CN106834221A - 一种基于3d打印物体表面凹凸不平特性制备模拟人体管状结构曲面微图形芯片的新方法 - Google Patents

一种基于3d打印物体表面凹凸不平特性制备模拟人体管状结构曲面微图形芯片的新方法 Download PDF

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Abstract

模拟体内真实微图形的3D细胞培养体系在生理、病理和药物研究过程中均有重要应用。人体气道、血管和腺管等结构具有特殊的曲面结构，这种曲面微环境影响细胞的排布、功能和药物响应。本发明的目的是提供一种制备模拟体内管状结构二维曲面微图形芯片的新方法，包括以下步骤：采用桌面级挤出成型3D打印机将聚乳酸塑料打印一个竖立平板，通过控制打印精度调节平板表面突起微图形曲率；在平板表面制备聚二甲基硅氧烷(PDMS)凝胶，从而获得具有不同二维曲面的凹面微图形芯片；在上述PDMS胶表面再次制备一层PDMS凝胶，从而获得具有不同二维曲面的凸面微图形芯片；在曲面微图形芯片上接种平滑肌细胞和上皮细胞。结果显示，在凸面微图形芯片表面，平滑肌细胞和上皮细胞呈现与体内类似的排布和功能。该方法为后期制备更为复杂的管状结构器官芯片奠定基础。

Description

一种基于3D打印物体表面凹凸不平特性制备模拟人体管状结 构曲面微图形芯片的新方法
技术领域
本发明属于生物技术领域的细胞培养体系建立领域，特别涉及一种模拟人体内部管状结构曲面微图形芯片领域。
背景技术
在生理、病理和药物筛选等研究过程中，动物乃至人体实验是十分关键的步骤，但动物实验价格昂贵、耗时间，并且需要以牺牲动物为代价，尤为重要的是，很多动物实验的结果不能在人体得到验证。而人体实验条件苛刻，只有在特殊条件下才能开展。因此，在体外模拟体内独特的微环境，从而开展相关实验研究具有重要意义，尤其是为药物开发提供很好的平台。
人体内具有大量的管状结构，如气道、血管和各种腺管等。直径在微米级别的小气道和小血管是典型的具有不同曲率的管状结构，上皮细胞和平滑肌细胞生长在上述不同曲率的基质表面上，这种独特的曲率微环境可能会显著调控气道和血管壁内上皮细胞和平滑肌细胞的结构和功能。
平滑肌细胞在气道和血管壁上呈现独特的规律排布(如气道平滑肌细胞在气道内的分布表现为和气道轴向呈现一定的角度)，这些排布方式可能与其生长在一定曲率的3D基质表面具有一定的关系。而且平滑肌细胞的收缩和舒张在调控气道阻力以及血压方面均具有重要意义。目前对平滑肌细胞的生理、病理和药物筛选研究主要在体外二维平面的细胞培养容器中开展。但在体内，平滑肌多是生长在具有一定曲率的3D基质壁上。细胞在3D层面和2D层面的细胞特性及其功能可能会显著不同。因此，开发具有一定曲率的3D细胞培养体系对气道和血管细胞功能研究乃至药物开发均具有重要意义。
目前在体外构建直径在微米级别的小气道和小血管的大曲率3D生长环境的方法主要包括光刻法和静电纺丝等方法，但这些方法均需要昂贵的大型设备。如何采用常见设备构建出人体小气道的和血管等管状结构的大曲率3D生长环境成为在体外模拟体内管状结构3D微环境的关键技术问题。
本发明利用常规拉丝型3D打印机在的拉丝过程中形成不同曲率的丝状结构导致打印物体表面形成的条状微突起的特性制备不同曲率的模板，并采用PDMS胶制备具有不同硬度和不同曲率的曲面微图形芯片。
发明内容
本发明的目的是提供一种制备模拟人体内部管状结构二维曲面微图形芯片的新方法，为在体外研究气道、血管和腺管等结构的生理、病理和药物开发研究提供良好的平台，并为复杂的气道树微图形芯片乃至肺芯片建立奠定基础。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
1)采用桌面级挤出成型3D打印机将聚乳酸塑料打印出一个竖立平板，通过控制打印精度调解表面曲率；在平板表面制备聚二甲基硅氧烷(PDMS)凝胶，从而获得具有不同二维曲面的凹面微图形芯片；
2)随后在PDMS胶表面再次制备一层PDMS凝胶，从而获得具有不同二维曲面的凸面微图形芯片；
3)在曲面微图形芯片上接种气道平滑肌细胞和气道上皮细胞；
4)在凸面微图形芯片表面，气道平滑肌细胞和上皮细胞呈现与体内类似的排布和功能。
本发明的有益效果是采用简单的常见挤出成型桌面3D打印机在打印物件的表面形成不均一性表面的特性制备可以模拟体内管状结构曲面微图形芯片，随后接种上皮细胞和气道平滑肌细胞，发现在凸面微图形芯片的表面细胞排布、功能具有和体内类似的特性，提示此曲面微图形芯片可以用于模拟体内管状结构细胞3D培养体系。
附图说明
图1为含有曲面微图形芯片
图2为气道平滑肌细胞在凸面3D微图形芯片表现出体内相似的排布
具体实施方式
(1)采用桌面挤出成型3D打印机(Maker Bot Replicator 2)利用聚乳酸(PolyPlus TM PLA,Polymaker公司)制备直径为2cm×2cm×1cm的平板(采用0.1mm、0.2mm和0.3mm不同的打印精度)。
(2)采用PDMS和正硅酸四乙酯按照10：1比例混合后图布在平板表面。
(3)60℃条件下静置1h后取下成型PDMS凝胶，得到曲率分别为1/100、1/200和1/300的凹面微图形芯片。
(4)采用PDMS和正硅酸四乙酯按照10：1比例混合后图布在PDMS凝胶平板表面，得到曲率分别为1/100、1/200和1/300的凸面微图形芯片。
(5)在两种曲面表面接种人体来源气道平滑肌细胞和平滑肌细胞，结果显示细胞排布和收缩功能与体内具有一致性。

Claims (5)

1.本发明提供一种利用3D打印物体表面凹凸不平特性制备模拟体内管状结构二维曲面微图形芯片的新方法。
2.权利要求1所述微芯片的模板采用桌面级挤出成型3D打印机完成，所用材料为可挤出成型材料，如聚乳酸等。
3.权利要求1所述的曲面曲率通过控制打印精度调控，实现曲率为1/50μm～1/500μm的不同凸面和凹面。
4.权利要求1所述的模拟人体内部管状结构的曲面微图形的材料是聚二甲基硅氧烷(PDMS)凝胶。
5.权利要求1所述的模拟人体内部管状结构的曲面微图形的材料的刚度可以通过调节聚二甲基硅氧烷(PDMS)和交联剂的比例来调控，范围可以实现100MPa～1000MPa。
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