水凝胶三维微流控芯片及在其上构建的血管芯片

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摘要：水凝胶是细胞三维培养及组织体外构建的最理想材料，显然也是构造器官芯片（微流控+微组织）的最理想平台。然而目前的微加工工艺多用来加工硅、硅橡胶、聚合物等材料，迄今为止缺乏稳定可靠的水凝胶微制造方法，这也严重制约了水凝胶在微流控芯片中的应用。

有没有可能发展出稳定的水凝胶微流控芯片制造方法？这几年课题组一直在探索有无可能基于全水凝胶构造微流控芯片，并在这种高生物相容性的芯片上进一步构造出器官芯片，为器官芯片的制造提供全新的思路。

我们提出了一种制备水凝胶基微流控芯片的新方法：设计了芯片二次交联策略，可实现具有任意复杂内部流道的凝胶基三维微流控芯片的制造。该芯片的一个显著特点是：不同层芯片间的键合强度和芯片本体一致。

我们采用常用的细胞三维培养用的水凝胶：海藻酸盐、明胶、GelMA制造了水凝胶芯片，并对其机械性能及生物学性能进行了系统的分析，研究发现采用课题组所产业化的GelMA生物水凝胶制造的芯片具有最佳的性能，可快速促进芯片上细胞的功能化形成。

利用这种新型的水凝胶微流控芯片，我们建立了体外血管模型，CD31、Vinculin及Ve-Cadherin抗体染色表明，我们成功构建出了接近体内血管功能的血管芯片。随后通过炎症诱导因子的加载，模拟了动脉粥样硬化等病理条件下血管的炎症反应。本芯片可于组织血管化过程、心血管疾病、器官芯片、肿瘤药物筛选等领域。

浙江大学机械工程学院贺永教授课题组发明了一种基于二次交联的凝胶基微流控芯片制造新方法，能够构造具有不同复杂内部流道的凝胶芯片，进而接种血管内皮细胞，形成具有血管形态和功能的血管模型。通过凝胶基血管芯片的构建不仅可以模拟血管的主要功能，还可以借助微流控手段施加各种流体剪切及生物因子的刺激。实现在时间和空间上重现体内的血管环境，它可以应用于血管化过程研究，心血管疾病研究，体外组织工程器官芯片的构建，肿瘤药物筛选等。本方法可实现微流道高强度封装，便于物理剪切力、生物因子等施加刺激；同时水凝胶也为营养渗透以及分子扩散提供了高效支撑。 

相关论文Vessel-on-a-chip with Hydrogel-based Microfluidics近日刊登在WILLY旗下的SMALL杂志上。第一作者为聂晶博士生、高庆博士后、王怡栋生，通讯作者为贺永教授和转化医学院的陈伟教授。

基于二次交联的凝胶基微流控芯片制造工艺及原理

一直以来，器官芯片的基底材质通常是PDMS，塑料、硅等适合于微加工的材料，水凝胶可否作为微流控芯片的材料呢？我们设计了一种Bottom-Up的芯片制造策略，先加工出带有微槽的水凝胶层（每层水凝胶含有两种水凝胶材料，一种用于固化，一种用于后续的二次交联），然后将水凝胶层堆叠拼装，进行二次交联，实现三维水凝胶微流控芯片制造。用这种方法，可制造带有螺旋形流道、分叉流道、蛇形流道、多层互通流道等的水凝胶芯片。 

带有复杂内部流道的水凝胶芯片

基于二次交联方法构造的水凝胶基血管芯片

流道上的内皮细胞逐渐贴壁，增殖，轴向及径向布满整个流道，自发对齐，形成网络结构，流道开始实现血管化，Vinculin蛋白（一种细胞与细胞外基质/细胞与支架之间相互作用的关键蛋白细胞）的表达验证了细胞与流道材料间联系的产生，细胞间连接蛋白VE-Cadherin的表达表明了细胞之间形成紧密的相互连接，细胞之间实现明显的交流，内皮细胞功能蛋白CD31的表达进一步验证了血管功能化的实现。此外，通过炎症诱导因子的加载，模拟了动脉粥样硬化等病理条件下血管的炎症反应。

本方法的优点有：

1.凝胶基微流控芯片的构建得益于水凝胶材料的固有交联性质，无需引入任何其他材料。

2.二次交联原理可以应用于任意具有不同交联体系的水凝胶组合。

3.获得的凝胶基微流控芯片没有任何结合面分界线，完全结合为一个整体。
4.方便构建各种复杂形式的内部流道。

5.具有良好的生物相容性，可以实现血管功能化。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.201802368