器官芯片|美国哈佛大学采用3D打印技术实现首个带有集成传感器的心脏芯片

美国哈佛大学研究人员研制出首个完全由3D打印的带有集成感知的器官芯片。该芯片由完全自动、数字制造流程的3D打印技术制造，能够实现快速和定制制造，可使研究人员容易地为短期和长期研究收集可靠数据。研究成果已发表在《自然材料》上。

背景

器官芯片也被称为微生理学系统，能够匹配特定疾病特性，甚至病人的一个单独细胞，能够模拟原始组织的结构和功能，在替代传统动物测试方面具有巨大前景。哈佛大学已研发出能够模拟肺、心、舌头、肠微结构的微生理学系统。但对于器官芯片而言，制造和数据收集非常昂贵和耗费人力，如需在净化间内使用复杂、多步光刻工艺进行制造，需使用显微镜或高速摄像机来收集数据。

技术核心

此次进展中，研究团队通过使用数字制造来同时解决这两个挑战：使用3D打印，以及为多材料3D打印研发新的打印墨水，使制造过程能够自动化，同时增加器件的复杂性。

研究人员研发出6种不同的墨水，能够将软应力传感器集成进组织的微架构中。在单个连续的打印过程中，研究团队将这些材料以3D打印方式带入一个心脏芯片。

该芯片有多个井，每一个井都包含独立的组织和集成传感器，研究人员因此能够一次性地对多种工程化心脏组织进行研究。为了证实器件的有效性，研究团队进行了药物研究和对工程化心脏组织收缩应力的长期研究。

 

图为3D打印出的集成有传感器的心脏芯片

图为3D打印设备

心脏芯片3D打印全过程视频。（时长1分半，大小22M）

意义

论文第一作者、哈佛约翰保尔森工程与应用科学学院（SEAS）博士后、哈佛大学怀斯生理工程研究所的研究人员Johan Ulrik Lind表示：“使用该新型可编程方法来制造器件芯片。并不仅仅能使我们更容易地改变和定制系统设计，还能显著简化数据采集过程。”

Lind说“因为缺乏简单、非通用性的测量组织功能性能的方法，研究人员在面对发生在心脏组织发展和成熟中的逐渐变化时，通常都处于在黑暗中工作的状态。这些集成的传感器允许研究人员能够在组织成熟和改进其收缩性的过程中持续收集数据。该技术也支持长期暴露于毒素下而发生逐步变化的研究。”

共同参与该研究的SEAS生理工程和应用物理塔尔家族教授、怀斯研究所核心研究成员Kit Parker说：“我们的微制造技术为体外组织工程、毒理学和药物筛选开启了新方法。将微生理器件转变为真正对人类健康和疾病研究有价值的平台需要突破数据收集和器件制造技术。此次进展为这些核心挑战提供了潜在解决方案。”

该研究的共同参与者、生物工程汉斯约格维斯教授、怀斯研究所核心研究成员Jennifer Lewis说：“我们通过研发和在打印器件中集成多种功能性材料，正在推进三维打印的边界。此次进展是一个有力证明，表明我们的平台能够用于为药物筛选和疾病建模制造全功能、仪器化芯片。”

资金支持

此次研究由美国国家科学基金会、美国国家卫生研究院国家先进转化科学中心、美国陆军研究实验室、哈佛大学材料研究科学和工程中心（MRSEC）提供资金支持。