使用动态光掩模的器官芯片制造

约90%通过临床前模型评估的药物在进入人体试验后却失败了，究其原因，传统的模型很难真实地模拟人体的生理结构和功能，导致药物安全性、有效性及毒性评估的准确度大大降低。

器官芯片（OoC，Organ-on-a-Chip）技术作为一种先进的体外模拟人体器官功能的技术，是适用于生物医学研究的微型生理模型工具，可用于单个器官和多个器官的病理生理学研究，此外美国FDA现代化法案2.0规定，除了动物实验外，器官芯片和微生理系统等5种方法也可用于IND申报。这意味着利用该技术，研究人员可以更快地筛选出更有效的候选药物进入临床试验。

在过去的二十年里，尽管OoC技术不断发展，但人体是一个高度复杂的有机体，由各个器官组成，OoC在重现体内微环境和结构方面仍然存在挑战。除了器官细胞的培养需要从2D转变成3D，为进一步增强OoC的生理相关性，多细胞球体（例如，肿瘤球体和类器官）的培养也是必要的。但是传统  OoC  制造涉及使用  PDMS  软光刻，使用基于  PDMS  的设备可能并不适合毒理学和药物筛选研究，且这种方法一方面不方便修改，缺乏在动态细胞培养上的适应性，另一方面制造周期也很长，降低了其可制造性。

本项研究旨在开发一种高度适应性的  OoC  制造系统 ，可根据感兴趣的组织模型的要求，采用灵活的设计快速制造  OoC。

该系统是通过使用两个主要组件：(1)  可定制的微流体室和  (2)  数字光掩模显示器。立体光刻技术被用来光图案水凝胶，直接在腔室中用于制造内部微流体通道架构。微流体室的可定制性使我们能够控制微流体室的关键参数OoC，包括入口和出口的数量、高度、形状和室的尺寸。我们的方法使用了通过Xurography定制的预定义微流体室和由数字光掩模光图案化的充满细胞的微流体通道；从设计到原型的整个周期在两小时内完成。我们方法的多功能性为OoC的制造提供了以前无法实现的关键特征，包括微通道高度的逐渐变化，以及通道设计的实时修改以捕获活组织（例如，球状体）。

动态光掩模  OoC  制造系统示意图：

(A)  

(i) 聚合物盖玻片的组装和Xurography  后使用双面胶带（紫色）形成预定义的微流体室；  

(ii) 将由可光交联的水凝胶LunaGelTM（澳大利亚Gelomics公司）组成的前体溶液（橙色）注入微流体室； 

(iii)  使用数字光掩模对腔室中的微流体通道进行光图案化；

(iv)  从微流体室中排出未固化的前体，微流体芯片形成；

(v) 通过连接由激光切割  PMMA  制成的介质储存器来设置灌注系统（绿色）用于重力驱动灌注或硅胶管（蓝色）用于泵辅助灌注。

(B) 该示意图显示了红色发光二极管（LED）、预定义的微流控室、液晶显示器（LCD）、xy级和显微镜光刻仪器的位置。

(C) 光测量仪器上的掩模对齐模式示意图，其中(1)红色LED用于照亮预定义的微流控腔室的边界，(2)可视化和 (3) 在xy级的帮助下将数字光掩模与腔室对齐。

(D) 光交联模式示意图，其中(1)蓝色LED被重新定位以取代显微镜的位置，(2)开启前驱体溶液的光交联。

(E) 照片显示了所开发的光度测量仪器的整体结构。 

(F) 突出显示微流控室精确定位的微调阶段（棕色）。

(G) 突出显示蓝色  LED（蓝色）和显微镜（粉色）在  LCD  下方的位置。

(H) 显示了光测量仪器的控制盒，其中控制按钮和操纵杆的位置。

文章总结：

本文介绍了  OoC  的优点和目前涉及的一些限制发展的问题，为了解决这些限制，我们开发了一个高度动态的系统，该系统可以满足特定器官组织微环境的各种设计要求，同时将设计到原型的周期保持在两小时内。在这项工作中，我们使用内部的  OoC 光交联仪器由改良的液晶显示屏  (LCD)  组成，可正常作为数字光掩模显示器。数字光掩模显示器允许实时观察  OoC 制造，实时修改光掩模以适应形状和尺寸的变化，活体组织（例如，球体和类器官）被捕获在装置中。

通过这个系统，我们开发了用于制造  OoC  的简单工作流程，具有以下主要功能：(1)  轻松定制微流控芯片架构（即入口和出口设计、装置高度和内部通道架构）以缩短设计到原型周期；（2）在  OoC  期间修改通道设计，以适应不同形状和尺寸的活组织。我们展示了成功使用我们的系统制造  OoC  上的组织内皮化，其中功能性内皮屏障在充满细胞的水凝胶周围进行了演示。我们开发的系统将有助于加速创新 更多与生理相关的  OoC  设备，以满足科学界和制药业两个领域对  OoC  技术不断增长的需求。

Gelomics水凝胶的介绍

Gelomics公司坐落于澳大利亚，在生物材料供应方面有自然条件、技术、质量、环保和安全性等方面的优势。经过多年的研发，gelomics提供了即用型、批间稳定的无需“冰上操作”的产品方案LunaGelTM——一款甲基丙烯酸化明胶水凝胶，具有光敏性和温敏性，可通过光照调节胶体硬度，可应用于3D细胞培养、类器官、生物打印、动物实验、血管生成、细胞侵袭等。以实惠的价格提供高质量产品服务，助力生物医学的研究和发展。

文献来源： https://doi.org/10.1101/2023.11.22.568385