柔性聚二甲基硅氧烷（PDMS）多孔膜的制备与安装：作为刚性传统聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）膜的替代品，用于细胞培养插片中的肠道屏障共培养实验

《ANALYTICAL AND BIOANALYTICAL CHEMISTRY》：Fabrication and installation of a flexible polydimethylsiloxane (PDMS) porous membrane as a substitute for a rigid, conventional, track-etched polyethylene terephthalate (PET) membrane on cell culture inserts for gut barrier co-culture

采用二维相分离法制备超薄（≈5μm）高弹性PDMS多孔膜，孔隙尺寸（10-100μm或<2μm）通过调控PS分子量及配比实现。该膜具备良好机械适应性、分子渗透性与光学透明性，支持人肠上皮细胞与菌群共培养，较传统PET插入件更高效，并适用于药物传输等研究。

　　

摘要

我们报告了一种简单且无需洁净室的策略，用于制备超薄（约5微米）且高度柔性的聚二甲基硅氧烷（PDMS）多孔膜。该膜作为“芯片上的肠道”平台的机械动态支架，能够共培养人体上皮细胞和肠道细菌。该膜是通过二维相分离过程制备的，在此过程中，具有特定分子量（MW=1300–170,000）的聚苯乙烯（PS）在PDMS/甲苯基质中充当牺牲层。通过系统地改变相分离时间（3–24小时）、PS分子量以及PS:PDMS:甲苯的混合比例，我们发现当PS分子量为5780且混合比例为1:7.5:7.5时，可以生成直径为10–100微米的孔；而分子量为1300的PS则生成直径小于2微米的孔，但需要进一步优化以确保孔的连续性。扫描电子显微镜图像证实了孔的均匀分布，并且在通过甲苯提取去除PS并经过热固化处理后，膜表面几乎没有塌陷。荧光素渗透性实验表明，使用分子量为5780或1300的PS制备的膜在12小时内的溶质传输速率与1.0微米深度蚀刻的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）插片相当，这表明尽管膜的整体厚度减少了一个数量级，但孔的形成仍然成功。重要的是，Caco-2结肠上皮细胞在涂有胶原蛋白的PDMS膜上7天内即可附着、增殖并形成连贯的单层细胞，而在PET膜上则需要10天。长期培养实验（在我们的实验条件下最长可达18天）显示了不同的行为：在较大孔径（10–100微米）的膜上培养的细胞在约13天后开始脱落，这可能是由于不可渗透的基底侧积累了自分泌抑制剂；相比之下，在较小孔径（约2微米）的PDMS膜上的细胞仍然存活，尽管有些细胞会穿过膜进入下层腔室，这表明孔径分布需要与细胞直径相匹配。所提出的方法省去了通常与PDMS微制造相关的光刻和等离子键合步骤，仅需使用台式旋涂和溶剂浇铸设备即可在48小时内完成制备。由于所得膜具备以下特性：(i) 适合气动驱动的蠕动变形的柔韧性；(ii) 分子渗透性与传统PET插片相似；(iii) 具有实时显微镜观察所需的光学透明度，因此它为构建更真实地模拟肠道上皮生物化学和机械微环境的“芯片上的肠道”系统提供了多功能的基础。除了用于研究微生物组与上皮细胞的相互作用外，该平台还可轻松应用于屏障功能测试、药物传输筛选以及涉及机械活性黏膜组织的宿主-病原体研究。

我们报告了一种简单且无需洁净室的策略，用于制备超薄（约5微米）且高度柔性的聚二甲基硅氧烷（PDMS）多孔膜。该膜是通过二维相分离过程制备的，在此过程中，具有特定分子量（MW=1300–170,000）的聚苯乙烯（PS）在PDMS/甲苯基质中充当牺牲层。通过系统地改变相分离时间（3–24小时）、PS分子量以及PS:PDMS:甲苯的混合比例，我们发现当PS分子量为5780且混合比例为1:7.5:7.5时，可以生成直径为10–100微米的孔；而分子量为1300的PS则生成直径小于2微米的孔，但需要进一步优化以确保孔的连续性。扫描电子显微镜图像证实了孔的均匀分布，并且在通过甲苯提取去除PS并经过热固化处理后，膜表面几乎没有塌陷。荧光素渗透性实验表明，使用分子量为5780或1300的PS制备的膜在12小时内的溶质传输速率与1.0微米深度蚀刻的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）插片相当，这表明尽管膜的整体厚度减少了一个数量级，但孔的形成仍然成功。重要的是，Caco-2结肠上皮细胞在涂有胶原蛋白的PDMS膜上7天内即可附着、增殖并形成连贯的单层细胞，而在PET膜上则需要10天。长期培养实验（在我们的实验条件下最长可达18天）显示了不同的行为：在较大孔径（10–100微米）的膜上培养的细胞在约13天后开始脱落，这可能是由于不可渗透的基底侧积累了自分泌抑制剂；相比之下，在较小孔径（约2微米）的PDMS膜上的细胞仍然存活，尽管有些细胞会穿过膜进入下层腔室，这表明孔径分布需要与细胞直径相匹配。所提出的方法省去了通常与PDMS微制造相关的光刻和等离子键合步骤，仅需使用台式旋涂和溶剂浇铸设备即可在48小时内完成制备。由于所得膜具备以下特性：(i) 适合气动驱动的蠕动变形的柔韧性；(ii) 分子渗透性与传统PET插片相似；(iii) 具有实时显微镜观察所需的光学透明度，因此它为构建更真实地模拟肠道上皮生物化学和机械微环境的“芯片上的肠道”系统提供了多功能的基础。除了用于研究微生物组与上皮细胞的相互作用外，该平台还可轻松应用于屏障功能测试、药物传输筛选以及涉及机械活性黏膜组织的宿主-病原体研究。