一种用于构建具有可变成凹几何形状微孔的配对微珠与磁铁阵列

本方法的总体目标是利用磁力辅助的自锁金属微珠来制备凹球面微孔。大家好，我叫 Gi Hun Lee，是崇实大学的一名助教。我们实验室的研究兴趣在于制备多种微尺度器件和平台，以促进我们在生物仪器开发、细胞培养以及新型微结构方面的研究。

我们的研究兴趣之一是开发新型的微米级装置和方法，以在三维环境中实现细胞收缩。我们将这种培养方式称为“类器官培养”。类器官培养对于理解细胞的三维响应非常有用，因为它比传统的二维平面培养更接近真实的组织环境。

已尝试多种用于薄层制备的方法，例如在烧瓶或试管中、滚筒网中以及微波法。在这些方法中，凹面微结构法是一种非常强大的工具，可用于制备三维结构产物。该微结构装置的各个位置均可实时监测，并具备对球形尺寸及其分布进行调控的能力。

本文提出了一种利用磁珠和小型磁体阵列制备凹面微器件的方法。通过该技术，可借助磁力辅助固定磁珠的机制，批量制备100个凹面微器件。每个凹面结构的增强部分在加工过程中各不相同，且无重复性的比例尺度。

首先，使用数控旋转雕刻机制作了尺寸为230乘以30的通孔阵列铝板。该装置可为珠子提供导向滚道，具体将在后续部分展示。采用不同直径的钻头对铝板进行钻孔，并将孔径较小的铝板置于底部。

外角处也需钻孔，以便对齐板片。然后将两块板对齐、叠放，并通过将 N 个螺栓插入孔洞中并将螺母拧紧，使两板固定在一起。如前所述，制造商必须将带有较小孔的板置于底部，以便珠子能够固定在导引孔内。

下一步是制备一个 30 × 30 的钕磁铁阵列。我们首先手动分离磁铁，并将其排列成 2 × 2 的阵列，然后使用镊子将其对齐成更大的阵列。

为了制作合适的磁铁阵列，每块磁铁必须与其相邻磁铁具有相反的极性。此外，为了防止阵列断裂或散开，需使用双面胶带将一块铝板固定在磁铁阵列的底部。现在，我们已准备好将之前制作的各个部件组装成微孔模具。

使用普通胶带将磁铁阵列小心地固定在底板上。需要注意的是，磁铁阵列应使磁铁朝下放置。在正确安装铝板和磁铁阵列后，将钢珠放置在板组件上。

本文所使用的珠子为SUJ2钢珠，直径为600微米。我们的排列过程非常简单：将足量的珠子倒入组装件上，然后用丙烯酸板将其刮平。

底部的磁铁捕获进入铝板孔洞中的磁珠，刮除过程中会去除未卡入孔洞的多余磁珠。使用另一块磁铁去除多余的磁珠。当磁珠正确地卡入导引孔后，我们继续移除顶部的平板。

在此过程中，有时会出现微珠脱落并发生移位的情况。此时，需使用镊子将微珠手动重新插入孔中。现在，凹面微孔模具已准备就绪。

将平台转移至另一个培养皿中，并准备进行下一步操作。我们按照制造商的说明配制PDMS，将PDMS单体与固化剂按10:1的比例混合。为去除PDMS混合物中截留的气泡，将混合物置于干燥器中抽真空约一小时。

完成此步骤后，取脱气的PDMS混合物，将其倒入凹形微孔模具中，并再次进行脱气处理。随后将PDMS混合物置于80°C的加热板上烘烤两小时，以形成嵌入式PDMS微孔底板。下一步操作需格外小心。

为了便于移除，将甲醇倒入底层托盘中，并依次去除周围的聚二甲基硅氧烷（PDMS）子托盘。需要注意的是，操作人员应确保甲醇充分渗透到各缝隙中，以保证干净彻底地移除。随后将PDMS子托盘从铝板上分离；在剥离子托盘之前，先将其边缘剪开更容易操作。

最后，我们从PDMS副托盘上移除磁珠。在移除之前，需拉伸并轻轻抖动副托盘一段时间，以松动磁珠与PDMS副托盘之间的结合。实际移除磁珠的过程非常简便，使用一块较大的磁铁即可完成。

凹面微孔的制备已完成，微孔已准备好用于细胞培养。为了检测我们的PDMS平台是否适用于细胞培养，我们进行了以下操作步骤。首先，我们使用直径为14毫米的活检打孔器切割出具有凹面微孔图案的PDMS子培养皿。

在对 PDMS 子培养皿进行灭菌后，将其放入 24 孔板中。随后，用 4% 的普流尼克 F-127 溶液对整个 PDMS 子培养皿进行过夜包被，以防止细胞黏附到微孔表面。在包被过程中，应通过移液或使用超声波清洗仪去除微孔中截留的任何气泡。

在确保无残留气泡后，将一毫升含有约两百万个细胞的细胞培养基溶液接种到PDMS子培养皿中。接着，使用1000微升移液器吸去多余培养基，去除未被捕获在微孔中的细胞，随后即可将细胞放入培养箱中培养。具有微孔阵列结构的凸模已成功制备，商用钢珠已被固定在30乘30的通孔阵列中。

微珠被紧密固定，微珠与相应的通孔之间无任何气体存在。所制备的凹形微孔呈凹半球形，直径为600微米，与钢珠的直径相同。凹形微孔的横截面显示，相邻微孔之间的距离为1毫米，与通孔之间的间距一致。

将脂肪来源的干细胞培养在凹形微孔中。我们在直径为14毫米的凹形微孔阵列上接种了两百万个细胞。24小时后，细胞已聚集形成球状体。

在微孔阵列中形成的球状体平均直径为185.68微米。在第3天，细胞聚集程度增加，但球状体的平均直径减小至147微米。通过该方法，可采用一种成本较低且相对简单的工艺制备出100个凹面球形微孔。