仿生芯片上組織模型是研究人體生理學和開發(fā)治療學的有力工具。然而，由于目前業(yè)界無法在小尺度上開發(fā)高度有序的功能結構，因此它們的建模能力受到了阻礙。近期，美國波士頓大學的一個研究團隊展示了高精度制造如何能夠實現(xiàn)器官級心臟機械功能的縮小建模。他們使用雙光子直接激光寫入(TPDLW)技術，制造了具有微調(diào)機械性能的納米級分辨率材料支架，以支持小型化、誘導多能干細胞衍生的心室形成和循環(huán)收縮。

　　近年來，在將干細胞分化成多種譜系以及在多細胞類器官中激發(fā)干細胞分化成多種譜系方面，業(yè)界取得了驚人的進展。但由于缺乏在微米尺度上生成高階結構和解剖特征的方法，因此很難在體外模擬器官水平的功能。例如，雖然心肌、骨骼肌和平滑肌細胞來源于誘導多能干細胞（iPSC），但試圖組織這些細胞，并重現(xiàn)產(chǎn)生不同生物力學功能的嘗試卻很少。

　　構建更復雜結構的能力部分，受到與組織工程相關的制造方法適應性的阻礙。對此，研究團隊探索了使用雙光子直接激光寫入（TPDLW），一種高分辨率的制造方法，來構建需要特定結構和功能的生物系統(tǒng)。作為一項挑戰(zhàn)，該團隊設計了一種由人類iPSC衍生心肌細胞（hiPSC-CM）驅動的微流控心臟室，目的是在芯片上復制心室功能。

　　雖然目前最先進的心臟組織模型非常適合測量心肌細胞產(chǎn)生的收縮力，但利用工程心臟組織對心臟泵功能進行建模一直是一個挑戰(zhàn)。在這里，波士頓大學的團隊利用TPDLW的高精度來實現(xiàn)支持體外心室各向異性收縮的微型超材料支架，以及具有足夠靈敏度以響應心腔流量的功能性微型瓣膜。微流控裝置中腔室和閥門的集成再現(xiàn)了人類心室的單向容積輸出，并顯示出完整的心室壓力-容積（PV）回路。

　　團隊制造的心臟微型化精密單向微流控泵（Miniphup）系統(tǒng)開創(chuàng)了一個先例，為利用高精度制造復雜組織結構提供了通用方法。據(jù)國外《科學進步》雜志報道，這一突破展示了一種以前未經(jīng)探索的高精度制造應用，可以推廣到擴展器官芯片模型的可訪問范圍。該研究小組認為，其微型泵（心臟微型化精密單向微流控泵）現(xiàn)在可以為構建從肺到腎的其他器官的實驗室版本鋪平道路。

　　“我們可以以前所未有的方式研究疾病進展，”波士頓大學工程學院的Alice White說，“我們選擇研究心臟組織是因為它的結構復雜，但是當你采用納米技術并將其與組織工程相結合時，就有可能將其復制到多個器官中。”

　　該項目采用了商業(yè)光刻膠材料和Nanoscribe的TPDLW 3D打印平臺進行研究，通過在圓柱面上繪制預定的單元圖案來構建支架結構。整個3CM2支架的打印過程耗時1.5小時。然后在類似的操作中，定制的組件作為小型管道和微型丙烯酸閥門，打開和關閉以控制水流。使用干細胞技術制造的肌肉細胞提供了設備的泵送功能。

　　“微型化的進展正在重新定義許多領域的邊界，但尚未在組織工程中充分體現(xiàn)出來，盡管這種微型化有望用于器官芯片應用，”該項目在其發(fā)表的論文中評論道，“使用微尺度精密設計的結構來指導組織形成和機械功能展示了一種方法，能夠復制機械復雜的生理行為。”

　　在試驗中，全套支持TPDLW的微型泵系統(tǒng)成功實現(xiàn)了心室容積功能的主要原理，并展示了與心動周期相關的完整壓力-容積環(huán)路的關鍵特征。該設備最終可能有助于加快心臟治療藥物的開發(fā)過程，研究人員從一開始就使用微型泵來更好地預測成功或失敗。

　　研究組成員Christopher Chen表示，該團隊認為以前研究心臟組織的方法無法捕捉到肌肉在體內(nèi)的反應方式，這讓我們第一次有機會制造出更接近于心臟實際情況的東西。這是向前邁出的一大步。

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