Small:基于微流体操控的生物材料和生物结构制造

微流控技术是一种可以对流体进行操控的技术,具有微尺度分辨率,在颗粒和细胞操纵、生化分析、疾病诊断和药物发现等领域有着广泛应用。微流控技术同时还是一种具有微尺度分辨率的生物制造技术,可用于不同维度生物结构的制备及其微环境构建。所制造的生物材料和结构在构建器官模型和功能性组织替代物方面有着重要的应用价值。

清华大学化学系梁琼麟教授团队和广东工业大学梁晓萍副教授从流体力学的原理出发,综述了生物材料和生物结构制造中所运用到的流体操控技术,探讨了流体操控技术在生物材料和生物结构制造及其微环境构建方面的应用并对这一领域所面临的挑战和前景进行了探讨。

图1. 微流体操控技术在生物材料和生物结构制造及其微环境调控方面的应用

生物制造技术所制造出的具有各种形状和生物力学特征的类组织结构在生理模型的构建、病理模型的构建、组织工程、再生医学等领域发挥了重要作用。生物制造是一种融合了多学科原理和技术的领域,微流控技术在其中发挥了很大的作用。微流控技术被广泛的应用于制造具有不同结构和形貌的生物材料,一些特殊的流体现象还被应用于制造具有特定形貌的生物材料。

水凝胶是生物制造常用的材料,大多数水凝胶材料在生物制造过程中和交联前都是液态的非牛顿流体。非牛顿流体往往具有粘性、弹性、屈服应力、剪切稀化或增稠等特性。在生物制造过程中需要考虑对流体进行操控时这些流体特性所带来的正面或负面影响。明确材料的流体性能是生物制造的基础,文中对这些非牛顿流体的特性及其在生物制造过程中所发挥的作用或影响进行了讨论。

利用流体操控技术可以制造从零维到三维的生物材料和生物结构。比如,零维的液滴、微凝胶、磷脂囊泡;一维的血管、磷脂微管;二微的皮肤、器官的组织与组织界面、心脏瓣膜、心肌补片、气管补片、血脑屏障;三维的仿生螺旋血管、肾小球模型、3D打印的复杂生物结构。不同的流体操控技术在这些生物结构的制造中发挥了重要作用,文中从流体力学原理的角度对其中运用到的流体操控技术进行了探讨。

微流控技术不仅在生物材料和结构的制造中有着重要应用,还可调控其所处的微环境,包括调控微环境中的物理因素,化学因素,生物因素甚至同时调控多因素。这些用于调控微环境的流体技术可用于探究微环境对于生物结构实现相应生理功能的作用,也可用于探究微环境与生理过程和病理过程的关系。

基于微流体操控技术在生物制造领域的重要作用,文中首先介绍了生物制造中常用的非牛顿流体所具备的流体特性,综述了微流体操控技术在不同维度的不同生物结构制造中的应用,接着对用于生物材料和结构所处微环境进行调控的微流体操控技术进行了探讨。最后,基于现有的微流体操控技术,讨论了其在生物制造领域所面临的挑战,展望了其发展前景与方向。

清华大学梁琼麟教授和广东工业大学梁晓萍副教授为论文通讯作者,清华大学博士生郑文琛为论文第一作者。

梁琼麟,清华大学长聘教授、教育部长江学者特聘教授。研究方向为生命分析化学,聚焦于类器官与器官芯片、单细胞亚细胞分析及多组学分析等。曾主持完成国家重大科技专项第一个微流控芯片药物研发关键技术项目,在器官芯片核心关键技术及血管、肝、肾、肠等器官芯片模型研究方面取得重要进展。已获发明专利近20项,在国际重要学术期刊上发表论文200余篇,部分研究成果已在制药企业、临床医院得到广泛应用,曾合作获得国家科技进步二等奖3项。

论文信息:

Fabrication of Biomaterials and Biostructures Based On Microfluidic Manipulation

Wenchen Zheng, Ruoxiao Xie, Xiaoping Liang*, Qionglin Liang*

Small

DOI: 10.1002/smll.202105867

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202105867