DOI: 10.1039/D0TB00718H

将支架材料集成到微流体设备中进行3D细胞培养（器官芯片）是一个新兴的研究领域。器官芯片技术具有消除临床前研究与临床研究之间差距的潜力。由于越来越多的证据表明细胞外基质在体外细胞培养中的重要性，因此研究人员作出了巨大的努力以将3D ECM/支架材料集成到微流控技术中。通常有两种材料可用于此：水凝胶和电纺纤维。在本文中，作者简要讨论了材料的特性，重点介绍了制备材料的各种技术（例如，从动物组织中提取胶原蛋白），以及如何将材料集成到微流体设备中。此外，还深入讨论了当前材料和技术所面临的挑战以及潜在的解决方案。最后，作者就如何使这些技术更具转化性发表了个人观点，以更广泛地造福于药物和病理生理学研究。

图1.交联水凝胶的描述和水分子的渗透。聚合物主链和水分子之间的氢键使凝胶具有多孔性和渗透性。

图2.胶原蛋白形成和组装的描述。（A）干燥的重组胶原蛋白和（B）干燥的猪皮肤裂片的原子力显微镜图像。（C）干燥的猪皮肤裂片的扫描电子显微镜图像。

图3.将载有细胞的水凝胶集成到预制微流控设备中的最新示例。（A）由Virumbrales-Munoz等人开发的设备示意图。肿瘤细胞在胶原基质（粉红色）中培养，单层内皮细胞在顶部培养，以形成可渗透屏障。（B）四通道微流控设备，其中两个内部通道分别充满了含有星形胶质细胞和神经元的水凝胶。外通道输送培养基以滋养细胞。（C）具有两个流体通道（绿色，红色）和一个包含水凝胶的中央通道（灰色）的微流体装置。流过红色通道的TCR-T细胞扩散进入中央水凝胶通道并攻击其中的肝细胞。（D）七通道设备的示意图，其中四个流道允许介质流动（1、3），另外三个为含水凝胶的通道（2、4）。如左下方所示，通道壁中的小间隙允许与流体通道接触。

图4.使用模具在水凝胶中形成微流体通道。（A）在光致抗蚀剂（SU-8）层的顶部应用掩模，以便仅使曝光的区域交联。（B）去除未固化的光致抗蚀剂以具有升高的微结构。（C）将水凝胶浇铸在模具的顶部，进行交联，并在浇铸材料中留下微观结构的烙印。（D）将基材，通常是玻璃压在浇铸的水凝胶上以密封通道。（E，F）使用线模（直径150μm）制备微通道。胶原蛋白和琼脂糖在悬丝周围凝胶化；当移除悬丝时，水凝胶中会留有一条通道，其中接种了分化的人脑微血管内皮细胞（dhBMECs）。

图5.使用牺牲模具在水凝胶中形成微流体通道。（A）使用蚀刻玻璃图案器由PVA制成的牺牲模具的图像。（B）将PVA模具从其周围的固化水凝胶中移出后，形成中空通道。该图像显示了流经通道的荧光微球。（C）作为血管模拟物接种在通道内部的HUVEC的免疫荧光图像。

图6.带有光屏模的自下向上3D打印的示意图。将预聚物薄层负载到电动台上，并使用光学器件选择交联区域。冲洗掉未聚合的材料，降低平台，并将其他层负载到顶部并进行交联，以构建3D设备。

图7.模拟肿瘤微环境的3D生物打印。（A）肿瘤微环境的体内描述。（B）用于研究肿瘤细胞的体外微环境的简化图。（C）拟议的用于研究肿瘤细胞的设备图像，其中血管（红色）通过该设备携带介质，并从另一侧和单侧淋巴通道（黄色）流出，以实现引流。（D）用于血管制造（顶部，中间）和淋巴管制造（中间，底部）的Bioink组合物。（E）生物打印挤出喷嘴的设置，说明了生物墨水和交联剂（CaCl2）的共传输。（F）要在最终设备中使用的血管和淋巴管的生物打印示例。

图8.通过立体光刻直接在聚（乙二醇）二丙烯酸酯（PEGDA）水凝胶中制备微流控血管模拟物。（A）具有交织的氧气（透明）和RBC（红色）输送通道的PEGDA水凝胶的俯视图。（B）通道的放大图。当RBC到达通道末端时，颜色从深红色变为浅红色，表明气体与血液通道之间进行了有效的氧气交换。（C）设备上的定量气体交换效率。

图9.静电纺丝设置。将聚合物溶液推过施加高压的金属针。泰勒锥在针尖的末端喷出，并形成纤维。可以将纤维收集在接地表面上。

图10.关于静电纺丝材料及其应用的文献调查结果。（A）PCL（聚己内酯）和PLA（聚乳酸）是静电纺丝中最常用的聚合物。（B）静电纺丝的主要应用是组织工程、3D细胞培养和伤口敷料。

图11.（A）Pimentel等人创建的侧向流动装置的布局。在一根电纺纤维上，某些区域被阻塞（黑色），其余区域定义为通道和腔室，在此处可以通过毛细作用输送液体。（B）测试具有各种微结构的电纺纤维的细胞培养。

图12.使用动态聚焦将超细纤维限制在流体装置中。（A）带有空气鞘的静电纺丝装置，可将纤维聚焦到流体通道中。（B）横截面SEM图像显示一层电纺纤维沉积在通道的内部。（C）设置的真实图片。从射流装置（插图）另一端出来的纤维表明纤维聚焦成功。

图13.微流体设备中基于插入物的微纤维集成。（A）该技术的工作流程。首先将电纺纤维涂覆在PS膜上，然后将其激光切割成所需尺寸的矩形插入物。细胞接种到纤维上后，将插入物集成到3D打印的流体设备中，该设备具有匹配的缝隙，用于基于流量的刺激和下游定量。（B）3D打印的流体装置。（C）组装后装置的剖面图。两个充满细胞的插入物与槽口精准匹配，并在形成流体通道的中间隔开一定距离。（D）插图的放大图，可以看到纤维层。