用于先进三维细胞培养的集成型三维微结构数字微流控平台

具有三维微纳结构的功能性器件在微电机械系统、生物医学工程、组织工程、新能源电池、微流控器件以及柔性电子器件等领域具有重要的应用价值。尤其是，三维微纳结构被广泛用于模拟组织和器官的复杂结构，例如三维细胞培养支架。这种三维微结构支架为微组织细胞提供了必要的支撑环境，在促进细胞分化和增殖过程中发挥着至关重要的作用。多层三维细胞结构的构建离不开这类支架，它们能够维持细胞在三维空间中的有序排列。理想的微结构支架应能够维持细胞在三维空间中的分布规律，同时具备足够的机械稳定性，并有助于促进营养物质的有效交换及代谢废物的及时排出。因此，开发那些能够高度模拟体内细胞微环境的三维微结构细胞培养支架，已经成为了当前研究的热点方向。

近年来，人们致力于将增材制造技术与数字微流体技术相结合，以赋予这些系统三维功能。例如，泰锋科创研发的TF500就是针对流体材料设计的增材制造3D打印机，此打印机有两个喷头，分别打印不同的材料，可以交替打印，为研究双材料结构的实验室提供更多的解决方案。然而，这些研究大多仍然集中在宏观尺度的流体通道制造上，或者需要多步骤的加工流程。为了克服传统制造方法在结构复杂度及生产效率方面的局限性，目前亟需开发一种新的制造策略，能够通过单一步骤就构建出具有功能性的三维微结构，从而实现3D细胞培养支架与基于液滴驱动的控制系统之间的无缝集成。

在此，我们介绍了一种用于3D球形细胞培养的数字微流控系统。该系统结合了微纳3D打印技术，在芯片上构建出三维微结构阵列。与现有的微流控系统不同——那些系统通常需要通过多层掩模的光刻工艺及复杂的组装步骤才能实现三维结构的构建——我们的方法能够直接在电极基底上通过单步工艺制造出带有介电屏障的三维微结构支架。这种方法不仅省去了对洁净室环境及精密对准操作的需求，还能创建出可定制的3D微环境，从而促进细胞形成球形结构。因此，我们的平台相比现有的基于微流控技术的3D培养系统，具有显著的简化性和优势。具体而言，我们利用在含有铬电极的基底上进行的单步制造工艺，开发出了由介电层、屏障结构及微结构组成的三维集成结构（见图1a）。与传统的光固化成型技术相比，这种工艺消除了多步骤操作带来的复杂性、高昂的成本以及较低的制造精度问题。为了便于系统控制，我们设计了一套由现场可编程门阵列和印刷电路板组成的电子控制系统，用于数据传输、信号生成以及单个电极的充电控制（见图1b）。该微流控系统采用三明治结构设计：底部基板嵌有电极阵列，并与电子控制系统相连，用于输出高压及低压正弦波信号；顶部基板则处于接地状态，从而使样本液滴被限制在两块基板之间。当我们将含有细胞悬浮液的液滴从入口注入系统后，可以通过电极的控制将这些液滴引导到指定的培养位置进行培养（见图1c）。为了验证这种3D打印微流控芯片在细胞培养中的可行性，我们以MCF-7细胞作为模型，在芯片上成功培养出了3D球形细胞结构，并将其与在二维培养板上生长的细胞进行了对比，结果证明了这种三维微结构对细胞球形化培养确实具有显著效果（见图1d）。此外，3D打印而成的结构材料也表现出良好的生物相容性。凭借其单步制造能力、精确的液滴控制功能以及高效的3D球形细胞生成机制，这种微流控系统在药物筛选、组织工程、芯片上器官模型构建等生物研究领域具有巨大的应用潜力。

传统的数字微流控芯片是通过将驱动电极及连接导线集成到印刷电路板或玻璃基板上而制造出来的。随后，会利用立体光刻技术在电极上沉积一层SU8材料作为介电层，再在SU8层上覆盖一层特氟龙材料，以赋予其疏水性并确保液滴能够顺畅移动。这些制造过程需要在洁净室环境中进行，且涉及多个步骤——其中任何一个步骤出现故障都可能影响后续的生产流程。在这项研究中，我们用投影立体光刻3D打印技术取代了传统的制造方法，从而实现了在铬板上直接一步完成介电层、围栏结构以及3D微结构的制造，最终形成了DMF芯片（见图2a）。这种制造方式省去了复杂的操作流程，也无需专业技能——因为3D打印技术可以直接根据计算机中的3D结构模型进行生产（见图2b）。所制备的介电层厚度为15微米，而围栏结构的尺寸为10×10×20微米。由两层支架构成的细胞培养腔的尺寸为80×80×100微米，其中支架的横截面尺寸为20×20微米。相邻的培养腔之间是相互连通的，因此细胞培养液、氧气、营养物质等必要成分可以在这些腔室之间自由交换。根据上述设计，芯片上制备的3D微结构如图2d所示。随后，我们利用扫描电子显微镜进一步观察了该芯片的细节结构，结果发现如图2e、f所示，通过3D打印技术制备的微结构具有出色的表面质量与高分辨率，这进一步证明了3D打印技术确实适用于复杂微结构的制造。