客户成就 | 3D打印心脏芯片平台用于心脏研究的最新进展

我们的心脏是人体最重要的器官之一。它每天平均跳动约 100，000 次，泵送超过 7，000 升血液至全身，而每一次收缩都会产生强大的力，足以在完全扩张的血管中将血液推进到 9 米。尽管科研和医学在了解我们心脏方面已经取得了很大的进步，但心血管疾病仍然是一个严重的问题，并且是全 球居民主要死因之一。在这种情况下，心脏的体外模型则可以成为促进理解心脏生理学、研究疾病机制、开发药物和评估药物安全性的宝贵工具。它提供了一个可控且有效的心脏研究平台，有助于改善心血管健康。 

我们如何才能更深入地了解人类心脏或其他器官，以便于深入研究疾病的发展并获得更好的治 疗 效果？或许开发一种微型心脏室复制品会是一个高效的解决方案。我们报道过波士顿大学的科学家们是如何创建一个芯片心脏平台来研究心脏微组织在规定的机械负荷和起搏下的反应。如今，科学家们现在已经将双光子聚合（2PP）与细胞生物学相结合，创建了一个功能齐全的心脏腔室，由真正的心肌细胞收缩驱动，将液体泵入其系统。

小型化体外人体心脏模型

仿生片上组织模型是研究人体生理学和开发治 疗药物的有力工具；然而，由于无法在小尺度范围上开发高度有序的功能结构，其建模能力受到了阻碍。最 近，来自波士顿大学的一个跨学科研究小组利用Nanoscribe双光子聚合技术实现了器官级心脏机械功能的缩小建模。科学家们模拟心脏输出，开发了一种微流体系统，它将复制人类心室的主要特征，即产生血流的收缩心肌室、整流所产生血流的心脏瓣膜以及静脉供血和所述血流的动脉输出血管之间的压力梯度

双光子聚合用于制作生物相容性细胞支架 

芯片上的人工心脏平台由PDMS微流控芯片组成，包括一个供应装置，心脏泵室和一个高压输出装置。心脏泵室则是这项发明的关键所在：由生物相容性光刻胶IP-S 3D打印制作的一个微观、中空、圆柱形支架（内径约1毫米，高约1毫米），该支架可在轴向方向上自由变形，使其能够通过系统泵送流体。一旦支架连接到微流体系统，人诱导的多能干细胞（hiPSC-CM）就会接种到支架上。在这些细胞的收缩力的驱动下，圆柱形支架可产生梯度使微流道内的流体移动。

起初，由于结构的不稳定性导致了结构在播种的hiPSC-CMs产生的收缩力下的不对称塌陷（如下图E和F）。为了解决这种不稳定性，科学家们使用改进的支架设计将腔室的可变形性限制在轴向。改进的设计由两组精细的柔性同心螺旋组成，这些螺旋通过厚的刚性水平环在横向平面上相互连接（如下图G）。这些环在轴向的间距很窄，以防止支架的径向收缩影响其稳定性。重要的是，压缩机械测试表明，螺旋支架的轴向刚度可通过改变螺旋横截面厚度进行重复控制（如下图I，J）在经过多次设计迭代和实证测试后，最 终敲定了该复杂支架的设计。支架的设计可以使其在承受不同组织压力且不塌陷的前提下使液体产生流动。 

3D微纳加工用于定向流阀门制作

在设计过程中，科学家们面临的另一个挑战是开发一种类心脏瓣膜阀门，以确保单向整流输出通道。科学家们测试了多种方案，并使用Nanoscribe的双光子微纳加工技术设计了三种瓣膜（如下图A至F），每种设计都由一个移动部件组成，在一个流动方向上，该部件应与环面贴合，阻挡流动，而在相反方向上，该部件应远离环面，允许流动绕过其本体。我们发现，只有悬浮阀（图E和F）能够在低压和低流速下可靠地有效整流，该悬浮阀的设计灵感来源于球止回阀，由在开启和关闭状态之间漂移的自由浮板组成。集成的微流控系统再现了心室流体功能，并表现出具有等体积相的完整压力-容积环路。这再次证明了2PP增材制造技术的优势：可以轻松进行设计迭代并快速打印以便进行测试。

完整心脏芯片平台的图片。生长在3D打印支架上心脏组织在收缩驱动下流体从供应装置（A）泵送到心脏腔室（B），然后从那里泵送到输出装置（C）。3D打印止回阀确保流体单向整流。Michas et al., Sci. Adv. 8, 16, (2022), Boston University. 完整心脏芯片平台的图片。生长在3D打印支架上心脏组织在收缩驱动下流体从供应装置（A）泵送到心脏腔室（B），然后从那里泵送到输出装置（C）。3D打印止回阀确保流体单向整流。Michas et al., Sci. Adv. 8, 16, (2022), Boston University.

由波士顿大学领导的跨学科团队将纳米制造和组织工程以一种以前从未考虑过的方式结合起来，获得的研究结果为未来疾病研究奠定了基础，并有望用同样的技术可以用来生产其他所谓的 “芯片上的器官”设备，如肺和肾脏。波士顿大学生物医学研究员、该研究的主要作者Christos Michas说，另一种可能性是开发先进的疗法，如基因疗法。有了这个系统，如果我从你身上提取细胞，我可以看到药物在你身上会有什么反应，因为这些是你的细胞。这个系统更好地复制了心脏的一些功能，但同时它为我们提供了它复制的不同人类细胞的灵活性。

作为BICO集团的一员，Nanoscribe预见了2PP微纳加工技术在生物和生命科学领域中的广阔应用前景，并推出了世界上最 精 准的生物3D打印系统Quantum X bio。欢迎咨询！

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Engineering a living cardiac pump on a chip using high-precision fabricationhttps://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm3791