水凝胶在微流控芯片中的3D细胞培养应用

2023-11-03 理论教育版权反馈

【摘要】：水性和高渗透性的结合使水凝胶非常适合用于3D培养的细胞封装。水凝胶装置的应用主要与细胞有关。水凝胶通常具有生物相容性，对不同动物细胞表现出的亲和力有所不同。动物源性水凝胶含有促进细胞黏附和增殖的因子。另外，封装有细胞的水凝胶可能与某些微细加工工艺不兼容。在温和的条件下，大多数水凝胶在水溶液中凝胶化。通常，水凝胶通常不会因简单接触而黏连，因此与较易成型的特性相比，水凝胶芯片黏合具有挑战性。

微流体技术已越来越多地参与生物学/医学研究和仿生研究。水凝胶是亲水聚合物链的3D网络，跨越水介质，其中99%可以是水。它们具有高度可控的孔径，可允许小分子(甚至生物颗粒)扩散。水性和高渗透性的结合使水凝胶非常适合用于3D培养的细胞封装。

类似于细胞外基质的水凝胶已被广泛用于嵌入细胞，以用于各种应用。但是，营养和氧气通过散装凝胶的扩散尚不足以支持厚层细胞培养。细胞沿梯度的行为可能不同，通常在几百微米的深度就开始发生坏死[9]。如果将微流体通道引入整体凝胶基质中，输送溶液、细胞和其他物质，就可以实现通过整体的快速质量转移，提供与自然分叉血管相似的功能，构建分叉的脉管系统，从而允许对细胞进行整体3D培养[10]。水凝胶装置的应用主要与细胞有关。与PDMS设备相比，它们更常用于研究组织水平的细胞培养，如用于组织工程研究的3D细胞培养。影响细胞培养实验的另一个重要因素是底物与细胞之间的相容性。水凝胶通常具有生物相容性，对不同动物细胞表现出的亲和力有所不同。动物源性水凝胶(如基质胶和胶原蛋白)含有促进细胞黏附和增殖的因子。相反，植物来源的水凝胶(如藻酸盐和琼脂糖)以及合成的水凝胶(如PEG和聚丙烯酰胺)缺乏细胞黏附位点，但可以采用可控的方式移植黏连部位。(www.chuimin.cn)

与其他聚合物可以在纳米尺度分辨率下加工比较，由于水凝胶在大分子尺度上的低密度和低强度，因此水凝胶在微细加工中仅支持更低的分辨率(微米尺度)。另外，封装有细胞的水凝胶可能与某些微细加工工艺不兼容。目前已报告的制作水凝胶微流控芯片的策略分为两类：一类是直接写入方法，即使用直写光刻设备将来自移动喷嘴的凝胶溶液凝胶化，可以低速生成任意3D结构；另一类涉及两个步骤，首先生成通道，然后进行通道密封。在温和的条件下，大多数水凝胶在水溶液中凝胶化。因此，它们可以由几乎不溶于水的任何材料制成的模具模制而成。通常，水凝胶通常不会因简单接触而黏连，因此与较易成型的特性相比，水凝胶芯片黏合具有挑战性。已报道的黏结策略有两种，在连接之前立即通过加热或化学方法熔化黏结表面的薄层，或者在界面处使用另一种连接剂。

水凝胶在微流控芯片中的3D细胞培养应用

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