澳门大学开发集成3D结构的数字微流控平台，用于3D细胞培养

更新时间：2026-03-18

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人体中大部分细胞存在于复杂的三维（3D）环境中，但截至目前，人们通常仍在扁平的塑料培养皿中对它们进行研究。这些二维培养会扭曲细胞行为，限制了它们在预测真实组织中生物反应方面的能力。微流控技术改进了对细胞培养条件的控制，不过，很多微流控系统需要依赖连续的流体流动、外部泵和复杂的制造流程。数字微流控技术可以实现精确的液滴级操控，但由于缺乏芯片上的微结构，难以支持真正的3D细胞生长。因此，基于这些挑战，显然需要更简单、集成化的平台，以将精确控制与生理相关的3D细胞培养相结合。

近期，澳门大学贾艳伟副教授团队在《Microsystems & Nanoengineering》上以“Integrated 3D microstructured digital microfluidic platform for advanced 3D cell culture"为题发表了一项新研究成果，介绍了一种专为3D细胞培养设计的集成数字微流控平台。研究人员采用摩方精密面投影微立体光刻（PμSL）技术，将3D微结构直接制造在微流控电极上。由此制成的芯片能够实现液滴的可控移动、高效的细胞捕获以及3D细胞球体的快速形成。实验表明，该平台可以稳定运行，且细胞存活率在72小时内保持较高水平，体现了该平台在生物学研究中的实用性。

面向3D细胞培养的3D打印数字微流控系统

该平台的核心是一种制造策略，它将数字微流控技术和3D微结构整合到单个器件中。研究人员没有采用多步骤光刻和洁净室制造工艺，而是使用摩方精密nanoArch^® S130（精度：2μm）3D打印设备，一步完成介电层、限制围栏和微孔阵列的打印。这种方法极大地简化了芯片生产，同时能够精确控制3D细胞微环境。

3D打印数字微流控芯片的制造

研究团队对控制液滴驱动的关键参数进行了优化，包括电压、电极几何形状和微结构高度。该芯片能可靠地支持基本的数字微流控操作，如在平面和3D表面上进行液滴传输、分裂和合并。重要的是，细胞悬液能够高精度地导入微孔。

一旦被限制在3D微观结构中，细胞会迅速自组装成致密的球体。与传统的2D培养相比，这些球体显示出更强的细胞间相互作用和更类似组织的结构。活力和增殖实验证实，细胞在24、48和72小时内均保持健康状态。成像分析进一步揭示了密集的多细胞结构，其与体内组织结构极为相似，这凸显了该平台的生物学相关性。

2D和3D结构中的细胞培养

研究人员指出，将3D微结构直接集成到数字微流控芯片中，解决了微流控细胞培养领域长期存在的瓶颈问题。他们强调，该平台将精确的液滴控制与具有生物学相关性的3D环境相结合，同时避免了复杂的制造流程。研究团队表示，这种简易性与功能性之间的平衡有助于推动3D细胞培养工具的更广泛应用，尤其是那些缺乏专门微制造设施的实验室。

新平台对那些需要逼真细胞模型的领域具有直接影响。在药物筛选中，3D细胞球体通常比平面培养能更准确地预测药物疗效和毒性。通过实现多细胞结构的可控形成，该芯片还有望为癌症生物学、组织工程和器官芯片开发领域的研究提供支持。展望未来，研究人员计划进一步降低工作电压，并整合传感和多细胞共培养能力。这些进展有望实现更长期的培养和更复杂的组织模型，缩小实验室与活体系统之间的差距。

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