有機芯片設備已經在生物醫學研究中實現了重大突破，但是它們還沒有成功地轉化為制藥工業。傳統的微流體裝置依賴于不可逆結合技術來密封流體通道，這限制了它們的可接近性和自動化，因而迫切需要新的和通用的芯片設計來實現工業應用并支持復雜的3D細胞培養。近日，馬斯特里赫特大學Stefan Giselbrecht 綜述研究了有機芯片器件的夾緊策略，系統描述了從不可逆芯片鍵合到創新的可逆緊固技術的當前趨勢 。相關研究成果以“Clamping strategies for organ-on-a-chip devices”為題于2023年1月19日發表在《Nature Reviews Materials》上。

 

圖1 器官芯片設計的不可逆和可逆密封策略

微生理器官芯片(OOC)已成為解決現有臨床前模型缺點的替代體外平臺。目前的OOC設備通常由PDMS板粘合在一起或靠在基板上制成，以形成培養基可以流動的密封通道（圖1a）。因此，密封是決定OOC技術的可重復性和穩健性的主要因素之一。密封微流體裝置的策略可分為兩類：不可逆鍵合和可逆密封。

通過等離子體處理的不可逆鍵合是目前密封微流體裝置的最常用方法，尤其是由PDMS制成的裝置（圖1a）。然而，不可逆密封會產生永久性結合，因此除非被破壞，否則無法打開該裝置。因此，細胞通常必須通過封閉、狹窄的通道進行播種或收獲，這使得細胞培養勞動密集型，尤其是在使用復雜的生物工程3D生物結構時。 此外，可通過將夾緊機構納入OOC設計來實現可逆密封。與不可逆技術不同，夾具創建了一個可以重復安裝和拆卸的密封界面（圖1b），同時提供與等離子鍵合相當甚至更高（高達600 kPa）的鍵合強度。

1. 夾緊技術

（1）真空夾緊

在真空夾緊中，功能性流體歧管被一個額外的微通道或微柱空氣網絡包圍（圖2a）。當對該空氣網絡施加中等真空時會產生一種粘附力，能夠將微流體體固定在基板上。

（2）磁性夾緊

磁性夾緊可以通過幾種方式完成。永磁體可以放置在流體層的相對側，因此當層緊密接觸時，磁引力會產生強大的夾緊載荷以提供防漏密封（圖2b）。另一種磁性夾緊方法包括用細鐵粉摻雜PDMS平板以磁化它們（圖2c）。在PDMS芯片中集成永磁體的一個缺點是它會導致負載分布不一致和微通道的不可控變形。為了解決這種缺乏可重復性的問題，芯片制造商將磁鐵插入夾緊外殼中，而不是直接在PDMS上或內部插入（圖2d）。

 

圖2 用于創建可逆密封的片上器官設備的夾緊策略

（3）機械夾緊

典型的機械密封件由用作墊圈的彈性流體芯片、均勻分布夾緊載荷的剛性外殼和機械緊固件組成。通常將一組螺釘或螺栓定位在外殼中以圍繞流路（圖2e）。另一種機械工具是使用互鎖指狀物或螺柱，類似于市售樂高積木中的指狀物或螺柱，以組裝模塊化微流體的組件（圖2f）。

2. 促進芯片上的3D細胞培養

在研究人體器官時，與生理學相關的3D細胞培養模型比單層細胞更受青睞。盡管在過去十年中已經報道了許多使用不可逆鍵合芯片的3D微生理系統，但鑒于通過封閉的狹窄微通道操縱剪切敏感細胞的技術難度，在芯片上建立高級3D模型仍然具有挑戰性。 鉗位OOC通過使芯片的內部隔室易于訪問、促進3D生物模型和多器官系統在疾病建模和藥物篩選的背景下的結合來解決許多挑戰（表1）。

表1夾緊技術促進的代表性復雜生物模型（部分內容）

 

這部分作者分別介紹了用于球狀體和類器官灌注培養的可逆密封芯片示意圖（圖3a）、芯片上的生物打印（圖3b）、芯片外生物打印（圖3c）、人體芯片（圖3d）等等。

 

圖3 使用夾緊裝置培養3D生物模型

3. 材料選擇和制造

夾緊密封不需要對配合部件進行表面處理來防止泄漏，因此有多種材料適用于OOC制造（表2）。典型的夾緊OOC裝置包括細胞培養插入物、密封劑和外殼。每個組件的材料選擇取決于許多因素，包括夾具的類型和設備的最終應用。

表2 用于夾持式器官芯片制造的最常見材料、它們的特性和制造工藝

 

此外，作者還介紹了經典的多層夾具裝置、通過用薄面墊圈（b部分）、O形環（c部分）和機械干涉配件（d部分）替換PDMS流體層來部分或完全減少基于O形環密封的使用的策略。

 

圖4 減少使用彈性體墊圈的夾緊策略

4. 未來的挑戰

在過去的二十年里，夾緊技術已經發展成為復雜的緊固方法，能夠為OOC開發設計有前途的工具。然而，要充分發揮夾緊密封的潛力還需要更多的進步（圖5）。

除了一般影響OOC設備的問題，例如缺乏共識標準和在芯片上實現完整的生理器官復雜性的工程限制，鉗位技術本身也帶來了需要解決的特定挑戰（圖5a）。此外，在生物醫學研究中非常需要在單個培養容器中同時評估多個、個性化的細胞室（平行化），以節省人力和時間資源。因此，在OOC設備中實施并行化可能會加速它們的轉化采用（圖5b）。最后，作者預計LnP夾緊OOC設備的進步將有助于OOC技術更容易地在制藥行業中采用。目前，該行業需要與自動化兼容的簡單可靠的微流體系統，作者展示了這種類型的高級平臺的外觀（圖5c）。

 

圖5 下一代夾緊裝置的發展路線圖

除了藥物研發，clamp可能會在生物醫學領域找到其他機會。例如，設備可以設計用于研究流動下的細胞增殖（例如通過劃痕試驗）、細胞圖案化和納米力學特性（例如通過原子力顯微鏡）。模塊化夾持裝置可以通過更換模塊化部件在單個平臺上托管干細胞發育程序，以在空間和時間上受控的方式提供所需的多種培養條件。這種策略可以防止細胞丟失并為復雜的細胞模型提供更合適的環境。

文章來源：

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