用于細(xì)胞培養(yǎng)和細(xì)胞提取的可逆鍵合微流控裝置

與傳統(tǒng)的2D細(xì)胞培養(yǎng)相比，微流控芯片能夠支持細(xì)胞在3D中采用更多生理相關(guān)的形態(tài)，因此微流控芯片已成為細(xì)胞培養(yǎng)中的重要工具。目前，在制造過(guò)程中通常使用不可逆鍵合方法，即芯片不能在不破壞結(jié)構(gòu)的情況下從其基板上分離，這使得很難對(duì)在芯片上培養(yǎng)的細(xì)胞進(jìn)行進(jìn)一步分析。盡管已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一些可逆粘合技術(shù)，但它們要么僅限于某些材料，例如玻璃，要么需要復(fù)雜的加工程序。香港科技大學(xué)化學(xué)與生物工程系研發(fā)了一種簡(jiǎn)單且可逆的聚二甲基硅氧烷 （PDMS）-聚苯乙烯（PS）鍵合技術(shù)，該技術(shù)允許器件在加壓時(shí)承受長(zhǎng)時(shí)間操作，并支持長(zhǎng)期穩(wěn)定的細(xì)胞培養(yǎng)。更重要的是，它支持快速、溫和地提取活細(xì)胞，以便在長(zhǎng)期芯片培養(yǎng)后進(jìn)行下游操作和表征，甚至進(jìn)一步傳代培養(yǎng)。該方法可以極大地促進(jìn)基于微流控芯片的細(xì)胞和組織培養(yǎng)，克服當(dāng)前的分析局限性，并為芯片上培養(yǎng)物的下游使用開(kāi)辟新的途徑，包括用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的3D工程組織結(jié)構(gòu)。
 
微流控設(shè)備在細(xì)胞生物學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。如使用微流控技術(shù)成功構(gòu)建了3D腫瘤模型、細(xì)胞相互作用模型和器官芯片，以闡明生物學(xué)機(jī)制和促進(jìn)藥物研發(fā)。傳統(tǒng)的聚二甲基硅氧烷（PDMS）芯片通常不可逆地粘合到基板上，因此除非器件被破壞，否則無(wú)法“打開(kāi)”。這使得此類(lèi)設(shè)備適用于長(zhǎng)期細(xì)胞培養(yǎng)，但即使在胰蛋白酶的幫助下，也難以從設(shè)備中有效提取大量活細(xì)胞進(jìn)行下游操作。因此，這一障礙限制了在微流控設(shè)備中分析細(xì)胞的方法，將它們限制在成像、批量分子分析或簡(jiǎn)單的片上染色測(cè)定中。
在PDMS和基板之間實(shí)現(xiàn)可逆鍵合是解決這一限制的可能方法。雖然通過(guò)等離子體處理和化學(xué)改性（如1%APTES處理）可以很容易地實(shí)現(xiàn)器件的緊密不可逆粘合，但仍然很難開(kāi)發(fā)穩(wěn)定、長(zhǎng)期的可逆粘合方法�，F(xiàn)有的可逆粘合方法適用于有限范圍的器件-基板材料對(duì)，或者需要復(fù)雜的加工程序。例如，創(chuàng)建可逆鍵的最簡(jiǎn)單方法是增加PDMS的厚度，并在不進(jìn)行等離子處理的情況下粘接到玻璃上。但這種方法不太可靠，并且存在低壓耐受性，在加壓或長(zhǎng)時(shí)間使用下泄漏的風(fēng)險(xiǎn)很高，這使得它不適合長(zhǎng)期細(xì)胞培養(yǎng)或需要加壓泵送和控制的場(chǎng)景。最近，研究人員提出了一種基于玻璃的器件制造方法，以實(shí)現(xiàn)可逆鍵合和溫和的細(xì)胞提取。這種方法中的可逆鍵是通過(guò)兩個(gè)高清潔度的玻璃玻片之間的水脫水而產(chǎn)生的，因此需要中性清潔劑和持續(xù)施加外力來(lái)形成粘結(jié)。但是，該方法與PDMS設(shè)備不兼容。因此，對(duì)適用于常用器件基板材料的通用且簡(jiǎn)單的可逆粘合方法的需求仍然存在。

創(chuàng)建可逆鍵的另一種常見(jiàn)方法是在器件內(nèi)提供犧牲層，該犧牲層可以使用多種材料進(jìn)行設(shè)計(jì)，例如聚甲基丙烯酸甲酯 （PMMA）、聚碳酸酯 （PC）、聚苯乙烯 （PS） 和聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯 （PET）。Thompson等人使用膠帶在復(fù)雜設(shè)備中建立可逆粘合，但低生產(chǎn)量和尚未確定的生物相容性限制了該方法的使用。類(lèi)似地，有機(jī)硅基軟皮膚粘合劑可以與PDMS混合，在PDMS器件及其基材之間形成一個(gè)犧牲層，用于長(zhǎng)期細(xì)胞培養(yǎng)。但這種粘合劑的低粘附特性可能會(huì)影響器件上的細(xì)胞附著，從而影響細(xì)胞生物力學(xué)或芯片功能。

香港科技大學(xué)化學(xué)與生物工程系的研究人員提出了一種制造可逆粘合微流控器件的新方法（為方便起見(jiàn)，以下稱(chēng)為“可逆器件”；類(lèi)似地，以下“不可逆器件”是指其基板無(wú)法手動(dòng)從蓋板中分離的常規(guī)PDMS玻璃器件），這是通過(guò)用低濃度（≤0.5%）（3-氨丙基）三乙氧基硅烷（APTES）溶液處理熱塑性塑料（聚焦PS）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。低濃度APTES溶液引入少量胺基團(tuán)進(jìn)行共價(jià)鍵合，并使PS表面粗糙，從而增強(qiáng)范德華力，總體上導(dǎo)致PS和PDMS之間穩(wěn)定且可逆的鍵合（圖1）。除了臺(tái)式等離子清洗機(jī)外，該過(guò)程不需要其他設(shè)備，并且可以在潔凈室外進(jìn)行，這使得大多數(shù)制造PDMS設(shè)備的實(shí)驗(yàn)室都可以使用，并且與大多數(shù)基于PDMS的設(shè)備制造工作流程兼容。研究人員通過(guò)在具有高細(xì)胞活力的芯片上進(jìn)行長(zhǎng)期穩(wěn)定的細(xì)胞培養(yǎng)，以及在芯片上顯示腫瘤球狀體形成作為附加應(yīng)用，證明了這種類(lèi)型的可逆鍵合器件的生物相容性。此外，通過(guò)芯片上的血管細(xì)胞培養(yǎng)和血管網(wǎng)絡(luò)形成實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了這種表面處理的生物相容性。接下來(lái)，通過(guò)PDMS板的快速手工剝離從芯片中取出細(xì)胞，并通過(guò)細(xì)胞計(jì)數(shù)、細(xì)胞回收實(shí)驗(yàn)和流式細(xì)胞術(shù)驗(yàn)證了活細(xì)胞提取的高效性。最后，研究人員使用具有多個(gè)隔室的設(shè)備設(shè)計(jì)來(lái)共培養(yǎng)不同的細(xì)胞類(lèi)型，展示了可逆鍵合設(shè)備兼容2D和3D細(xì)胞培養(yǎng)，這進(jìn)一步擴(kuò)展了這種鍵合方法的多功能性。這種可逆鍵合方法提供了一種強(qiáng)大且可擴(kuò)展的芯片制造工藝，具有高度的生物相容性，并允許從微流控器件中溫和地提取細(xì)胞，有助于理解細(xì)胞行為及其背后的機(jī)制。 總體而言，這種用于微芯片的可逆鍵合方法是微流控技術(shù)的重要補(bǔ)充，可實(shí)現(xiàn)更廣泛的器官芯片研究。開(kāi)發(fā)這種用于可逆鍵合制造和高效細(xì)胞提取的多功能和用戶友好型方法可能會(huì)對(duì)微流控的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用產(chǎn)生重大影響，推動(dòng)細(xì)胞培養(yǎng)和器官芯片的進(jìn)一步發(fā)展以及藥物發(fā)現(xiàn)、疾病建模和細(xì)胞相互作用分析等后續(xù)研究。
 
參考文獻(xiàn)：
Feng X, Wu Z, Cheng LKW, et.al. Reversibly-bonded microfluidic devices for stable cell culture and rapid, gentle cell extraction. Lab Chip. 2024 Jul 1.
 
Kirkstall 智能3D細(xì)胞類(lèi)器官培養(yǎng)系統(tǒng)設(shè)備功能用途
利用培養(yǎng)基循環(huán)流動(dòng)，模擬血流，低剪切應(yīng)力環(huán)境，結(jié)合3D培養(yǎng)構(gòu)建細(xì)胞類(lèi)器官體外模型，更貼近人體的體內(nèi)環(huán)境。通過(guò)將流動(dòng)引入體外環(huán)境，精準(zhǔn)提高了您研究的生理相關(guān)性，為類(lèi)器官研究提供了理想的工具，使您能夠生成更準(zhǔn)確的模型，大大提高對(duì)結(jié)果有效性的信心。從而研究者能夠更高效、可靠地培養(yǎng)類(lèi)器官，加速藥物研發(fā)和生物醫(yī)學(xué)研究的進(jìn)程。廣泛應(yīng)用于干細(xì)胞培養(yǎng)和分化，癌癥研究，藥物和毒性篩選及組織工程等領(lǐng)域。
 
全球使用Kirkstall Quasi Vivo® 3D細(xì)胞類(lèi)器官培養(yǎng)系統(tǒng)的學(xué)術(shù)及研究機(jī)構(gòu)已超過(guò)100+個(gè)，遍布美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、瑞典、奧地利、意大利、荷蘭、瑞士、日本等。目前Quasi Vivo智能3D細(xì)胞類(lèi)器官培養(yǎng)系統(tǒng)被成功用于下列三維細(xì)胞類(lèi)器官培養(yǎng)：
 
品牌制造商簡(jiǎn)介
Kirkstall Ltd.成立于2006年，是Braveheart Investment Group plc的子公司，總部位于英國(guó)約克。Kirkstall開(kāi)發(fā)了一種創(chuàng)新的3D細(xì)胞類(lèi)器官培養(yǎng)微生理系統(tǒng)Quasi Vivo®。作為3D細(xì)胞類(lèi)器官技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者，Kirkstall已經(jīng)建立了牛津大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程研究所等著名的大學(xué)實(shí)驗(yàn)室的龐大用戶群，產(chǎn)品在全球范圍內(nèi)享有盛譽(yù)。