编辑推荐：
为解决传统器官芯片（OoC）制造技术复杂、成本高且细胞培养兼容性差的问题，的研究人员开展了一项基于3D打印柔性微流控设备（3D-FlexTPU-MFD）的研究。该研究通过熔融沉积建模（FDM）技术，使用热塑性聚氨酯（TPU）和聚氯乙烯（PVC）成功开发出一种低成本、高生物相容性的微流控芯片。实验结果表明，该设备能够有效支持细胞生长、分化和排列，为组织建模和OoC应用提供了新的解决方案，有望推动药物筛选和疾病模型研究的进展。
在当今的医学研究领域，药物发现和疾病模型构建正面临着一场技术革新。传统的动物模型和经典的体外细胞培养系统虽然在过去取得了许多成就，但它们在模拟人类复杂的生理环境方面存在明显的局限性。例如，许多在动物实验中表现良好的药物在人体临床试验中却常常失败，这使得科学家们迫切需要一种更精准、更高效的替代方案。在这种背景下，器官芯片（Organ-on-chip, OoC）技术应运而生，它通过将活细胞整合到三维动态的微流控设备中，模拟人体器官的微结构和功能，为药物筛选和疾病研究提供了一个全新的平台。
然而，现有的OoC制造技术大多依赖于光刻和PDMS（聚二甲基硅氧烷）浇铸等微纳加工技术，这些方法不仅步骤繁琐，而且需要昂贵的材料和设备，限制了其广泛应用。近年来，3D打印技术的兴起为微流控设备的制造带来了新的希望。尤其是立体光刻（SLA）和数字光处理（DLP）打印机，虽然能够快速制造微流控设备，但在清洗过程中使用的有机溶剂以及某些光敏树脂的细胞毒性，使得这些设备在培养脆弱细胞（如人类原代细胞和诱导多能干细胞iPSC衍生细胞）时并不理想。
为了克服这些挑战，中国研究人员在《期刊原文名称》上发表了一篇题为《论文原文标题》的论文，提出了一种基于熔融沉积建模（FDM）的3D打印技术，使用热塑性聚氨酯（TPU）作为打印材料，聚氯乙烯（PVC）作为粘接基底，成功制造出一种新型的柔性微流控设备（3D-FlexTPU-MFD）。这一创新不仅简化了制造过程，还显著降低了成本，同时提高了设备的生物相容性和细胞培养性能。该研究的结论表明，3D-FlexTPU-MFD在支持细胞生长、分化和排列方面表现出色，为未来的组织建模和OoC应用提供了一个极具潜力的平台。
为了实现这一突破，研究人员采用了以下关键技术方法：首先，利用FDM 3D打印技术，将TPU材料直接沉积在PVC基底上，形成微流控通道和培养室；其次，通过设计不同的微流控通道几何形状，评估打印精度和结构完整性；最后，利用荧光成像和扫描电子显微镜（SEM）等技术对设备的性能和细胞培养效果进行评估。
研究背景与问题
在药物发现和疾病模型构建领域，传统的动物模型和体外细胞培养系统存在诸多局限性，难以精确模拟人类复杂的生理环境。这导致许多在动物实验中表现良好的药物在人体临床试验中失败。因此，开发能够更准确模拟人体器官功能的替代模型成为迫切需求。器官芯片（OoC）技术作为一种新兴的替代方案，通过将活细胞整合到三维动态的微流控设备中，模拟人体器官的微结构和功能，为药物筛选和疾病研究提供了新的思路。然而，现有的OoC制造技术大多依赖于光刻和PDMS浇铸等微纳加工技术，这些方法不仅步骤繁琐，而且需要昂贵的材料和设备，限制了其广泛应用。此外，一些3D打印技术虽然能够快速制造微流控设备，但在清洗过程中使用的有机溶剂以及某些光敏树脂的细胞毒性，使得这些设备在培养脆弱细胞时并不理想。
研究方法与技术
为了克服现有技术的局限性，研究人员采用了一种基于熔融沉积建模（FDM）的3D打印技术，使用热塑性聚氨酯（TPU）作为打印材料，聚氯乙烯（PVC）作为粘接基底，成功制造出一种新型的柔性微流控设备（3D-FlexTPU-MFD）。TPU因其弹性、光学透明性和适宜的疏水性而被选为打印材料，而PVC则因其疏水性能够与TPU形成良好的粘接。研究人员通过设计不同的微流控通道几何形状，评估打印精度和结构完整性，并利用荧光成像和扫描电子显微镜（SEM）等技术对设备的性能和细胞培养效果进行评估。
研究结果
3D-FlexTPU-MFD的制造与表征
研究人员利用FDM 3D打印技术，将TPU材料直接沉积在PVC基底上，形成微流控通道和培养室。实验结果表明，打印的微流控通道具有良好的结构完整性和打印精度。通过荧光成像和SEM分析，研究人员确认了设备的通道结构清晰、边界一致，并且能够承受一定的机械拉力。此外，研究人员还设计了不同宽度的微流控通道，发现宽度为1毫米和2毫米的通道具有更高的打印精度和结构重现性。
骨骼肌细胞的分化与成熟
研究人员将人类原代骨骼肌细胞（myoblasts）培养在3D-FlexTPU-MFD中，观察其分化和成熟过程。实验结果显示，肌细胞在3D-FlexTPU-MFD中表现出较高的活性和分化能力，形成了整齐排列的肌管（myotubes），并且在培养的第6天和第9天，肌管的融合指数显著高于传统96孔板培养的细胞。此外，通过F-actin染色和角度分析，研究人员发现3D-FlexTPU-MFD中的肌管排列更加整齐，显示出更好的细胞排列性能。
诱导多能干细胞衍生的视泡类器官的培养
研究人员进一步测试了3D-FlexTPU-MFD对人类诱导多能干细胞（iPSC）衍生的视泡（optic vesicle, OV）类器官的培养效果。实验结果显示，类器官在3D-FlexTPU-MFD中表现出良好的活性和神经分化能力，神经突起（neurite）的长度显著增加，且在培养的第4天和第6天，类器官中眼发育标志物PAX6的表达水平高于传统96孔板培养的类器官。这些结果表明，3D-FlexTPU-MFD能够支持iPSC衍生类器官的生长和功能维持。
结论与讨论
研究人员开发的3D-FlexTPU-MFD通过FDM 3D打印技术制造，具有成本低、制造简单、生物相容性好等优点。该设备不仅支持人类原代肌细胞的生长和分化，还能够促进iPSC衍生类器官的神经分化和功能维持。这一创新为未来的组织建模和器官芯片应用提供了一个极具潜力的平台。尽管该研究在静态条件下取得了良好的结果，但研究人员指出，未来的工作可以探索引入流动灌注系统，以进一步改善营养物质的分布并更接近生理环境。此外，该设备在药物筛选和疾病建模方面的应用前景也值得期待。总之，3D-FlexTPU-MFD的开发为器官芯片技术的发展开辟了新的道路，有望推动医学研究和药物开发的进步。
