澳門大學開發(fā)集成3D結(jié)構(gòu)的數(shù)字微流控平臺，用于3D細胞培養(yǎng)

閱讀：247 發(fā)布時間：2026-3-18

人體中大部分細胞存在于復雜的三維（3D）環(huán)境中，但截至目前，人們通常仍在扁平的塑料培養(yǎng)皿中對它們進行研究。這些二維培養(yǎng)會扭曲細胞行為，限制了它們在預測真實組織中生物反應方面的能力。微流控技術(shù)改進了對細胞培養(yǎng)條件的控制，不過，很多微流控系統(tǒng)需要依賴連續(xù)的流體流動、外部泵和復雜的制造流程。數(shù)字微流控技術(shù)可以實現(xiàn)精確的液滴級操控，但由于缺乏芯片上的微結(jié)構(gòu)，難以支持真正的3D細胞生長。因此，基于這些挑戰(zhàn)，顯然需要更簡單、集成化的平臺，以將精確控制與生理相關(guān)的3D細胞培養(yǎng)相結(jié)合。

近期，澳門大學賈艷偉副教授團隊在《Microsystems & Nanoengineering》上以“Integrated 3D microstructured digital microfluidic platform for advanced 3D cell culture"為題發(fā)表了一項新研究成果，介紹了一種專為3D細胞培養(yǎng)設(shè)計的集成數(shù)字微流控平臺。研究人員采用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)，將3D微結(jié)構(gòu)直接制造在微流控電極上。由此制成的芯片能夠?qū)崿F(xiàn)液滴的可控移動、高效的細胞捕獲以及3D細胞球體的快速形成。實驗表明，該平臺可以穩(wěn)定運行，且細胞存活率在72小時內(nèi)保持較高水平，體現(xiàn)了該平臺在生物學研究中的實用性。

面向3D細胞培養(yǎng)的3D打印數(shù)字微流控系統(tǒng)

該平臺的核心是一種制造策略，它將數(shù)字微流控技術(shù)和3D微結(jié)構(gòu)整合到單個器件中。研究人員沒有采用多步驟光刻和潔凈室制造工藝，而是使用摩方精密nanoArch^® S130（精度：2μm）3D打印設(shè)備，一步完成介電層、限制圍欄和微孔陣列的打印。這種方法極大地簡化了芯片生產(chǎn)，同時能夠精確控制3D細胞微環(huán)境。

3D打印數(shù)字微流控芯片的制造

研究團隊對控制液滴驅(qū)動的關(guān)鍵參數(shù)進行了優(yōu)化，包括電壓、電極幾何形狀和微結(jié)構(gòu)高度。該芯片能可靠地支持基本的數(shù)字微流控操作，如在平面和3D表面上進行液滴傳輸、分裂和合并。重要的是，細胞懸液能夠高精度地導入微孔。

一旦被限制在3D微觀結(jié)構(gòu)中，細胞會迅速自組裝成致密的球體。與傳統(tǒng)的2D培養(yǎng)相比，這些球體顯示出更強的細胞間相互作用和更類似組織的結(jié)構(gòu)?；盍驮鲋硨嶒炞C實，細胞在24、48和72小時內(nèi)均保持健康狀態(tài)。成像分析進一步揭示了密集的多細胞結(jié)構(gòu)，其與體內(nèi)組織結(jié)構(gòu)極為相似，這凸顯了該平臺的生物學相關(guān)性。

2D和3D結(jié)構(gòu)中的細胞培養(yǎng)

研究人員指出，將3D微結(jié)構(gòu)直接集成到數(shù)字微流控芯片中，解決了微流控細胞培養(yǎng)領(lǐng)域長期存在的瓶頸問題。他們強調(diào)，該平臺將精確的液滴控制與具有生物學相關(guān)性的3D環(huán)境相結(jié)合，同時避免了復雜的制造流程。研究團隊表示，這種簡易性與功能性之間的平衡有助于推動3D細胞培養(yǎng)工具的更廣泛應用，尤其是那些缺乏專門微制造設(shè)施的實驗室。

新平臺對那些需要逼真細胞模型的領(lǐng)域具有直接影響。在藥物篩選中，3D細胞球體通常比平面培養(yǎng)能更準確地預測藥物療效和毒性。通過實現(xiàn)多細胞結(jié)構(gòu)的可控形成，該芯片還有望為癌癥生物學、組織工程和器官芯片開發(fā)領(lǐng)域的研究提供支持。展望未來，研究人員計劃進一步降低工作電壓，并整合傳感和多細胞共培養(yǎng)能力。這些進展有望實現(xiàn)更長期的培養(yǎng)和更復雜的組織模型，縮小實驗室與活體系統(tǒng)之間的差距。

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