$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
3D modele hodowli in vitro, które dostarczają więcej cech strukturalnych i morfologicznych podobnych do in vivo w porównaniu z konwencjonalnymi modelami hodowli 2D, zostały uznane za obiecujące systemy w różnych zastosowaniach biomedycznych, takich jak inżynieria tkankowa, modelowanie chorób i badania przesiewowe leków1,2,3. Jako jeden z typów modelu hodowli 3D, sferoidy komórkowe zazwyczaj odnoszą się do agregacji komórek, tworząc sferoidalne struktury 3D charakteryzujące się wzmocnionymi interakcjami komórka-komórka i komórka-macierz4,5,6. W związku z tym wytwarzanie sferoid komórkowych stało się potężnym narzędziem umożliwiającym różnorodne badania biologiczne.
Różne techniki, w tym wiszące krople7, nieprzylepne płytki8, lub urządzenia mikrostudzienne9, zostały opracowane w celu uzyskania sferoid. Zasadniczo metody te zwykle ułatwiają składanie komórek poprzez wykorzystanie sił fizycznych, takich jak siła grawitacji, przy jednoczesnej minimalizacji interakcji między komórkami a podłożem. Jednak często obejmują one pracochłonne procesy, mają niską produktywność i stanowią wyzwanie dla kontrolowania rozmiaru sferoidów10,11. Co ważne, produkcja sferoid o pożądanej wielkości i jednorodności w wystarczającej ilości ma ogromne znaczenie dla zaspokojenia określonych zastosowań biologicznych. W przeciwieństwie do wyżej wymienionych metod, fale akustyczne, jako jeden z rodzajów techniki sterowanej siłą zewnętrzną12,13,14, wykazały potencjał do masowej produkcji sferoid komórkowych o wysokiej jakości i przepustowości, w oparciu o zasadę zwiększania agregacji komórek przez siły zewnętrzne15,16,17,18. W przeciwieństwie do sił elektromagnetycznych lub magnetycznych, techniki manipulacji komórkami oparte na akustyce są nieinwazyjne i bezznacznikowe, umożliwiając tworzenie sferoidów o doskonałej biokompatybilności19,20.
Zazwyczaj urządzenia oparte na falach akustycznych na powierzchni stojącej (SAW) i masowych falach akustycznych (BAW) zostały opracowane do generowania sferoid, wykorzystując węzły akustyczne (AN) wytwarzane przez odpowiednie stojące pola akustyczne21,22,23. W szczególności akustyczne urządzenia montażowe oparte na BAW, z zaletami wygodnej produkcji, łatwej obsługi i doskonałej skalowalności, zyskały uwagę przy wytwarzaniu sferoid komórkowych24,25. Niedawno opracowaliśmy łatwe urządzenie do montażu akustycznego oparte na BAWs, które ma możliwość generowania sferoid o wysokiej przepustowości26. Proponowane urządzenie składa się z kwadratowej komory z polimetakrylanu metylu (PMMA) z trzema przetwornikami tytanianu cyrkonianu ołowiu (PZT) ustawionymi odpowiednio w płaszczyźnie X/Y/Z. Taki układ umożliwia stworzenie trójwymiarowego wzoru tablicy punktowej lewitujących węzłów akustycznych (LAN) do sterowania montażem komórek. W porównaniu z wcześniej zgłaszanymi urządzeniami opartymi na BAW lub SAWs, które mogą tworzyć tylko tablicę 1D lub 2D ANs27,28,29, obecne urządzenie umożliwia 3D kropkową tablicę sieci LAN do szybkiego tworzenia agregacji komórek w roztworze żelatyny metakryloylowej (GelMA). Następnie, po trzech dniach hodowli, agregaty komórkowe dojrzewały do postaci sferoid o wysokiej żywotności w fotoutwardzalnych rusztowaniach GelMA. Wreszcie, z rusztowań GelMA można było łatwo uzyskać dużą liczbę sferoid o jednolitych rozmiarach do dalszych zastosowań.