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微纳3D打印技术赋能生物医疗,把器官“种”在芯片上

更新时间:2023-12-01      点击次数:240

人类对于细胞的探索从未止步,同时一直在寻求如何在体外培育细胞的方法。但人体内有几十万亿的细胞,为何还需要在体外进行细胞培养呢?

想象一下,体外培育细胞就像是一个细胞的小型工厂,我们在这里培养出健康的细胞,然后将它们输送至人体内,修复那些受损的部位。同时,我们还像质检员一样,用实验室里的细胞对新药进行检测,确保它们在进入人体后不会出现问题。

通过对细胞进行体外培养,我们可以更深入地了解生命现象,为疾病治疗、组织再生和生物安全等领域提供有力支持。这就是,尽管人体内有无数的细胞,我们仍然需要在体外进行细胞培养的原因。


生命的可能性:何为3D细胞培养、类器官和器官芯片

3D细胞培养、类器官及器官芯片等技术为科学家提供了一种更接近体内真实环境的研究方法,有助于深入了解细胞生物学、疾病发展机制以及药物作用,为生命的拯救和延续找到新的可行道路。所以,它们的原理以及关系到底是怎样的?

3D细胞培养,是一种实现细胞在人工构建的环境中生长的技术。与传统的2D细胞培养相比,3D细胞培养能模拟细胞在体内的生长环境,从而更好地展现其生理特性和功能。


3D细胞培养方法总览(Langhans, Front Pharmacol, 2018)



类器官是指利用成体干细胞(ASC)或多能干细胞(PSC)进行体外3D培养,形成类似体内器官结构和功能的“微器官模型",是对早期2D培养细胞的技术革新。

2D细胞培养由于无法实现细胞间交流或细胞与细胞外基质的相互作用,存在应用的局限性。类器官培养突破这一难题,高度模拟原始器官的结构,甚至一定程度还原其过滤、排泄、神经链接、收缩功能等。


利用类器官成功筛选出新冠治疗候选药物《Nature》



与前两者不同,器官芯片是以微流控芯片技术为核心,通过体外重建组织器官水平的结构功能,再重现体内器官的生理和病理特征的微流控细胞培养装置。它利用微流体技术使营养物质和其它化学信号以可控的方式运动和传递,可构建和模拟人体组织微环境。

但器官芯片在类器官的基础上,可以更加有效的模拟药物代谢、器官之间的相互作用。


器官芯片体系(华夏源行业研究院)



创新的魅力性:进军生物医疗领域,开创全新终端产品

依托于微流控技术的需求,高精度微纳3D打印技术已成为器官芯片制作的重要支撑。摩方精密自主研发的毛细血管器官芯片,不仅能够实现更高细胞培养密度,还可进行连续数周的长期培养,使得体外3D培养的类器官更接近人体器官的功能性。




摩方精密的毛细血管器官芯片,由生物兼容性树脂制成,其整体结构尺寸为18 mm(L)x10 mm(W)x5 mm(H),内含多组壁厚20 μm的5层平行流道,每层有14行平行通道(尺寸为25μm),且每条通道上均有间隔300 μm的梯形界面小孔,孔径尺寸为7-10 μm,可进行细胞培养的舱内尺寸为10 mm(L)x6 mm(W)x2 mm(H)。




毛细血管器官芯片需通过定制化的灌输系统,实现营养物质及代谢废物等物质交换,可培育相似度很高的人体器官功能性的类器官及充足的物理、生理信号等器官生长环境。

摩方精密公司为此类芯片提供了一款定制化的灌输单元。这款装置可精准控制灌输流量范围,并且配备了彩色的液晶触摸屏,便于智能化控液。

利用毛细血管器官芯片灌输培养系统,进行营养物质及代谢废物等物质交换过程,可帮助科研人员在两周内培育出细胞模型,并完成药物测试分析,从而有效提升药物筛选及新药开发进程。

目前,摩方精密圣地亚哥研究院通过对毛细血管器官芯片灌输培养的实验,已成功得到了结直肠癌类器官和肾近端小管类器官。在这个充满无限可能的领域里,毛细血管器官芯片无疑将成为未来药物研发的重要工具之一。




随着毛细血管器官芯片的推出,将进一步推动器官芯片技术在疾病研究、药物开发和临床应用等方面的广泛应用。未来,摩方精密致力于为全球科研工作者提供高性能的器官芯片解决方案


技术的赋能性:微纳3D打印技术,2微米超高精度

摩方精密作为超高精密3D打印系统的前行者,以2μm精度工业级3D打印技术在器官芯片领域具有广泛的应用前景,有助于制备具有复杂结构和精确尺寸的器官芯片。




摩方精密毛细血管器官芯片是由第二代2μm精度3D打印系统microArch®S230制备而成,该设备兼顾用户对打印精度与打印速度的超高要求,在实现2μm的超高精度的基础上,提升了打印速度和打印体积。




其中microArch®S230的打印体积可达50mm×50mm×50mm,打印速度提升最高5倍,打印材料也可兼容树脂和陶瓷材料。摩方精密的微纳3D打印技术可根据具体需求定制化设计器官芯片的结构和功能,降低生产成本,提高研发效率,实现个性化应用,为研究人员提供了更大的创新空间。


S230打印典型样件(内含:点阵-50μm杆径,巴基球-50μm杆径,埃菲尔铁塔-高度20mm、最小杆径30μm,微针阵列-尖部10μm)



3D细胞培养和类器官临床应用峰会

2023年3D细胞培养和类器官临床应用峰会将于11月28-29日在苏州福朋喜来登酒店举办,紧密围绕细胞与基因治疗前沿技术应用、3D细胞培养与类器官临床应用等相关话题,协调整合产、学、研领域资源,以推动类器官技术在全球的健康发展和应用转化。

摩方精密将携毛细血管芯片等样件和主题报告亮相峰会现场(展位:A23),届时欢迎各位业内人士莅临参观,共同交流器官芯片行业应用前景。




摩方精密产品应用部总监彭瑛博士将于11月28日14:50-15:10在会议分论坛一:3D细胞培养、类器官及器官芯片(三楼会议室一)带来题为《高精度微尺度3D打印助力微流控芯片及器官芯片的应用进展》的演讲。

在此次演讲中,彭瑛博士将带您了解面投影微立体光刻(PμSL)技术在生物医疗领域的应用进展及创新发展成果,非常欢迎大家前来探讨交流。