DOI: 10.1039/D0TB00718H
將支架材料集成到微流體設備中進行3D細胞培養（器官芯片）是一個新興的研究領域。器官芯片技術具有消除臨床前研究與臨床研究之間差距的潛力。由于越來越多的證據表明細胞外基質在體外細胞培養中的重要性，因此研究人員作出了巨大的努力以將3D ECM/支架材料集成到微流控技術中。通常有兩種材料可用于此：水凝膠和電紡纖維。在本文中，作者簡要討論了材料的特性，重點介紹了制備材料的各種技術（例如，從動物組織中提取膠原蛋白），以及如何將材料集成到微流體設備中。此外，還深入討論了當前材料和技術所面臨的挑戰以及潛在的解決方案。最后，作者就如何使這些技術更具轉化性發表了個人觀點，以更廣泛地造福于藥物和病理生理學研究。
圖1.交聯水凝膠的描述和水分子的滲透。聚合物主鏈和水分子之間的氫鍵使凝膠具有多孔性和滲透性。
圖2.膠原蛋白形成和組裝的描述。（A）干燥的重組膠原蛋白和（B）干燥的豬皮膚裂片的原子力顯微鏡圖像。（C）干燥的豬皮膚裂片的掃描電子顯微鏡圖像。
圖3.將載有細胞的水凝膠集成到預制微流控設備中的最新示例。（A）由Virumbrales-Munoz等人開發的設備示意圖。腫瘤細胞在膠原基質（粉紅色）中培養，單層內皮細胞在頂部培養，以形成可滲透屏障。（B）四通道微流控設備，其中兩個內部通道分別充滿了含有星形膠質細胞和神經元的水凝膠。外通道輸送培養基以滋養細胞。（C）具有兩個流體通道（綠色，紅色）和一個包含水凝膠的中央通道（灰色）的微流體裝置。流過紅色通道的TCR-T細胞擴散進入中央水凝膠通道并攻擊其中的肝細胞。（D）七通道設備的示意圖，其中四個流道允許介質流動（1、3），另外三個為含水凝膠的通道（2、4）。如左下方所示，通道壁中的小間隙允許與流體通道接觸。
圖4.使用模具在水凝膠中形成微流體通道。（A）在光致抗蝕劑（SU-8）層的頂部應用掩模，以便僅使曝光的區域交聯。（B）去除未固化的光致抗蝕劑以具有升高的微結構。（C）將水凝膠澆鑄在模具的頂部，進行交聯，并在澆鑄材料中留下微觀結構的烙印。（D）將基材，通常是玻璃壓在澆鑄的水凝膠上以密封通道。（E，F）使用線模（直徑150μm）制備微通道。膠原蛋白和瓊脂糖在懸絲周圍凝膠化；當移除懸絲時，水凝膠中會留有一條通道，其中接種了分化的人腦微血管內皮細胞（dhBMECs）。
圖5.使用犧牲模具在水凝膠中形成微流體通道。（A）使用蝕刻玻璃圖案器由PVA制成的犧牲模具的圖像。（B）將PVA模具從其周圍的固化水凝膠中移出后，形成中空通道。該圖像顯示了流經通道的熒光微球。（C）作為血管模擬物接種在通道內部的HUVEC的免疫熒光圖像。
圖6.帶有光屏模的自下向上3D打印的示意圖。將預聚物薄層負載到電動臺上，并使用光學器件選擇交聯區域。沖洗掉未聚合的材料，降低平臺，并將其他層負載到頂部并進行交聯，以構建3D設備。
圖7.模擬腫瘤微環境的3D生物打印。（A）腫瘤微環境的體內描述。（B）用于研究腫瘤細胞的體外微環境的簡化圖。（C）擬議的用于研究腫瘤細胞的設備圖像，其中血管（紅色）通過該設備攜帶介質，并從另一側和單側淋巴通道（黃色）流出，以實現引流。（D）用于血管制造（頂部，中間）和淋巴管制造（中間，底部）的Bioink組合物。（E）生物打印擠出噴嘴的設置，說明了生物墨水和交聯劑（CaCl2）的共傳輸。（F）要在最終設備中使用的血管和淋巴管的生物打印示例。
圖8.通過立體光刻直接在聚（乙二醇）二丙烯酸酯（PEGDA）水凝膠中制備微流控血管模擬物。（A）具有交織的氧氣（透明）和RBC（紅色）輸送通道的PEGDA水凝膠的俯視圖。（B）通道的放大圖。當RBC到達通道末端時，顏色從深紅色變為淺紅色，表明氣體與血液通道之間進行了有效的氧氣交換。（C）設備上的定量氣體交換效率。
圖9.靜電紡絲設置。將聚合物溶液推過施加高壓的金屬針。泰勒錐在針尖的末端噴出，并形成纖維。可以將纖維收集在接地表面上。
圖10.關于靜電紡絲材料及其應用的文獻調查結果。（A）PCL（聚己內酯）和PLA（聚乳酸）是靜電紡絲中最常用的聚合物。（B）靜電紡絲的主要應用是組織工程、3D細胞培養和傷口敷料。
圖11.（A）Pimentel等人創建的側向流動裝置的布局。在一根電紡纖維上，某些區域被阻塞（黑色），其余區域定義為通道和腔室，在此處可以通過毛細作用輸送液體。（B）測試具有各種微結構的電紡纖維的細胞培養。
圖12.使用動態聚焦將超細纖維限制在流體裝置中。（A）帶有空氣鞘的靜電紡絲裝置，可將纖維聚焦到流體通道中。（B）橫截面SEM圖像顯示一層電紡纖維沉積在通道的內部。（C）設置的真實圖片。從射流裝置（插圖）另一端出來的纖維表明纖維聚焦成功。
圖13.微流體設備中基于插入物的微纖維集成。（A）該技術的工作流程。首先將電紡纖維涂覆在PS膜上，然后將其激光切割成所需尺寸的矩形插入物。細胞接種到纖維上后，將插入物集成到3D打印的流體設備中，該設備具有匹配的縫隙，用于基于流量的刺激和下游定量。（B）3D打印的流體裝置。（C）組裝后裝置的剖面圖。兩個充滿細胞的插入物與槽口精準匹配，并在形成流體通道的中間隔開一定距離。（D）插圖的放大圖，可以看到纖維層。
