《Micro and Nano Engineering》：Toolbox for fabricating biocompatible microstructured templates by molding soft materials
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本文介绍了一种制造生物相容性微结构模板的综合工具箱，旨在解决传统2D细胞培养在模拟体内复杂环境方面的局限性。研究人员通过比较3D打印、负性光刻胶SU8-on?silicon和正性光刻胶结合干法刻蚀三种母版制作技术，系统评估了其在PDMS、琼脂糖、胶原蛋白和Matrigel等软材料中的复制效果。研究结果表明，经表面修饰的PDMS在数日孵育测试中表现出最优性能，为器官芯片和微流体系统中更生理相关的3D细胞培养平台开发提供了实用指南。
在临床前药物研发中，体外细胞培养是评估疗法的黄金标准，但传统的二维培养模型往往无法模拟体内复杂的结构和生化环境，限制了其生理相关性。相比之下，类器官和器官芯片平台通过整合空间异质性、三维基质相互作用以及受控的时变流体流动，提供了增强的生物学特性。然而，微结构三维器官芯片系统的开发面临一个主要瓶颈：制造技术。标准的微纳加工材料如硅、二氧化硅或氮化硅本身不具有生物相容性，而聚碳酸酯和聚甲基丙烯酸甲酯等常用聚合物则受限于其低热稳定性。广泛使用的聚二甲基硅氧烷虽然光学透明且刚度可调，但需要表面修饰才能支持细胞粘附和存活。
为了应对这些挑战，一项发表在《Micro and Nano Engineering》上的研究提出了一个用于制造生物相容性微结构模板的综合性工具箱。该研究旨在为资源丰富和基础设施有限的实验室提供实用的解决方案，弥合以制造为重点和以生物为重点的研究群体之间的差距。
研究人员系统地评估了三种常用的母版制作路线：快速3D打印、使用负性光刻胶在硅片上光刻、以及使用正性光刻胶结合干法刻蚀。研究比较了这些方法在灭菌以及在半柔性或生物源性材料中复制腔室微结构的适用性，这些材料包括PDMS、琼脂糖、胶原蛋白和Matrigel。由于处理此类软材料具有挑战性，研究还展示了一种夹具支架，允许用这些生物材料制造功能性流体芯片。
在技术方法层面，研究核心涉及母版制作、软材料固化及器件测试。母版通过三种前述技术制备。软材料固化针对胶原蛋白、Matrigel、琼脂糖及其混合物，分别优化了温度、pH值、浓度等条件。研究使用夹具支架或独立的PDMS器件进行流动和细胞孵育概念验证测试，评估了液体封闭性、细胞流动行为以及细胞存活情况。
研究结果部分通过多个维度展示了详细的发现。
在母版制作方面，3D打印母版具有高灵活性、短制造时间（约5小时）的优点，但通道表面和底部的全局粗糙度较高。SU8-on?silicon母版（使用负性光刻胶）产生的结构具有最低的全局粗糙度，但工艺耗时（约2天）且需要洁净间环境。全硅母版（使用正性光刻胶和反应离子刻蚀）可实现纳米级的图案转移，通道底部粗糙度适中，表面粗糙度低。
在灭菌方面，研究测试了异丙醇浸泡、异丙醇结合O2等离子体清洗以及低温烘烤三种方法。结果表明，异丙醇结合O2等离子体清洗能有效灭菌，且在抗生素free的细胞培养基中未检测到污染物生长。
在软材料固化方面，胶原蛋白在浓度为6 mg/mL、37°C孵育60分钟条件下固化效果最佳。Matrigel在测试条件下未成功固化。琼脂糖在所有测试条件下均能固化，操作简单。琼脂糖与Matrigel的1:1混合物采用两步固化法（先5°C固化琼脂糖，再37°C固化Matrigel）取得了成功。
流动测试评估了两种配置：可重复使用的基于夹具的器件和独立的PDMS器件。在琼脂糖基微通道中成功实现了染色水和悬浮WaGa细胞的流动。然而，胶原蛋白和Matrigel-琼脂糖混合物器件未观察到流动，可能与固化过程中通道收缩或堵塞有关。在胶原蛋白涂覆的PDMS微通道中，人脐静脉内皮细胞和CaCo-2细胞成功实现流动，并在5天孵育后观察到存活细胞附着在通道壁上。细胞活性分析表明，在封闭的胶原涂层PDMS通道中培养的细胞，其存活率与在开放的胶原涂层PDMS基底上培养的细胞相当或更优。
研究的结论部分强调，这项工作提供了一个比较性的制造工具箱，支持开发用于3D培养系统芯片的生物相容性微结构模板。它系统评估了三种母版制作方法和多种软材料的复制、固化和细胞相容性。研究发现，表面涂层PDMS在流动稳定性和细胞相容性之间提供了良好的平衡，是器官芯片应用的可靠选择。而基于水凝胶的器件，虽然制造更复杂，但能提供更高的体内相关性。该工具箱为不同资源条件的实验室开发微结构平台提供了实用的起点，有助于推动更生理相关的体外模型的发展。研究还指出了各种材料和方法的优缺点，例如3D打印适合快速原型制作但表面粗糙，而光刻技术能产生高精度结构但需要专业设备。这些发现为研究人员根据具体需求选择合适的技术路径提供了重要参考。
