《Nat. Rev. Mater.》综述：在芯片上打造人体器官？从概念到现实

有机芯片设备已经在生物医学研究中实现了重大突破，但是它们还没有成功地转化为制药工业。传统的微流体装置依赖于不可逆结合技术来密封流体通道，这限制了它们的可接近性和自动化，因而迫切需要新的和通用的芯片设计来实现工业应用并支持复杂的3D细胞培养。近日，马斯特里赫特大学Stefan Giselbrecht 综述研究了有机芯片器件的夹紧策略，系统描述了从不可逆芯片键合到创新的可逆紧固技术的当前趋势 。相关研究成果以“Clamping strategies for organ-on-a-chip devices”为题于2023年1月19日发表在《Nature Reviews Materials》上。

 

图1 器官芯片设计的不可逆和可逆密封策略

微生理器官芯片(OOC)已成为解决现有临床前模型缺点的替代体外平台。目前的OOC设备通常由PDMS板粘合在一起或靠在基板上制成，以形成培养基可以流动的密封通道（图1a）。因此，密封是决定OOC技术的可重复性和稳健性的主要因素之一。密封微流体装置的策略可分为两类：不可逆键合和可逆密封。

通过等离子体处理的不可逆键合是目前密封微流体装置的最常用方法，尤其是由PDMS制成的装置（图1a）。然而，不可逆密封会产生永久性结合，因此除非被破坏，否则无法打开该装置。因此，细胞通常必须通过封闭、狭窄的通道进行播种或收获，这使得细胞培养劳动密集型，尤其是在使用复杂的生物工程3D生物结构时。 此外，可通过将夹紧机构纳入OOC设计来实现可逆密封。与不可逆技术不同，夹具创建了一个可以重复安装和拆卸的密封界面（图1b），同时提供与等离子键合相当甚至更高（高达600 kPa）的键合强度。

1. 夹紧技术

（1）真空夹紧

在真空夹紧中，功能性流体歧管被一个额外的微通道或微柱空气网络包围（图2a）。当对该空气网络施加中等真空时会产生一种粘附力，能够将微流体体固定在基板上。

（2）磁性夹紧

磁性夹紧可以通过几种方式完成。永磁体可以放置在流体层的相对侧，因此当层紧密接触时，磁引力会产生强大的夹紧载荷以提供防漏密封（图2b）。另一种磁性夹紧方法包括用细铁粉掺杂PDMS平板以磁化它们（图2c）。在PDMS芯片中集成永磁体的一个缺点是它会导致负载分布不一致和微通道的不可控变形。为了解决这种缺乏可重复性的问题，芯片制造商将磁铁插入夹紧外壳中，而不是直接在PDMS上或内部插入（图2d）。

 

图2 用于创建可逆密封的片上器官设备的夹紧策略

（3）机械夹紧

典型的机械密封件由用作垫圈的弹性流体芯片、均匀分布夹紧载荷的刚性外壳和机械紧固件组成。通常将一组螺钉或螺栓定位在外壳中以围绕流路（图2e）。另一种机械工具是使用互锁指状物或螺柱，类似于市售乐高积木中的指状物或螺柱，以组装模块化微流体的组件（图2f）。

2. 促进芯片上的3D细胞培养

在研究人体器官时，与生理学相关的3D细胞培养模型比单层细胞更受青睐。尽管在过去十年中已经报道了许多使用不可逆键合芯片的3D微生理系统，但鉴于通过封闭的狭窄微通道操纵剪切敏感细胞的技术难度，在芯片上建立高级3D模型仍然具有挑战性。 钳位OOC通过使芯片的内部隔室易于访问、促进3D生物模型和多器官系统在疾病建模和药物筛选的背景下的结合来解决许多挑战（表1）。

表1夹紧技术促进的代表性复杂生物模型（部分内容）

 

这部分作者分别介绍了用于球状体和类器官灌注培养的可逆密封芯片示意图（图3a）、芯片上的生物打印（图3b）、芯片外生物打印（图3c）、人体芯片（图3d）等等。

 

图3 使用夹紧装置培养3D生物模型

3. 材料选择和制造

夹紧密封不需要对配合部件进行表面处理来防止泄漏，因此有多种材料适用于OOC制造（表2）。典型的夹紧OOC装置包括细胞培养插入物、密封剂和外壳。每个组件的材料选择取决于许多因素，包括夹具的类型和设备的最终应用。

表2 用于夹持式器官芯片制造的最常见材料、它们的特性和制造工艺

 

此外，作者还介绍了经典的多层夹具装置、通过用薄面垫圈（b部分）、O形环（c部分）和机械干涉配件（d部分）替换PDMS流体层来部分或完全减少基于O形环密封的使用的策略。

 

图4 减少使用弹性体垫圈的夹紧策略

4. 未来的挑战

在过去的二十年里，夹紧技术已经发展成为复杂的紧固方法，能够为OOC开发设计有前途的工具。然而，要充分发挥夹紧密封的潜力还需要更多的进步（图5）。

除了一般影响OOC设备的问题，例如缺乏共识标准和在芯片上实现完整的生理器官复杂性的工程限制，钳位技术本身也带来了需要解决的特定挑战（图5a）。此外，在生物医学研究中非常需要在单个培养容器中同时评估多个、个性化的细胞室（平行化），以节省人力和时间资源。因此，在OOC设备中实施并行化可能会加速它们的转化采用（图5b）。最后，作者预计LnP夹紧OOC设备的进步将有助于OOC技术更容易地在制药行业中采用。目前，该行业需要与自动化兼容的简单可靠的微流体系统，作者展示了这种类型的高级平台的外观（图5c）。

 

图5 下一代夹紧装置的发展路线图

除了药物研发，clamp可能会在生物医学领域找到其他机会。例如，设备可以设计用于研究流动下的细胞增殖（例如通过划痕试验）、细胞图案化和纳米力学特性（例如通过原子力显微镜）。模块化夹持装置可以通过更换模块化部件在单个平台上托管干细胞发育程序，以在空间和时间上受控的方式提供所需的多种培养条件。这种策略可以防止细胞丢失并为复杂的细胞模型提供更合适的环境。

文章来源：

https://doi.org/10.1038/s41578-022-00523-z