变凹形形状 Microwells 的配对磁珠和磁体阵列
January 28th, 2018
本文介绍了一种在不需要复杂的高成本设备的情况下, 制作凹 microwells 的鲁棒方法。采用磁力、钢珠和通孔阵列, 在 3 cm x 3 cm 烷 (microwells) 衬底上形成几百个。
该方法的总体目标是利用磁力辅助的自锁金属珠制造凹面球形微孔。大家好，我叫 Gi Hun Lee，是中央大学的助教。我们对实验室感兴趣的是制造各种微型设备和平台，以加强我们对生物仪器开发、其培养和新型微观结构的研究。
我们的研究兴趣之一是开发新颖的微型设备和方法，以在 3D 环境中收缩这一点。我们称之为文化。培养对于理解三维反应非常有用，因为它比传统的二维平面培养更类似于实际组织。
已经尝试了几种涂抹酱生产方法，例如在烧瓶或试管中，在鼓网和微波炉中。在这些方法中，凹微方法是产生三维产品的非常强大的工具。任何间距的微型器皿都是每个监控和控制球形大小和分布的能力。
在这里，我们提出了用珠子和一系列小磁铁制造凹面微型商品的方法。使用这种技术，可以通过磁力辅助静止珠子的机制制造 100 个凹形微器。增强在每个凹陷的过程中都是不同的，并且没有重复的命题量表。
首先，使用 CNC 旋转雕刻机制作了 230 x 30 的通孔阵列铝板。该位置为珠子提供了一个导卷，如以下部分所示。用不同直径的钻头钻孔的砂轮和带有较小孔的板放置在底部。
外角也经过钻孔，以便对齐板。然后将两块板对齐、堆叠并锁定在一起，方法是将 N 个三个螺栓插入 limen 孔中，并用螺母固定。如前所述，制造商将带有较小孔的板放置在底部很重要，以便将珠子固定在导孔内。
下一步是准备 30 x 30 的钕磁铁阵列。我们首先手动隔离磁体，并将它们排列成 2 x 2 阵列。然后我们用镊子将它们对齐成一个更大的数组。
为了形成合适的磁体阵列，每个磁体必须与其相邻磁体的极性相反。此外，为了防止阵列破裂或散射，使用双面胶带将铝板连接到磁体阵列的底部。现在，我们已准备好将我们制作的每一件组装成微孔模具。
磁铁阵列使用普通胶带小心地连接到底板上。重要的是，磁体阵列的磁体应朝下。正确订购铝板和磁体阵列后，将钢珠放置在板组件上。
我们论文中使用的珠子是 SUJ 两个直径为 600 微米的钢珠。我们的校准过程非常简单。我们在组件上倒入足够数量的珠子，然后用亚克力板将它们刮掉。
底部的磁铁捕获进入铝板孔中的珠子，在刮擦过程中去除未卡在孔中的过多珠子。使用另一个磁铁去除多余的珠子。当珠子正确卡入引导孔内时，我们继续移除顶板。
在此过程中，在某些情况下，珠子会脱落并移位。在这种情况下，使用镊子手动将珠子插入孔中。现在凹微井模具已经准备好了。
将平台移至另一个培养皿，为下一步做准备。我们按照制造商的说明制备 PDMS，将 PDMS 单体和固化剂以 10 比 1 的比例混合。为了去除 PDMS 混合物中捕获的气泡，我们将混合物放入干燥器中约一小时，使其脱气。
完成后，我们将脱气的 PDMS 混合物倒入凹形微孔模具上，然后再次脱气。然后，我们将 PDMS 混合物在 80 摄氏度的热板上烘烤 2 小时，以形成灌注的嵌入式 PDMS 子托盘。必须非常小心地执行下一道工序。
为了简化去除过程，将甲醇倒入子托盘上，并按顺序取出外围 PDMS 子托盘。应该注意的是，制造商应确保甲醇充分渗透到间隙中，以确保干净地去除。然后将 PDMS 子托盘从铝板上拆下，在剥下子托盘之前更容易切开边缘。
最后，我们从 PDMS 子托盘中取出珠子。在移除之前，我们将子托盘拉伸并飞行一段时间，以松开珠子和 PDMS 子托盘之间的粘合。珠子的实际去除非常简单，可以使用大磁铁来完成。
凹形微孔的制造完成，微孔已准备好进行细胞培养。为了测试我们的 PDMS 平台是否适合培养细胞，我们进行了以下程序。首先，我们使用直径为 14 毫米的活检打孔器切割凹面微孔模式 PDMS 子托。
对 PDMS 子托盘消毒后，我们将其放入 24 孔板中。然后，我们用 4% 的 pluronic F-127 溶液包被整个 PDMS 子托盘过夜，以防止细胞粘附在微孔表面。在包被过程中，应通过移液或使用超声波清洁剂去除微孔中的任何气泡。
在确保没有气泡残留后，我们将 1 毫升细胞培养基溶液（包含大约 200 万个细胞）接种到 PDMS 子托盘上。接下来，使用 1000 μL 移液管吸出培养基，以去除未被困在微孔中的任何多余细胞，并且一切都已设置为细胞进入培养箱。成功制造了微井模式中的凸模，将商业钢珠捕获在 30 x 30 的通孔阵列中。
珠子被紧紧夹住，珠子和相应的通孔之间没有任何气体。制造的凹微井形状为凹半球形，直径为 600 微米，与钢珠的形状相同。凹形微井的横截面显示，与相邻微孔的距离为 1 毫米，与通孔的距离相同。
脂肪来源的干细胞在凹形微孔中培养。我们在 14 毫米直径的凹面微孔阵列上接种了 200 万个细胞。24 小时后，细胞聚集成球状体。
在微孔阵列中形成的球体的平均直径为 185.68 微米。在第 3 天，细胞变得更加聚集，但球体的平均直径下降到 147 微米。按照这个程序，可以用我们经济高效且相对简单的方法制造 100 个凹球形微井。
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概述
本文介绍了一种使用磁力和钢珠制造凹面微孔的稳健方法。该技术可以在3 cm x 3 cm的聚二甲基硅氧烷（PDMS）基底上形成数百个微孔。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 微制造
- 生物技术
背景
- 凹面微孔对于研究三维细胞培养至关重要。
- 传统的制造方法可能复杂且昂贵。
- 本研究旨在使用现成材料简化该过程。
- 磁力辅助技术可以提高微器件制造的效率。
研究目的
- 开发一种经济有效的制造凹面微孔的方法。
- 提高对三维细胞培养环境的理解。
- 促进生物仪器开发和微结构制造研究。
使用的方法
- 利用磁力操纵钢珠。
- 在PDMS基底上创建穿孔阵列。
- 在紧凑区域形成数百个微孔。
- 评估制造的微孔对细胞培养的有效性。
主要结果
- 成功制造凹面微孔而无需复杂设备。
- 展示了该方法的可扩展性和效率。
- 在增强三维细胞培养研究方面的潜在应用。
- 通过实验结果验证了该方法。
结论
- 该方法为微制造研究人员提供了一种实用解决方案。
- 它为在三维环境中研究细胞反应开辟了新途径。
- 这种方法可以显著降低微器件制造的成本。
常见问题
Executive Industry Relevance
Uniform spheroid generation in concave microwells enables predictive modeling of cellular behavior in drug discovery and regenerative medicine research. This scalable, cost-efficient fabrication method supports high-throughput, reproducible 3D culture platforms critical for early-stage screening and mechanistic de-risking. The approach enhances portfolio confidence by standardizing microenvironmental conditions for functional assays.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables controlled 3D microenvironments for interrogating cell-cell interactions and pathway responses.
- Supports functional validation of targets in physiologically relevant spheroid models.
- Facilitates mechanistic de-risking by minimizing variability in spheroid size and distribution.
- Improves predictive confidence for downstream biological triage.
Screening & Assay Development
- Provides standardized microwell arrays for reproducible spheroid-based assays.
- Enables quantitative assessment of compound effects on uniform spheroids.
- Supports scalability for high-content screening and platform reuse.
- Reduces assay variability by ensuring consistent spheroid formation.
Translational & Preclinical Research
- Aligns in vitro spheroid models with disease-relevant tissue architecture.
- Facilitates continuity from discovery through preclinical validation using consistent 3D systems.
- Supports translational biomarker studies by enabling controlled microenvironments.
- De-risks advancement decisions by providing robust, reproducible data.
Pipeline & Workflow Integration
This microwell fabrication method integrates from early discovery through lead identification and preclinical research, supporting hypothesis testing and assay development in 3D culture systems.
- Discovery Biology: Standardizes 3D culture conditions for hypothesis-driven target validation.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative spheroid assays for compound evaluation.
- Analytics: Enables precise measurement of spheroid size and aggregation for comparative analysis.
- Translational Research: Bridges in vitro findings to preclinical models by mimicking tissue-like environments.
- Enterprise Reuse: Offers a reusable, scalable platform adaptable across cell types and research programs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in 3D cell-based assays.
- Operational Value: Streamlines fabrication, enhances reproducibility, and supports high-throughput workflows.
- Strategic Value: Improves go/no-go decision quality and capital efficiency by reducing biological risk early.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization and advancement of candidates with robust 3D data.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfabrication and 3D cell culture techniques.
- Needs access to basic laboratory instrumentation and analytical imaging tools.
- Demands cross-team standardization for reproducible spheroid formation and analysis.
- Adaptable to various cell types but may require optimization for specific applications.
- Limited by manual assembly steps and potential for bead displacement during fabrication.
