在药物发现和疾病建模领域，人们越来越认识到传统的动物模型和经典体外系统的局限性。虽然这些方法非常重要，但它们往往无法复制人类复杂的生理环境。因此，迫切需要一种能提供更准确、数据相关性更密切的替代模型，以最终改善药物的开发过程。
微生理系统（MPS）或器官芯片（OoC）技术已经发展成为一种极具前景的替代方法。这些模型旨在通过将活细胞整合到微流控器件的三维（3D）动态环境中，重现人体器官的微观结构和功能。
为了推进这些系统的发展，采用快速、简单、经济的制造技术至关重要。然而，目前的器官芯片制造方法通常依赖于光刻和PDMS浇注等微/纳米制造技术，这些技术往往涉及多个步骤，并且需要在无尘室条件下使用昂贵的材料和设备。近来，3D打印技术，特别是使用光敏树脂的立体光刻（SLA）或数字光处理（DLP）打印机，已用于以更短的时间和更低的成本制造微流控器件。然而，由于在清洗过程中使用有机溶剂，而且某些树脂具有细胞毒性，因此这些器件不太适合脆弱细胞的细胞培养，例如人类原代细胞和人类诱导多能干细胞（iPSC）衍生细胞等。
日本立命馆大学的研究人员此前已成功利用聚对苯二甲酸乙二醇酯（PETG）透明丝熔融沉积建模（FDM）制造了微图案化的微流控器件，在这些器件上可以以排列整齐的方式培养小鼠成肌细胞。然而，熔融聚合物线很容易散射光线，这为成像和细胞观察带来了挑战。此外，聚乳酸（PLA）和PETG等普通聚合物很难在不添加胶合材料的情况下有效粘合到玻璃等透明基底或聚氯乙烯（PVC）等塑料透明聚合物上，而胶合材料会使粘合过程复杂化，并可能给细胞带来有毒元素。
为了克服这些挑战，研究人员选择了热塑性聚氨酯（TPU）聚合物作为长丝，透明PVC作为沉积的粘合基底。TPU具有许多优点，包括柔韧性、生物相容性以及易于制造，使其成为一种具有成本效益的替代方案。更重要的是，TPU具有的物理化学特性，可通过与PVC之间的疏水作用以及两种聚合物之间的交联来实现粘合，从而增强粘合过程。
据麦姆斯咨询介绍，在这项最新的研究中，立命馆大学的研究人员开发了一种3D打印柔性TPU微流控器件（3D-FlexTPU-MFD），可用于培养人类原代成肌细胞及其分化，以及人类iPSC衍生的视囊（OV）类器官，并测试了它们的功能和特性。该模型代表了为药物应用创建设计更灵活、更经济、更可靠器官芯片原型方面迈出的重要一步。该研究成果已经以“Development of a flexible 3D printed TPU-PVC microfluidic devices for organ-on-a-chip applications”为题发表于近期的Scientific Reports。
3D-FlexTPU-MFD制造
3D-FlexTPU-MFD的制造过程采用了基于熔融沉积建模（FDM）的3D打印技术，将TPU长丝沉积到PVC基底上，从而实现强聚合物融合和粘合。在PVC上沉积TPU后形成牢固的粘合，能够承受高达1 kg的拉力而不会损坏。
为了评估结构的完整性和打印的保真度，研究人员测试了三种微流控通道设计：字母形通道（“R”）、四条直通道（W1、W2、W3和W4）以及一条蛇形通道。3D打印器件的通道结构清晰，边界一致。填充了荧光素钠的蛇形通道的高分辨率图像显示了光滑的通道横截面，证实了制作的成功。研究人员对充满荧光素钠的通道W1（长15 mm，宽0.5 mm）、W2（长15 mm，宽1 mm）和W3（长15 mm，宽2 mm）进行了荧光成像，以评估通道的均匀性。在整个通道宽度上测量的荧光强度曲线显示染料分布均匀，表明通道形成一致。W2和W3的保真度接近1，表明它们具有极佳的尺寸精度和结构再现性。因此，W2和W3更适合需要高保真和一致通道尺寸的应用。
顶部开放式3D-FlexTPU-MFD的设计、制造及表征
3D-FlexTPU-MFD的概念设计及特征
评估3D-flexTPU-MFD中的成肌细胞分化、成熟和排列
iPSC衍生的视囊类器官在3D-FlexTPU-MFD中的附着和分化
总结而言，在这项研究中，研究人员以TPU为长丝，以PVC为粘合基底，采用一步法FDM工艺开发了3D-FlexTPU-MFD。该器件支持人原代成肌细胞、内皮细胞和iPSC衍生的类器官的培养。成肌细胞表现出高活力，并形成了排列整齐的肌管束，优于传统的孔板培养。iPSC衍生的视囊类器官维持了活力，形成了神经元，并表达了前脑和眼睛标志物PAX6。3D-FlexTPU-MFD为细胞培养、组织建模和器官芯片应用提供了一种多功能平台。未来的工作将探索流灌系统以及在药物测试和疾病建模中的应用。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41598-025-90470-w
延伸阅读：
《印刷和柔性传感器技术及市场-2024版》
《即时诊断应用的生物传感器技术及市场-2022版》
《3D电子和增材制造电子技术和市场-2024版》
