研究人员开发用于组织工程的3D打印活细胞微流控技术



 近日,荷兰特文特大学 (UT)的科学家开发出了一种可以进行3D打印活细胞结构的新技术。科学家称之为空气微流体(IAMF)技术,其特点灵活而快速,可以生产可行的微型构件,然后用来修复受损的组织。

微流体装置被用来处理微小的液滴,液滴的大小在一微米和一毫米之间。具有小流体通道和反应器的芯片被用于芯片上实验室系统,并且芯片当然有价值,这在很大程度上归功于液滴可以物理地携带其他物质,然而其速度却很慢,由于它们通常以每分钟1微升的速度运动,因此仅需要一个立方厘米就需要17个小时。

UT研究人员想知道是否可以通过操纵空气中的流体而不是微通道来提高速度。实验验证是肯定的,他们的新的无芯片技术可以在几分钟内用来填充立方厘米。该小组最近发表了一篇题为“ 空气中的微流体可以快速制造乳液,悬浮液和三维模块化(生物)材料 ”的论文,在 Science Advances杂志上详细介绍了他们的技术。合作者包括UT 流体物理组的 Claas Willem Visser,发育生物工程组的 Tom Kamperman,Detlef Lohse和Marcel Karperien。

Kamperman和Visser都参与了新的 IamFluidics 分拆,其中IAMF技术被用于制造功能材料和颗粒。

3D多尺度模块化(生物)材料的一步式增材制造和注塑成型。

摘要写道:“微流控芯片提供无与伦比的液滴和射流控制,这已经推动了所有的自然科学。然而,微流体应用可以通过增加每通道通量并直接利用芯片的产量来快速增加制造而大大扩展。我们利用空气中的微流体来释放这些特性,这是一种新型的无芯片平台,用于处理空气中的微型液体流。通过表面张力驱动封装来控制液体微射流的组成和空气冲击,我们以比芯片基微滴微流体高10至100倍的速率制造直径为20至300μm的单分散乳剂,颗粒和纤维。此外,空气中的微流体可以一步完成基于模块的三维(3D)多尺度(生物)材料的生产,因为飞行中的液滴部分固化,可以立即打印到基材上。空气中的微流体是细胞相容性的,如3D模块化结构的增材制造所证明的,其具有为多种细胞类型定制的微环境。它的在线控制,高通量和高分辨率,以及细胞相容性,使空气中的微流体成为科学,工业和医疗保健领域的多功能平台技术。“

IAMF:(A)基于芯片的微流体可以在线控制液滴和颗粒。显示了通过coflow(粉红色)输送液滴(蓝色)的芯片设计。(B)IAMF保持基于芯片的微流体的在线控制,但依靠射流喷射和聚结到空气中。因此,与基于芯片的微流体相比,可以以更高的流速产生范围广泛的液滴和颗粒。研究人员使用两股液体射流来捕获3D打印材料内的活细胞。用熔融石英管喷出的射流并不困难,它们的移动速度比从微芯片流体通道移动的液滴快100-1000倍。另外,通过使用含有不同类型的反应流体的射流,液滴的碰撞可以产生新的材料。

该论文指出:“IAMF也不需要基于洁净室的芯片制造和通道壁表面处理,防止固化引起的堵塞,并且允许无油的制造微粒(例如微凝胶)。这些特性有助于将微流控技术应用于与微流控芯片不兼容的环境中。“

IAMF使用空气中形成的胶囊或颗粒直接沉积在基底上,因此3D打印多尺度模块化生物材料只需一步。

这些“生物构件”打印成类似于海绵的三维结构,生物材料的内部结构与天然组织的结构不同。此外,虽然许多3D打印技术使用紫外线或热量,这会对活细胞造成损害,但研究人员的IAMF技术并不使用。这使得它成为组织工程的一个有前途的方法。

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