cheng)法(fa)(fa)或點擊(ji)化學(xue)法(fa)(fa)通常更具(ju)(ju)生物相容性，并(bing)且(qie)在技術上更易(yi)于(yu)實施，因為(wei)它們不(bu)需要將任何外部設備(例如紫外光源)整合到微(wei)(wei)流體(ti)工作流程中(zhong)，并(bing)且(qie)因此為(wei)不(bu)太(tai)復(fu)雜的(de)(de)微(wei)(wei)結構提供了最佳解(jie)決(jue)方(fang)(fang)案。（圖(tu)4d-e）

　　圖4水(shui)凝膠(jiao)液滴交(jiao)聯的微流體策略

　　4.拓(tuo)撲水凝(ning)膠微結構的制造

　　對(dui)于1D結(jie)構(gou)，作者主要從橫向(xiang)圖(tu)案(an)(an)化(hua)(hua)的(de)(de)(de)微(wei)(wei)纖(xian)維(wei)、縱向(xiang)圖(tu)案(an)(an)化(hua)(hua)超細(xi)纖(xian)維(wei)、“1.5D”帶(dai)(dai)狀結(jie)構(gou)、水(shui)凝膠(jiao)纖(xian)維(wei)和(he)絲(si)帶(dai)(dai)中的(de)(de)(de)復雜圖(tu)案(an)(an)化(hua)(hua)和(he)信(xin)息編碼幾方面分別展開敘述；2D結(jie)構(gou)構(gou)成了一組相對(dui)較小(xiao)的(de)(de)(de)微(wei)(wei)流(liu)體(ti)輔助組織工程支架，包(bao)(bao)括(kuo)(kuo)多孔膜、自下而上組裝的(de)(de)(de)2D微(wei)(wei)凝膠(jiao)棋盤圖(tu)案(an)(an)和(he)水(shui)凝膠(jiao)液(ye)滴(di)網(wang)絡；3D結(jie)構(gou)主要包(bao)(bao)括(kuo)(kuo)可(ke)注射顆(ke)粒支架，包(bao)(bao)括(kuo)(kuo)顆(ke)粒生物墨水(shui)、3D打印(yin)的(de)(de)(de)基于液(ye)滴(di)的(de)(de)(de)結(jie)構(gou)、3D打印(yin)或(huo)捆綁(bang)的(de)(de)(de)微(wei)(wei)纖(xian)維(wei)和(he)散裝多孔材料。

　　5.不同類(lei)型的生物(wu)醫學應用

　　在(zai)回顧了制造載細胞微(wei)凝膠的(de)微(wei)流體方法之(zhi)后，最后作者詳(xiang)細地描述(shu)(shu)它們(men)在(zai)組織工程中的(de)應(ying)用。這部(bu)分主要(yao)從微(wei)凝膠的(de)維度和拓(tuo)撲決定的(de)應(ying)用以(yi)及組織和細胞類型的(de)特定應(ying)用展開敘述(shu)(shu)。

　　由微凝膠(jiao)的(de)(de)(de)(de)(de)維(wei)度和拓撲決定的(de)(de)(de)(de)(de)應(ying)(ying)用如(ru)圖6所示，展(zhan)示了0D、1D、2D、3D、4D微凝膠(jiao)的(de)(de)(de)(de)(de)各種(zhong)結構(gou)激發的(de)(de)(de)(de)(de)多種(zhong)應(ying)(ying)用，如(ru)組(zu)織建模、再生醫學和細胞(bao)(bao)療法、藥物(wu)測試等(deng)；此外，作者(zhe)一一研(yan)究了廣泛(fan)的(de)(de)(de)(de)(de)組(zu)織，包括(kuo)肝臟、胰腺、神經(jing)元、心臟組(zu)織、骨(gu)骼(ge)肌(ji)、骨(gu)骼(ge)和血(xue)管組(zu)織，還討論了干細胞(bao)(bao)和癌細胞(bao)(bao)封裝(zhuang)作為再生和個性化(hua)醫學的(de)(de)(de)(de)(de)新興(xing)策略(lve)的(de)(de)(de)(de)(de)最新進展(zhan)。

　　圖5組織工程中的多種應用

　　ATA-7050高壓放大器

　　帶寬：（-3dB）DC~5kHz

　　電壓(ya)：10kVp-p（±5kVp）

　　電流(liu)：20mAp

　　功(gong)率：100Wp

　　壓擺率：≥111V/μs

　　綜上，微流(liu)體(ti)(ti)最(zui)近已(yi)成(cheng)(cheng)為(wei)一種強大的(de)(de)(de)(de)工(gong)具(ju)，可(ke)用(yong)(yong)于生(sheng)成(cheng)(cheng)能夠執行組(zu)(zu)織特異(yi)性(xing)功(gong)能的(de)(de)(de)(de)亞(ya)毫米級細胞(bao)(bao)聚集體(ti)(ti)，即(ji)所謂的(de)(de)(de)(de)微組(zu)(zu)織，用(yong)(yong)于藥(yao)物測試(shi)、再(zai)生(sheng)醫(yi)學(xue)和(he)細胞(bao)(bao)療法(fa)(fa)。拓撲生(sheng)物材(cai)料的(de)(de)(de)(de)微流(liu)控(kong)方(fang)(fang)法(fa)(fa)在微型(xing)(xing)組(zu)(zu)織和(he)器(qi)官（如(ru)胰腺、肝臟、肌(ji)肉(rou)、骨骼(ge)、心臟、神(shen)經(jing)組(zu)(zu)織或脈管系(xi)統）的(de)(de)(de)(de)工(gong)程設計以(yi)及為(wei)干細胞(bao)(bao)擴增(zeng)定制微環境的(de)(de)(de)(de)制造(zao)方(fang)(fang)面取得了重大進(jin)展和(he)分化(hua)，或在癌癥(zheng)建模中，包括(kuo)生(sheng)成(cheng)(cheng)用(yong)(yong)于個(ge)性(xing)化(hua)藥(yao)物測試(shi)的(de)(de)(de)(de)血管化(hua)腫(zhong)瘤。通過(guo)利用(yong)(yong)各種交聯機制和(he)各種路徑進(jin)行劃分，回顧了可(ke)用(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)微流(liu)體(ti)(ti)制造(zao)方(fang)(fang)法(fa)(fa)，并批判性(xing)地討論(lun)了可(ke)用(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)組(zu)(zu)織特異(yi)性(xing)應用(yong)(yong)。最(zui)后(hou)，列出了剩余的(de)(de)(de)(de)挑戰，例如(ru)簡化(hua)微流(liu)體(ti)(ti)工(gong)作(zuo)流(liu)程以(yi)使(shi)其在生(sheng)物醫(yi)學(xue)研究中的(de)(de)(de)(de)廣泛使(shi)用(yong)(yong)、從實驗室到床邊的(de)(de)(de)(de)過(guo)渡（包括(kuo)生(sheng)產(chan)升級）、進(jin)一步的(de)(de)(de)(de)體(ti)(ti)內驗證(zheng)、更精確的(de)(de)(de)(de)器(qi)官樣模型(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)生(sheng)成(cheng)(cheng)以(yi)及整(zheng)合誘導多能干細胞(bao)(bao)作(zuo)為(wei)邁向臨床應用(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)一步。

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