可扩展的可拉伸双通道微流控器官芯片的制备

本方案的总体目标是描述用于在体外模拟器官功能的器官芯片微流控装置的制备方法。该方案介绍了一种在体外重现器官水平功能的器官芯片装置的制备途径。这类装置实际上是利用软质硅橡胶通过3D打印模具制成的。

这种橡胶材料使我们能够真正赋予这些装置以机械信号，从而可以像在肺部或肠道中那样对组织进行拉伸。我们还加入了灌注系统，以模拟血液及其他体液在器官系统中的流动。现在，综合来看，这些装置使我们能够真实地重建并尝试理解体内发生的复杂生理过程。

但这是在体外进行的。因此，我们本质上是在人体上进行实验，但并非直接在活人身上进行。这是一种非常有效的方法，能够弥合动物研究与人体研究之间的鸿沟。动物研究通常在治疗手段的临床前开发阶段进行，而人体研究则被称为临床试验，后者对人体安全带来的风险要大得多。

因此，这些设备有助于弥合差距，使我们能够开发新的治疗方法，并深入了解在人体等复杂系统中实际发生的基本生物学过程。上通道制备：用乙醇和洁净室擦拭纸擦拭每块聚氨酯部件的光面。

将聚氨酯的光面覆盖在模具的开口侧并放好。将模具和聚氨酯组件放入夹具中，使纹理面紧贴夹具的一端。重复此操作，直至所有模具均放置于夹具内。

使用扳手旋转夹具的手柄将其拧紧，直至夹具间距宽度为 25 毫米。用铝箔制作一个小船状结构，围绕并固定在模具夹具周围。将 PDMS 倒入每个模具的孔中，直至注满。

当整个夹具充满后，将其放入真空干燥器中。一小时后，从干燥器中取出，并置于60 °C的烘箱中至少四小时。

使用扳手拆卸夹具。从每个模具上取下聚氨酯条，并丢弃。

小心地将PDMS部件从模具中脱模，并将其有结构的一面朝上放置。将刮刀的刀片对准端部标签的缺口处，切割掉两端，以分离顶部组件。

将制备好的部件存放于方形培养皿中，并在室温下置于正压柜中保存。底部通道制备。

将10.5克PDMS倒入模具中。可非常轻柔地使用气枪将PDMS均匀铺展至整个空间。将模具放入真空干燥器中。

一小时后，将模具转移至水平放置的60摄氏度烘箱中。在超净工作台内的桌面上放置模具。从模具边缘松动PDMS。

抓住一个角落，轻轻将PDMS从模具表面剥离。完全取下后，翻转并平放在工作台面上，使通道结构朝上。使用瓷砖切割器沿外边缘进行切割。

使用扁平桨状镊子将部件的功能面朝上放置在胶带上，以去除任何碎屑。从封箱胶带上取下部件。将部件的松动端在载玻片上拖动。

松散的一端将与玻璃粘合。用透明胶带覆盖表面特征。将部件存放在室温下的正压柜中。

PDMS 膜制备。检查晶圆背面是否无 PDMS。将每片膜晶圆放入指定的槽位中。

使用1 mL注射器将0.9 mL PDMS置于每个膜片微柱阵列的中心。静置PDMS至少五分钟，使其充分扩散至膜片微柱的各个部位。

在PDMS覆盖至少75%的微柱阵列之前，请勿进入下一步。使用本方案中所述条件对聚碳酸酯条带进行等离子体处理。将聚碳酸酯片从等离子体处理仪中取出，并使用剪刀将其裁剪为45毫米×45毫米的正方形。

将聚碳酸酯方片经等离子处理的一面朝下，居中放置在PDMS上，对准膜片基板。将PDMS间隔垫圈置于聚碳酸酯方片的中央。然后放置预先切割好的带纹理聚碳酸酯。

插入托盘时，将托盘三放在后部，托盘二放在中间，托盘一放在前部。托盘一有一个用于对齐的凹口。打开输出压力阀，然后非常缓慢地打开输入压力阀。

这是为了使四公斤的力逐渐施加到每片膜片上，而不是瞬间施加，以免损坏膜片。将 AMF 开关拨至开启位置，以开始固化循环。然后关闭输入压力阀，并打开输出压力阀，释放气缸中的压力。

取出培养皿并将其转移至超净工作台。小心剥离表面的纹理聚碳酸酯膜，再小心移除PDMS间隔层。

检查PDMS膜是否存在通孔区域。使用记号笔描出通孔区域的轮廓。同时标记膜上所有的孔洞或缺陷。

这是未标记和已标记膜的一个示例。使用晶圆夹持镊子将晶圆从托盘中松开。将每张膜从晶圆上取下，并放置于培养皿中。

聚二甲基硅氧烷（PDMS）膜将从晶圆上脱模，并与聚碳酸酯背板键合。将部件在室温下的正压柜中保存。进行上部组件的组装与准备。

使用哑光透明胶带清洁PDMS膜以及培养皿内部，以去除碎屑。用胶带仔细粘贴每个高通道盖板的特征面，以清除碎屑。将盖板放入含有PDMS膜的培养皿中。

请注意，某些膜可能需要一个或两个上部组件。每个上部组件的主要通道应位于膜上的标记区域内。将培养皿放入等离子体设备中。

根据书面方案对膜和上层进行等离子处理。待键合循环结束后，取出培养皿并将活化的上层部分置于膜上，放入60 °C烘箱中至少两小时。

使用手术刀沿键合顶部的周边进行切割，将其从聚碳酸酯载体上分离。切割完成后，将顶部从聚碳酸酯上剥离。已键合到顶部的PDMS膜也应随之从载体上剥离。

使用镊子将通向底部通道的端口处的膜去除。确保端口通路无任何膜残留。同时用镊子清除任何碎屑或灰尘。

芯片组装。将功能面朝上，使用等离子体处理顶部组件与底部组件。在倒置显微镜下，将顶部组件与底部半片对齐。

置于60摄氏度烘箱中至少两小时。结果：本实验方案描述了可扩展的PDMS器官芯片的制备方法。这些装置可在弹性多孔膜上共培养两种不同的灌注组织类型。

PDMS 通道使用 3D 打印模具浇铸，可加快新设计的原型制作。顶部通道在模具中浇铸时，通过压缩紧贴柔性聚氨酯垫圈，以形成带有模制端口的部件；而底部通道部件则在托盘中浇铸，并以显微镜载玻片作为支撑进行操作。

这种制备方法将各部件的多尺度图案化整合到单一步骤中，节省了时间，提高了可重复性和可追溯性，并减少了因打孔和多次切割产生的碎屑。多孔膜对器官芯片的功能至关重要，而基于在图案化硅片上浇铸成型的制备方法可获得厚度一致、表面光滑的膜。通过聚碳酸酯载体进行操作，可实现更大批量的生产与储存。

组装好的器官芯片包含两个位于光学透明封装内的灌注通道。在重叠区域，多孔的聚二甲基硅氧烷（PDMS）膜可实现代谢物、蛋白质、治疗药物、病原体和细胞在组织间的相互作用，从而模拟器官芯片的功能；同时，两侧的两条平行通道可通过循环真空驱动施加机械应变。该PDMS膜的孔隙结构在生物医学上支持代谢物、生长因子甚至细胞在血管系统与器官实质之间的流动。

通过比较出口通道中是否存在Caco-2肠道细胞时的双浓度，测定膜的表观通透性。肠道芯片中的细胞层显著增强了通透性屏障。该器官芯片可通过平行的真空通道施加循环应变载荷，从而对膜以及培养的组织进行定量且可重复的力学刺激。

这种循环拉伸结合培养基灌注可支持细胞分化，从而更好地模拟体内器官的生理状态，例如肠道芯片中绒毛的形成。通过采用此处描述的方案，您现在应能够制备可拉伸的PDMS器官芯片。