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功率放大器行业应用分享:微组织工程的拓扑水凝胶的微流控配方研究

作者:Aigtek 阅读数:0 发布时间:2024-05-23 09:05:31

微流控技术是一种通过微小的通道和微型装置对流体进行精确操控和分析的技术。它是现代医学技术发展过程中的一种重要的生物医学工程技术,具有广泛的应用前景和重要性。它在高通量分析、个性化医疗、细胞筛选等方面有着巨大的潜力,Aigtek安泰电子今天就将为大家分享一篇微流控领域研究成果,一起接着往下看吧~

  微流控技术已成为一种强有力的工具,用于产生亚毫米大小的细胞聚集体,能够执行组织特异性功能,即所谓的微组织,应用于药物测试、再生医学和细胞治疗。近日,来自波兰科学院物理化学研究所JanGuzowski教授团队系统回顾了该领域的最新进展,特别关注小“维度”的细胞包裹微凝胶的配方:“0D”(颗粒)、“1D”(纤维)、“2D”(薄片)等,重点对微凝胶的区域化和自组装的各种可能途径进行了分类,包括不同拓扑和维度结构的产生。此外,作者还确定了可利用的划分结构的微流体技术:(i)自组装平静液态架构,通常由多个不能混合的液态部分,或(ii)瞬时不平衡由多个组成的架构易混合的片段通过快速交联反应淬灭。最后系统地回顾了拓扑微结构的最新组织特异性应用,包括多种类型的微组织,包括微型胰腺、肝脏、肌肉、骨骼、心脏、神经组织、脉管系统以及干细胞球体和微肿瘤。相关研究成果以“Microfluidic Formulation of Topological Hydrogels for Microtissue Engineering”为题于2022年9月15日发表在《Chemical Reviews》上。

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  图1微流体辅助微组织工程的主要兴趣主题

  本文主要分为五大模块进行,如图1所示,主要内容分别是:(1)微凝胶维度和拓扑的一般分类;(2)微流体制剂中使用的不同类型的水凝胶;(3)可用的微流体方法;(4)拓扑水凝胶微结构的制造;(5)不同类型的生物医学应用。

  1.微凝胶维度和拓扑的一般分类

  首先,作者根据它们的(i)“维度”和(ii)拓扑对划分的水凝胶微结构进行分类。就“维度”而言,主要将其分为0D、1D、2D、3D、4D;通过结构的拓扑性,主要划分为吞没拓扑和Janus拓扑(图2)。

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  图2微凝胶结构的多样性

  2.微流体制剂中使用的不同类型的水凝胶

  目前,最常用于制备用于组织工程的微凝胶的生物聚合物包括(i)天然来源的聚合物,例如多糖,例如琼脂糖、透明质酸、壳聚糖或藻酸钙,或基于蛋白质的聚合物,例如明胶、胶原、纤维蛋白或基质凝胶或其他类型的脱细胞基质(dECM),(ii)部分合成的聚合物,例如明胶甲基丙烯酰(GelMa),或(iii)完全合成的聚合物,例如聚乙二醇(PEGs)及其衍生物。

  (1)力学性能形成3D细胞培养支架的水凝胶的机械性能不仅决定了支架的长期稳定性,而且通过机械转导,即由外部机械信号诱导的生物化学信号,直接影响包埋细胞的行为。在仿生基质中,取决于所应用的仿生策略,基质的机械性质应该与天然组织或天然ECM的性质相匹配。各种组织和各种水凝胶的杨氏模量之间的详细比较总结于图3中。

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  图3组织与生物材料:机械性能的比较

  (2)细胞与水凝胶的相互作用细胞粘附和增殖是健康组织生长所必需的。生长因子只能在少数天然来源的水凝胶中发现,如Matrigel或dECM,而细胞粘附基序也天然存在于壳聚糖、胶原、纤维蛋白、明胶和GelMa中,但不存在于琼脂糖、藻酸盐、透明质酸或PEG中。在后一种情况下,可以通过水凝胶的适当化学功能化来促进细胞粘附。

  (3)生物降解性在水凝胶作为临时支持物的应用中,支架应该随着组织的成熟而逐渐降解。在这种情况下,水凝胶的降解速率需要与组织发育的速率相匹配,而组织发育的速率又取决于组织的类型。水凝胶的降解通常由两种机制之一引起:酶解或水解。酶促降解是一种局部现象,而由于不稳定化学键的存在,水解发生在水凝胶的整个体积中。

  3.可用的微流体方法

  第三部分主要回顾了微凝胶制剂的微流体策略,其通常必须考虑所用水凝胶的类型及其交联机理。在许多情况下,交联过程中涉及的物理化学因素是决定微通道和微流体连接的布局和/或尺寸的因素。

  物理交联依赖于水凝胶分子自组装成网络,该网络由溶液温度的变化诱导或由聚合物链和交联剂之间的物理(非共价)相互作用介导,如离子相互作用、氢键或主客体络合。物理交联过程的优点是条件温和,使得包埋的细胞保持高水平的生存力(图4a-c)。

  各种化学交联方法已经成功地用于配制微凝胶。在可用的方法中,紫外引发的交联具有交联时间短的优点,因此即使使用可混溶的水凝胶前体,也可容易地用于产生间隔化的微凝胶。另一方面,酶法、迈克尔加成法或点击化学法通常更具生物相容性,并且在技术上更易于实施,因为它们不需要将任何外部设备(例如紫外光源)整合到微流体工作流程中,并且因此为不太复杂的微结构提供了最佳解决方案。(图4d-e)

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  图4水凝胶液滴交联的微流体策略

  4.拓扑水凝胶微结构的制造

  对于1D结构,作者主要从横向图案化的微纤维、纵向图案化超细纤维、“1.5D”带状结构、水凝胶纤维和丝带中的复杂图案化和信息编码几方面分别展开叙述;2D结构构成了一组相对较小的微流体辅助组织工程支架,包括多孔膜、自下而上组装的2D微凝胶棋盘图案和水凝胶液滴网络;3D结构主要包括可注射颗粒支架,包括颗粒生物墨水、3D打印的基于液滴的结构、3D打印或捆绑的微纤维和散装多孔材料。

  5.不同类型的生物医学应用

  在回顾了制造载细胞微凝胶的微流体方法之后,最后作者详细地描述它们在组织工程中的应用。这部分主要从微凝胶的维度和拓扑决定的应用以及组织和细胞类型的特定应用展开叙述。

  由微凝胶的维度和拓扑决定的应用如图6所示,展示了0D、1D、2D、3D、4D微凝胶的各种结构激发的多种应用,如组织建模、再生医学和细胞疗法、药物测试等;此外,作者一一研究了广泛的组织,包括肝脏、胰腺、神经元、心脏组织、骨骼肌、骨骼和血管组织,还讨论了干细胞和癌细胞封装作为再生和个性化医学的新兴策略的最新进展。

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  图5组织工程中的多种应用

  ATA-7050高压放大器

ATA-7050高压放大器

  带宽:(-3dB)DC~5kHz

  电压:10kVp-p(±5kVp)

  电流:20mAp

  功率:100Wp

  压摆率:≥111V/μs

  综上,微流体最近已成为一种强大的工具,可用于生成能够执行组织特异性功能的亚毫米级细胞聚集体,即所谓的微组织,用于药物测试、再生医学和细胞疗法。拓扑生物材料的微流控方法在微型组织和器官(如胰腺、肝脏、肌肉、骨骼、心脏、神经组织或脉管系统)的工程设计以及为干细胞扩增定制微环境的制造方面取得了重大进展和分化,或在癌症建模中,包括生成用于个性化药物测试的血管化肿瘤。通过利用各种交联机制和各种路径进行划分,回顾了可用的微流体制造方法,并批判性地讨论了可用的组织特异性应用。最后,列出了剩余的挑战,例如简化微流体工作流程以使其在生物医学研究中的广泛使用、从实验室到床边的过渡(包括生产升级)、进一步的体内验证、更精确的器官样模型的生成以及整合诱导多能干细胞作为迈向临床应用的一步。

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