仿生芯片上組織模型是研究人體生理學(xué)和開(kāi)發(fā)治療學(xué)的有力工具。然而，由于目前業(yè)界無(wú)法在小尺度上開(kāi)發(fā)高度有序的功能結(jié)構(gòu)，因此它們的建模能力受到了阻礙。近期，美國(guó)波士頓大學(xué)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)展示了高精度制造如何能夠?qū)崿F(xiàn)器官級(jí)心臟機(jī)械功能的縮小建模。他們使用雙光子直接激光寫(xiě)入(TPDLW)技術(shù)，制造了具有微調(diào)機(jī)械性能的納米級(jí)分辨率材料支架，以支持小型化、誘導(dǎo)多能干細(xì)胞衍生的心室形成和循環(huán)收縮。

　　近年來(lái)，在將干細(xì)胞分化成多種譜系以及在多細(xì)胞類(lèi)器官中激發(fā)干細(xì)胞分化成多種譜系方面，業(yè)界取得了驚人的進(jìn)展。但由于缺乏在微米尺度上生成高階結(jié)構(gòu)和解剖特征的方法，因此很難在體外模擬器官水平的功能。例如，雖然心肌、骨骼肌和平滑肌細(xì)胞來(lái)源于誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSC），但試圖組織這些細(xì)胞，并重現(xiàn)產(chǎn)生不同生物力學(xué)功能的嘗試卻很少。

　　構(gòu)建更復(fù)雜結(jié)構(gòu)的能力部分，受到與組織工程相關(guān)的制造方法適應(yīng)性的阻礙。對(duì)此，研究團(tuán)隊(duì)探索了使用雙光子直接激光寫(xiě)入（TPDLW），一種高分辨率的制造方法，來(lái)構(gòu)建需要特定結(jié)構(gòu)和功能的生物系統(tǒng)。作為一項(xiàng)挑戰(zhàn)，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種由人類(lèi)iPSC衍生心肌細(xì)胞（hiPSC-CM）驅(qū)動(dòng)的微流控心臟室，目的是在芯片上復(fù)制心室功能。

　　雖然目前最先進(jìn)的心臟組織模型非常適合測(cè)量心肌細(xì)胞產(chǎn)生的收縮力，但利用工程心臟組織對(duì)心臟泵功能進(jìn)行建模一直是一個(gè)挑戰(zhàn)。在這里，波士頓大學(xué)的團(tuán)隊(duì)利用TPDLW的高精度來(lái)實(shí)現(xiàn)支持體外心室各向異性收縮的微型超材料支架，以及具有足夠靈敏度以響應(yīng)心腔流量的功能性微型瓣膜。微流控裝置中腔室和閥門(mén)的集成再現(xiàn)了人類(lèi)心室的單向容積輸出，并顯示出完整的心室壓力-容積（PV）回路。

　　團(tuán)隊(duì)制造的心臟微型化精密單向微流控泵（Miniphup）系統(tǒng)開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)先例，為利用高精度制造復(fù)雜組織結(jié)構(gòu)提供了通用方法。據(jù)國(guó)外《科學(xué)進(jìn)步》雜志報(bào)道，這一突破展示了一種以前未經(jīng)探索的高精度制造應(yīng)用，可以推廣到擴(kuò)展器官芯片模型的可訪(fǎng)問(wèn)范圍。該研究小組認(rèn)為，其微型泵（心臟微型化精密單向微流控泵）現(xiàn)在可以為構(gòu)建從肺到腎的其他器官的實(shí)驗(yàn)室版本鋪平道路。

　　“我們可以以前所未有的方式研究疾病進(jìn)展，”波士頓大學(xué)工程學(xué)院的Alice White說(shuō)，“我們選擇研究心臟組織是因?yàn)樗慕Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，但是當(dāng)你采用納米技術(shù)并將其與組織工程相結(jié)合時(shí)，就有可能將其復(fù)制到多個(gè)器官中。”

　　該項(xiàng)目采用了商業(yè)光刻膠材料和Nanoscribe的TPDLW 3D打印平臺(tái)進(jìn)行研究，通過(guò)在圓柱面上繪制預(yù)定的單元圖案來(lái)構(gòu)建支架結(jié)構(gòu)。整個(gè)3CM2支架的打印過(guò)程耗時(shí)1.5小時(shí)。然后在類(lèi)似的操作中，定制的組件作為小型管道和微型丙烯酸閥門(mén)，打開(kāi)和關(guān)閉以控制水流。使用干細(xì)胞技術(shù)制造的肌肉細(xì)胞提供了設(shè)備的泵送功能。

　　“微型化的進(jìn)展正在重新定義許多領(lǐng)域的邊界，但尚未在組織工程中充分體現(xiàn)出來(lái)，盡管這種微型化有望用于器官芯片應(yīng)用，”該項(xiàng)目在其發(fā)表的論文中評(píng)論道，“使用微尺度精密設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)來(lái)指導(dǎo)組織形成和機(jī)械功能展示了一種方法，能夠復(fù)制機(jī)械復(fù)雜的生理行為。”

　　在試驗(yàn)中，全套支持TPDLW的微型泵系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了心室容積功能的主要原理，并展示了與心動(dòng)周期相關(guān)的完整壓力-容積環(huán)路的關(guān)鍵特征。該設(shè)備最終可能有助于加快心臟治療藥物的開(kāi)發(fā)過(guò)程，研究人員從一開(kāi)始就使用微型泵來(lái)更好地預(yù)測(cè)成功或失敗。

　　研究組成員Christopher Chen表示，該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為以前研究心臟組織的方法無(wú)法捕捉到肌肉在體內(nèi)的反應(yīng)方式，這讓我們第一次有機(jī)會(huì)制造出更接近于心臟實(shí)際情況的東西。這是向前邁出的一大步。

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