在基于3D打印Transwell的混合器官芯片上进行传感器制造，以实现非侵入性的实时生物屏障抗性监测

《ACS Biomaterials Science & Engineering》：Sensors Manufacturing on a 3D-Printed Transwell-Based Hybrid Organ-on-a-Chip for Non-Invasive Real-Time Biological Barrier Resistance Monitoring

生物屏障维持体内稳态，其功能障碍与多种疾病相关。传统TEER测量存在组装复杂、干扰样本等局限。本研究通过结合3D打印与物理气相沉积（PVD）技术，设计出ITE-M传感器化设备，可在不拆卸Transwell插入件的条件下实现非侵入式实时TEER监测。数值模拟表明对称电极布局可提升电流分布均匀性，实验验证显示设备能准确检测不同孔隙率和NaCl浓度下的电阻变化，并成功捕捉Caco-2细胞在EDTA处理和3D凝胶模型下的屏障功能动态变化。该设备兼容商业测量仪器，为多器官芯片提供模块化解决方案，显著提升在体屏障监测的实时性和便捷性。

　　生物屏障在维持体内稳态和促进器官间通讯中扮演着至关重要的角色。这些屏障能够选择性地控制分子的通过，其功能的失调与多种疾病的发生发展密切相关。因此，对生物屏障完整性进行准确且可靠的体外评估，是确保实验结果具有临床意义和生物学相关性的重要前提。传统的跨内皮/上皮电阻力（TEER）分析是一种非破坏性的检测方法，通过测量穿过组织的离子电阻力来间接评估屏障的完整性。这种方法不仅能够实时监测活细胞在不同生理阶段的动态变化，还能够评估外部刺激如毒素或药物化合物对屏障功能的影响。TEER在评估屏障紧密性方面具有较高的灵敏度，相较于分子示踪实验，它仍然是药物吸收、毒性以及运输研究中的常用手段。在癌症和神经科学等研究领域，TEER参数支持对疾病机制的探索和潜在药物靶点的识别。

当前的TEER测量方法通常存在一些局限性，例如需要多次组装步骤、需要外部接触培养腔室、依赖复杂的系统，或者只能提供局部测量，无法全面反映被测组织表面的完整性。特别是在基于Transwell的器官芯片（OOC）系统中，为了进行TEER测量，通常需要拆卸系统，这会中断实验过程并增加污染风险。为了解决这些问题，我们结合了传统的薄膜图案化技术与低成本、桌面级3D打印技术，将平面电极集成到基于Transwell的混合器官芯片系统中。这种集成TEER电极装置ITE-MINERVA能够在无需中断实验的情况下，实现对屏障功能的实时、原位检测，尤其是在药物毒性及吸收过程可能改变屏障状态的条件下。此外，由于其模块化设计，ITE-M装置还可以应用于现有的多器官体外平台，从而实现对肠道上皮屏障和血脑屏障等模型在病理条件下的实时监测，提高实验结果的可靠性和系统的使用便捷性。

在ITE-M装置的设计与制造过程中，我们采用了一种称为物理气相沉积（PVD）的常规技术，用于在复杂三维打印的生物反应器结构上沉积纳米级导电薄膜。通过使用3D打印的掩膜，我们能够在生物反应器的墙壁上生成导电痕迹，从而确保电极不会干扰流体流动方向或细胞培养过程。这种传感方法能够在不使用导线穿越生物反应器的情况下，将电学信号传输至设备外部，这不仅简化了实验操作，还有效保持了设备的无菌状态。此外，ITE-M装置的电极布局与传统的“ chopstick”电极相比，能够提供更均匀的电流分布，从而提高测量的准确性和可重复性。

为了验证ITE-M装置的功能，我们使用了商业化的EVOM3设备进行TEER测量，并通过与STX2电极的对比实验，展示了ITE-M装置在不同膜孔隙率下的测量能力。结果表明，ITE-M装置能够显著区分不同孔隙率的膜，其记录的电阻值随着孔隙率的增加而降低。此外，ITE-M装置在不同NaCl浓度的溶液中也表现出良好的区分能力，记录的电阻值随着溶液导电性的提高而减少，这与文献中的观察结果一致。ITE-M装置不仅能够在静态条件下实现实时电阻监测，还能在流体灌注条件下保持稳定的测量性能，无需从细胞培养箱中取出设备。这一特性使其成为一种适用于多种实验条件的灵活工具。

在评估ITE-M装置对上皮细胞层的TEER监测能力时，我们使用了Caco-2细胞模型，这是一种广泛用于评估器官芯片功能的肠道上皮细胞。通过确认材料对细胞的非毒性影响，我们进一步验证了ITE-M装置在复杂体外模型中的适用性。例如，在暴露于5 mM EDTA溶液的实验中，ITE-M装置记录了TEER的快速下降，表明其能够有效检测到屏障完整性变化。同时，结合光学显微镜和免疫荧光分析，我们观察到了Caco-2细胞在EDTA处理后的形态变化，这些变化与体外模拟的渗漏肠道模型特征相符。此外，我们还测试了3D生物启发型肠道黏液模型（Bac3Gel）对TEER的影响，结果显示，与对照条件相比，使用该黏液模型的Caco-2细胞表现出较低的TEER值，表明该模型能够影响肠道屏障的通透性。尽管黏液模型本身对整体电阻没有显著贡献，但其对细胞形态和屏障功能的影响已被免疫荧光分析所证实。

ITE-M装置的设计不仅支持单器官模型，还能够扩展至多器官系统，为研究复杂的器官间相互作用提供了新的可能性。这种模块化设计使得ITE-M装置可以轻松集成到标准多孔板尺寸的实验平台上，从而支持对肠道-脑轴等系统性研究的实时监测。通过调整电极布局和优化制造工艺，ITE-M装置有望进一步提高其测量吞吐量，实现与12孔板相似的多样本同时分析能力。此外，未来可以探索更低成本的制造策略，如在热塑性器官芯片基材上进行电极丝网印刷，以降低对专用洁净室设施的依赖。这些改进将有助于扩大ITE-M装置的应用范围，并提升其在不同细胞模型中的通用性。

ITE-M装置的开发不仅解决了传统TEER测量方法在器官芯片系统中的局限性，还为体外生物屏障研究提供了一种更加高效、灵活和标准化的工具。通过将导电薄膜与3D打印技术相结合，ITE-M装置能够在不干扰细胞培养和流体流动的前提下，实现对屏障功能的实时监测。这种集成方法的广泛应用将有助于推动器官芯片技术在药物开发、疾病机制研究以及个性化医疗等领域的进一步发展。未来，ITE-M装置有望在更高频率的测量和更广泛的生物模型中发挥重要作用，从而为生物屏障研究提供更加全面和精确的数据支持。