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

閱讀：339 發(fā)布時(shí)間：2026-3-18

人體中大部分細(xì)胞存在于復(fù)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(duì)它們進(jìn)行研究。這些二維培養(yǎng)會(huì)扭曲細(xì)胞行為，限制了它們?cè)陬A(yù)測真實(shí)組織中生物反應(yīng)方面的能力。微流控技術(shù)改進(jìn)了對(duì)細(xì)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(dòng)、外部泵和復(fù)雜的制造流程。數(shù)字微流控技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)精確的液滴級(jí)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(xì)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(tái)，以將精確控制與生理相關(guān)的3D細(xì)胞培養(yǎng)相結(jié)合。

近期，澳門大學(xué)賈艷偉副教授團(tuán)隊(duì)在《Microsystems & Nanoengineering》上以“Integrated 3D microstructured digital microfluidic platform for advanced 3D cell culture"為題發(fā)表了一項(xiàng)新研究成果，介紹了一種專為3D細(xì)胞培養(yǎng)設(shè)計(jì)的集成數(shù)字微流控平臺(tái)。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(dòng)、高效的細(xì)胞捕獲以及3D細(xì)胞球體的快速形成。實(shí)驗(yàn)表明，該平臺(tái)可以穩(wěn)定運(yùn)行，且細(xì)胞存活率在72小時(shí)內(nèi)保持較高水平，體現(xiàn)了該平臺(tái)在生物學(xué)研究中的實(shí)用性。

面向3D細(xì)胞培養(yǎng)的3D打印數(shù)字微流控系統(tǒng)

該平臺(tái)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(gè)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(shí)能夠精確控制3D細(xì)胞微環(huán)境。

3D打印數(shù)字微流控芯片的制造

研究團(tuán)隊(duì)對(duì)控制液滴驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)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(jìn)行液滴傳輸、分裂和合并。重要的是，細(xì)胞懸液能夠高精度地導(dǎo)入微孔。

一旦被限制在3D微觀結(jié)構(gòu)中，細(xì)胞會(huì)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(qiáng)的細(xì)胞間相互作用和更類似組織的結(jié)構(gòu)。活力和增殖實(shí)驗(yàn)證實(shí)，細(xì)胞在24、48和72小時(shí)內(nèi)均保持健康狀態(tài)。成像分析進(jìn)一步揭示了密集的多細(xì)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(tái)的生物學(xué)相關(guān)性。

2D和3D結(jié)構(gòu)中的細(xì)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(xì)胞培養(yǎng)領(lǐng)域長期存在的瓶頸問題。他們強(qiáng)調(diào)，該平臺(tái)將精確的液滴控制與具有生物學(xué)相關(guān)性的3D環(huán)境相結(jié)合，同時(shí)避免了復(fù)雜的制造流程。研究團(tuán)隊(duì)表示，這種簡易性與功能性之間的平衡有助于推動(dòng)3D細(xì)胞培養(yǎng)工具的更廣泛應(yīng)用，尤其是那些缺乏專門微制造設(shè)施的實(shí)驗(yàn)室。

新平臺(tái)對(duì)那些需要逼真細(xì)胞模型的領(lǐng)域具有直接影響。在藥物篩選中，3D細(xì)胞球體通常比平面培養(yǎng)能更準(zhǔn)確地預(yù)測藥物療效和毒性。通過實(shí)現(xiàn)多細(xì)胞結(jié)構(gòu)的可控形成，該芯片還有望為癌癥生物學(xué)、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(jì)劃進(jìn)一步降低工作電壓，并整合傳感和多細(xì)胞共培養(yǎng)能力。這些進(jìn)展有望實(shí)現(xiàn)更長期的培養(yǎng)和更復(fù)雜的組織模型，縮小實(shí)驗(yàn)室與活體系統(tǒng)之間的差距。

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

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