人體內(nèi)的物質(zhì)通過(guò)各種生物膜在體內(nèi)進(jìn)行傳輸，比如說(shuō)血腦屏障，胃腸對(duì)食物的消化，以及胎盤為胎兒輸送物質(zhì)。研究這些生物膜的機(jī)制對(duì)于醫(yī)學(xué)技術(shù)發(fā)展起到重要作用。

但是直接通過(guò)人體進(jìn)行研究，無(wú)疑是充滿困難的，微流控芯片/器官芯片（Organ-On-Chip）為這類醫(yī)學(xué)研究提供了一種有效方式。這種在芯片上制造人體微型器官的方法，在疾病研究、開發(fā)患者特異性治療方法以及替代動(dòng)物實(shí)驗(yàn)方面具有應(yīng)用潛力。

奧地利維也納理工大學(xué)（Technische Universit?t Wien，TU Wien）材料科學(xué)與技術(shù)研究所的科研團(tuán)隊(duì)，對(duì)人體胎盤機(jī)制進(jìn)行了研究，采用的正是器官芯片的方法。在制造芯片時(shí)，TU Wien團(tuán)隊(duì)使用了雙光子聚合微納米3D打印技術(shù)。

3D打印制造芯片中的人工胎盤微結(jié)構(gòu)

許多研究表明，母親的糖尿病、高血壓可能對(duì)未出生的胎兒產(chǎn)生影響，這種現(xiàn)象是在多參數(shù)相互作用下發(fā)生的，但如何研究這其中的復(fù)雜原因是目前的難點(diǎn)。TU Wien的研究人員在器官芯片復(fù)制出體外的微型“人工胎盤”，并對(duì)胎盤的機(jī)制進(jìn)行研究。

研究和分析胎盤用的器官芯片，圖片來(lái)源：TU Wien 

TU Wien 研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的器官芯片由兩個(gè)區(qū)域組成 - 一個(gè)代表胎兒，另一個(gè)代表母親。研究人員使用高分辨率的雙光子聚合3D打印技術(shù)在它們之間制造出分區(qū)，即人造胎盤膜。通過(guò)增材制造的方式，材料逐漸形成3D結(jié)構(gòu)，分辨率在微米范圍內(nèi)。

生物相容性水凝膠材料制造的3D打印微結(jié)構(gòu)，圖片來(lái)源：TU Wien 

在人工胎盤的研究中，科研人員使用打印材料是一種具有良好生物相容性的水凝膠，模仿天然胎盤制造出小而彎曲的絨毛表面，然后將胎盤細(xì)胞植入到這些結(jié)構(gòu)中，形成一個(gè)非常類似于人體天然胎盤的屏障。

TU Wien團(tuán)隊(duì)多年來(lái)一直在科研中應(yīng)用這種高分辨率3D打印技術(shù)，已取得了一系列的成果。通過(guò)這個(gè)帶有人工胎盤的器官芯片，科研人員可以密切監(jiān)測(cè)其中重要的生物學(xué)參數(shù)，例如監(jiān)測(cè)微型器官的壓力，溫度，幾何形狀和營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)，以及使用藥物時(shí)的情況。這些研究有助于科學(xué)家準(zhǔn)確地觀察疾病進(jìn)展和治愈率。

人造胎盤示意圖，圖片來(lái)源：TU Wien 

TU Wien的初步測(cè)試已經(jīng)表明，器官芯片上的人工胎盤確實(shí)表現(xiàn)出與天然胎盤類似的方式：小分子物質(zhì)被允許通過(guò)，而大分子物質(zhì)被阻止。這款胎盤器官芯片現(xiàn)在專門用于研究從母體到胎兒的營(yíng)養(yǎng)輸送情況。

研究論文“Fabrication of placental barrier structures within a microfluidic device utilizing two-photon polymerization/利用雙光子聚合在微流體裝置內(nèi)制造胎盤屏障結(jié)構(gòu)”，發(fā)表在International Journal of Bioprinting, 4,2 (2018)。

3D科學(xué)谷Review

近年來(lái)，微流控芯片技術(shù)在生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)診斷、分析化學(xué)等領(lǐng)域得到了快速發(fā)展。目前，3D打印技術(shù)在微流控芯片制造中的應(yīng)用雖處于早期階段，但在這一領(lǐng)域的應(yīng)用也得到了快速發(fā)展。

上圖中列舉了微流控芯片制造中應(yīng)用的主要3D打印技術(shù)。這些3D打印技術(shù)所具有的優(yōu)勢(shì)各不相同，因此每種技術(shù)適合制造的微流控芯片種類也有所差異。比如說(shuō)FDM技術(shù)較適合制造精度要求不高的微流控芯片，而DLP、TPP等這種基于光聚合工藝的3D打印技術(shù)則更適合制造精度要求高的微流控芯片。另外，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，還需要結(jié)合各種技術(shù)的設(shè)備成本、材料成本、打印效率以及后處理的成本與效率等因素，綜合考慮選擇哪種3D打印技術(shù)。

總體來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的微流控芯片制造技術(shù)屬于勞動(dòng)密集型的產(chǎn)業(yè)，將3D打印技術(shù)用于制造微流控生物芯片可以在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)實(shí)現(xiàn)微型流體通道的快速制造，有利于設(shè)計(jì)的快速迭代，提高了基于微流控研究的跨學(xué)科性，并加速創(chuàng)新。目前，3D打印技術(shù)在微流控芯片制造中的應(yīng)用尚處于早期階段，其應(yīng)用以芯片研發(fā)、設(shè)計(jì)驗(yàn)證為主。