水凝胶图案化，登顶Nature！

近年来，可灌注水凝胶在微生理系统的制造中引起了广泛关注。然而，目前在水凝胶平台中制造微通道的方法涉及复杂的设备和技术，这阻碍了该领域的发展。

鉴于此，佐治亚理工学院Andrés J. García教授课题组介绍了一种经济高效、简单、多功能且超快的方法，用于在光聚合水凝胶中创建形状复杂的可灌注微通道。该方法使用一步式紫外线光交联和印在廉价透明薄膜上的光掩模，在短短0.8秒内对合成（PEG-降冰片烯）和天然（透明质酸-降冰片烯）水凝胶进行光图案化。此外，这些可灌注水凝胶完全集成到定制的微流体装置中，当连接到外部泵系统时，可实现连续液体灌注。具有基本实验室技能和聚合物与材料科学基础知识的专业人员可以轻松复制这种方法。在此方案中，作者通过将人类内皮细胞接种到微通道中、在动态条件下培养7天并暴露于炎症刺激以引发细胞反应来展示该光图案化水凝胶的功能。这凸显了该平台在制造微生理系统和不同微环境方面的多功能性。在水凝胶内制造可灌注通道（包括制造微流体装置）需要约3天。开发细胞接种的微生理系统（包括刺激细胞）需要约7天。总之，该方法提供了一种简单且广泛适用的解决方案，可以简化和降低使用可灌注三维水凝胶开发功能性体外模型的生物制造技术的成本。相关研究成果以题为“Facile photopatterning of perfusable microchannels in hydrogels for microphysiological systems”发表在最新一期《Nature Protocols》上。

【总体方案】

本文讨论使用可灌注水凝胶来模拟生理环境的基本原理。可灌注通道对于模仿脉管系统和确保微生理系统（如芯片器官设备）中的营养流动至关重要。该协议的开发是出于对更简单、更实惠的制造工艺的需求。该协议采用简单的紫外线交联在PEG-4aNB水凝胶中制造微通道。该过程减少了所涉及的时间和成本，产生高分辨率、可灌注的微通道。光掩模设计的灵活性使研究人员能够轻松地在水凝胶中创建复杂、明确的图案。此外，该技术不依赖激光系统或3D生物打印机等先进设备，使其可供更广泛的实验室使用。

本文分为多个小节，每个小节详细介绍了实验过程的不同组成部分，从微加工和光图案化到细胞接种和动态培养。在整篇论文中，重点介绍了关键的实验方法，并且图形提供了工作流程、设备结构和实验结果的关键视觉表示。

【实验工作流程概述】

图 1给出了总结实验工作流程的详细流程图。它涵盖了该协议的三个主要阶段：微加工、水凝胶前体制备和光图案化以及特定条件下动态培养的细胞播种。具体而言，微流体装置的微加工（步骤1-13）：此步骤涉及通过光刻法制造硅母模，然后使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)构建定制的微流体装置。水凝胶前体的合成和制备以及光图案化（步骤14-24）：此阶段包括制备水凝胶溶液，将其加载到设备中，并使用光掩模薄膜和紫外光对微通道进行光图案化。动态条件下细胞的制备和培养（步骤25-32）：将内皮细胞接种到通道中，在动态条件下培养，并暴露于炎症刺激。本节还详细分析了不同刺激下的细胞反应，强调了该系统在创建生理和病理环境方面的多功能性。

该图直观地引导读者完成制造微流体装置并将其与可灌注水凝胶通道集成所需的步骤，显示了该过程的顺序和迭代性质，从微流体装置的设计开始，然后是水凝胶的制备，最后是动态细胞培养和表征。

图1.描述在水凝胶中制造可灌注微通道的方案的工作流程方案

【微流控装置的制造过程】

图 2说明了定制微流体装置的制造过程，详细说明了创建三个 PDMS 层及其组装的具体步骤。该设备由三个不同的层组成，通过氧等离子体处理将这些层粘合在一起，以确保牢固、防漏的密封。此外，该图还描述了组装设备的对准和粘合过程，确保微通道的正确定位。该图还包括显示管道如何连接到动态培养设备的照片，清楚地表明该装置在细胞培养阶段的功能。实验设置的这一方面对于连续培养基灌注至关重要，这是维持动态培养环境的关键要素。

图2.定制的微流体装置的制造过程，用于可灌注微通道的光图案化

【可灌注微通道的光图案化】

图3显示了用于对水凝胶内的可灌注微通道进行光图案化的程序。它重点介绍了紫外光曝光过程以及如何利用光掩模来实现精确的微通道设计。该图还包括用于在PEG-4aNB水凝胶中制造微通道的不同光掩模设计的明场图像，展示了光图案化技术的多功能性和分辨率。该技术的高分辨率特性，可以创建宽度小至30μm的微通道。光图案化过程是该协议的关键创新，使研究人员能够在几秒钟内创建复杂而复杂的微通道网络。

图3.合成水凝胶中可灌注微通道的光图案化

【细胞对炎症刺激的反应】

作者重点介绍了制造的微通道的细胞应用，展示了可灌注通道中人内皮细胞的动态培养及其对炎症刺激的反应。图4包括 HUVEC（人脐静脉内皮细胞）沿通道形成单层并暴露于肿瘤坏死因子 (TNF) 以模拟炎症状况的荧光图像。CD31（一种常见的内皮细胞标记物）的免疫染色也可以突出显示细胞反应。

图4.HUVEC在动态条件下在PEG-4aNB水凝胶中的可灌注微通道中培养。HUVEC在动态条件下在PEG-4aNB水凝胶中的可灌注微通道中培养

【总结】

本文描述了在水凝胶中创建可灌注微通道的详细方案，重点关注简单性、成本效益和多功能性。这些水凝胶可以支持各种细胞类型，用于微生理系统（MPS）的开发，例如芯片器官设备。该方法依赖于紫外线触发的合成和天然水凝胶的光图案化，能够将人内皮细胞接种到制造的通道中。微通道完全集成到定制的微流体装置中，允许连续的流体灌注，模仿生理环境。整个方案可在大约10天内完成，除了基本实验室工具外，还需要最少的设备。1.与其他方法的比较：作者将他们的技术与其他现有方法（例如3D打印和激光光刻）进行了比较。虽然这些技术也可以创建可灌注的通道，但它们通常需要昂贵的设备和复杂的程序，限制了它们的广泛采用。相比之下，这里描述的光图案化方法具有成本效益且简单，但仍然能够产生高分辨率的微通道。该系统能够与合成和天然水凝胶一起使用，进一步增强了其吸引力。与仅限于特定材料的其他方法不同，该技术可以应用于各种光反应水凝胶，使其比大多数其他制造方法更加通用。2.局限性：尽管该方法有很多优点，但也有一些局限性。微通道的分辨率取决于光掩模的质量和所使用的紫外光系统。虽然该技术可以实现高分辨率，但它可能不适合创建小于30μm的微通道，这可能会限制某些应用。此外，虽然该方法具有高度可重复性，但它需要在光图案化过程中进行精确对准，这可能会给缺乏经验的用户带来挑战。3. 实验设计注意事项：作者讨论了使用此方法设计实验时要考虑的关键因素。其中包括根据所需应用选择适当的水凝胶配方和光掩模设计。可光聚合水凝胶的选择很重要，因为它决定了所得微通道的机械和生化特性。例如，PEG-4aNB的使用提供了一个高度可调的系统，可以用生物活性分子进行修饰，而NorHA水凝胶则为研究自然环境中的细胞行为提供了更具生物学相关性的基质。

来源：高分子科学前沿