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June 22, 2023

3D打印心脏芯片平台用于心脏研究的最新进展 

我们如何才能更深入地了解人类心脏或其他器官,以便于深入研究疾病的发展并获得更好的治疗效果?或许模拟和复制所需器官的小型化芯片实验室设备会是一个高效的解决方案。我们报道过波士顿大学的科学家们是如何创建一个芯片心脏平台来研究心脏微组织在规定的机械负荷和起搏下的反应。如今,科学家们现在已经将双光子聚合(2PP)与细胞生物学相结合,创建了一个功能齐全的心脏腔室,由心肌细胞收缩驱动,将液体泵入其系统。 

我们的心脏是人体最重要的器官之一。它每天平均跳动约 100,000 次,泵送超过 7,000 升血液至全身,而每一次收缩都会产生强大的力,足以在完全扩张的血管中将血液推进到 9 米。尽管科研和医学在了解我们心脏方面已经取得了很大的进步,但心血管疾病仍然是一个严重的问题,并且是全球居民主要死因之一。在这种情况下,心脏的体外模型则可以成为促进理解心脏生理学、研究疾病机制、开发药物和评估药物安全性的宝贵工具。它提供了一个可控且有效的心脏研究平台,有助于改善心血管健康。 

小型化体外人体心脏模型 

最近,来自波士顿大学的一个跨学科研究小组结合了模拟心输出量并产生整流的瓣膜阀门,开发了一种微型人体外模型。像真正的心脏一样,该微纳模型不需要外部能量源,而是由培养的心肌细胞提供动能,把血液运送到身体各个器官。科学家们使用Nanoscribe双光子聚合技术进行3D打印制作了这种心脏泵,包括防止液体逆流的类瓣膜阀门。 

双光子聚合用于制作生物相容性细胞支架 

芯片上的人工心脏平台由PDMS微流控芯片组成,包括一个供应装置,心脏泵室和一个高压输出装置。心脏泵室则是这项发明的关键所在:由生物相容性光刻胶IP-S 3D打印制作的圆柱形支架,该支架可在轴向方向上自由变形,使其能够通过系统泵送流体。一旦支架连接到微流体系统,人诱导的多能干细胞(hiPSC-CM)就会接种到支架上。在这些细胞的收缩力的驱动下,圆柱形支架可产生梯度使微流道内的流体移动。在经过多次设计迭代和实证测试后,最终敲定了该复杂支架的设计。支架的设计可以使其在承受不同组织压力且不塌陷的前提下使液体产生流动。 

3D微纳加工用于定向流阀门制作 

在设计过程中,科学家们面临的另一个挑战是开发一种类心脏瓣膜阀门,以确保单向整流输出通道。就像心脏一样,支架泵的收缩能导致振荡流。该微型工程阀门可以调节流量并确保流体不断从供应装置泵入心脏泵室,然后从那里泵入高压输出装置。这再次证明了2PP增材制造技术的优势:可以轻松进行设计迭代并快速打印以便进行测试。科学家们测试了多种方案,发现带有自由移动凸板的阀门在打开和关闭状态之间来回摆动是最有效的。  

此项以生物芯片为主导的项目具有十分重要的意义 

由波士顿大学领导的跨学科团队将纳米制造和组织工程以一种以前从未考虑过的方式结合起来,获得的研究结果为未来疾病研究奠定了基础,并有望用同样的技术可以用来生产其他所谓的 “芯片上的器官”设备,如肺和肾脏。作为BICO集团的一员,Nanoscribe预见了2PP微纳加工技术在生物和生命科学领域中的广阔应用前景,并推出了世界上最精准的生物3D打印系统Quantum X bio

 

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视频信息 

视频1:心脏室跳动的实时视频。通过培养的心肌细胞进行收缩运动,实现泵送液体。视频来自于 Michas et al., Sci. Adv. 8, 16, (2022), Boston University. 

视频2:一个正在运行的悬浮阀。凸板只允许流体向一个方向移动。
Michas等人,《科学进展》8,16,(2022),波士顿大学。

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