综述：器官芯片制造方法综述：从早期发展到克服惰性屏障

《iScience》：A review of organ-on-chip fabrication methods: From early developments to overcoming inert barriers

本综述系统梳理了器官芯片（OOC）制造技术的演进历程，从光刻、软光刻等传统微加工技术，到近年兴起的无屏障策略（如层流图案化、水凝胶光图案化等）。文章重点探讨了各种制造方法（如热压印、微注塑成型、3D打印等）与材料（如PDMS、热塑性塑料、天然/合成聚合物）的优势与局限，并强调了在监管转向（如FDA接受新方法学NAM）和市场增长驱动下，OOC在提升生理相关性、实现可扩展生产以及推动临床转化方面的巨大潜力。

　　

器官芯片（OOC）系统代表了在体外复制人体生理学努力中的一项重大进步，提供了超越静态培养和动物实验局限的通用模型。支撑这些平台的制造方法和材料在决定其结构精度、生物学相关性及大规模应用潜力方面起着决定性作用。

从微流控起源到器官芯片

微流控技术出现在20世纪末，其起源可追溯至20世纪60年代的微机电系统（MEMS）。早期的微流控设备主要基于硅材料。1998年，硅基弹性体聚二甲基硅氧烷（PDMS）被引入微系统制造，标志着软光刻技术的开端，并促进了微流控技术在工程实验室之外的广泛应用。PDMS以其灵活性、易用性和低成本彻底改变了微流控设备的制造。大约在2010年，OOC技术真正开始发展。2010年，Huh等人开发了一种肺芯片，重建了人体肺部关键的肺泡-毛细血管界面功能。此后，在国防高级研究计划局（DARPA）等机构资金支持下，肝芯片、肾芯片、血管芯片、肠道芯片、子宫芯片、血脑屏障芯片、多器官芯片等模型相继被开发出来。

器官芯片设备的制造技术

制造技术可分为四大类：基于光刻的方法、复制技术（如软光刻、热压印、微注塑成型）、xurography以及3D打印。

光刻

光刻是使用最广泛的光刻形式，它利用360-410纳米波长的紫外辐射。该过程包括通过旋涂将光刻胶沉积到晶圆上，然后通过掩模版进行紫外曝光，最后使用显影剂获得模具。最常用的材料是SU-8负性光刻胶。例如，Esteve等人和Ayuso等人利用SU-8光刻技术分别创建了用于研究神经坏死和胶质母细胞瘤的OOC设备。然而，光刻技术存在局限性，包括对表面性质的控制有限、基板（主要是硅和玻璃）和洁净室成本高、生物学家不易获取以及从概念到最终生产的流程漫长且昂贵。

复制技术

复制技术依赖于使用模具，通过直接物理接触将所需图案转移到较软的材料上。这些方法主要包括软光刻、热压印和注塑成型。

软光刻

软光刻为微图案化提供了工具，补充并扩展了传统的制造方法。制造过程始于准备包含基础弹性体和固化剂的混合物，将其倒入定义微流控电路的模具中。材料固化后形成聚合物，可通过键合到基板（如玻璃或另一层聚合物薄膜）上进行密封。这类设备通常由PDMS制成。基于PDMS的软光刻是Wyss研究所的Ingber及其同事开发OOC系统的基础技术。例如，Plebani等人描述的肺芯片设备在多孔膜的上表面培养假复层支气管上皮细胞，下血管通道内衬人肺微血管内皮细胞，重现了气道生理学和病理学的关键特征。其他器官模型，如十二指肠肠道芯片、结肠芯片、肝脏芯片、大脑芯片等也在此技术基础上开发。然而，软光刻也有缺点，主要是依赖于弹性体材料，这限制了其应用于某些设备类型，并使大规模生产复杂化。PDMS的高气体渗透性、疏水性以及对小分子疏水化合物的吸收也是其局限性。

热压印

在“热成型”中，微流控电路是通过在受控的热和压力条件下将热塑性聚合物模塑成所需的微结构来获得的。该过程包括将基板加热到聚合物的玻璃化转变温度以上，并施加预定压力使材料成型。Schneider等人和Moon等人利用热压印技术分别开发了聚碳酸酯/热塑性弹性体（TPE）混合芯片和可逆结合的TPE微通道平台，用于血管网络形成研究。尽管热压印具有可重复复制微尺度特征、改进的可扩展性、更低的疏水小分子吸收等优点，但它也存在一些缺点，如仅限于热塑性基板，需要高温高压实现充分的图案转移，并且不太适合制造纳米级特征。

微注塑成型

注塑成型是一种制造过程，将聚合物加热并注入模具型腔以获得所需图案。微注塑是更精确的版本，它将粒状热塑性材料从料斗注入加热的料筒，在材料变成熔融状态后，在压力下注入模具型腔并保压一段时间，随后冷却固化脱模。该工艺具有全自动化潜力、周期短、成本效益高、形状复制精确、尺寸控制精密等优点。Lee等人和Gonzalez-Rubio等人利用微注塑成型技术分别开发了肾小管芯片和血管化OOC系统。然而，该技术也存在资本支出高、材料选择受限、高深宽比或亚微米特征复制受限、可能存在残余应力等缺点。

xurography

xurography技术包括在压力下将粘合剂、聚合物或玻璃层结合在一起以制造设备。该过程涉及分别切割每一层，然后对齐并键合各层以形成完整的设备。它使用切割机（一种配备精密刀片的自动设备）直接对聚合物薄膜进行图案化。除了机械切割，激光微加工也常被用作补充或替代技术。设备组装可通过粘合剂键合、化学键合或热键合实现。Sui等人、Ferreira等人以及Olaizola-Rodrigo等人利用xurography结合不同的键合技术，分别开发了用于研究多发性骨髓瘤细胞迁移的骨髓窦隙芯片、胃芯片以及用于减少惰性材料以改善细胞相互作用的芯片。xurography因其简单、快速、低成本而受到重视，但其二维性质限制了复杂或高深宽比几何形状的制造，切割分辨率有限，材料选择也受限。

3D打印

3D打印包含一系列增材制造方法，通过在数字控制下逐层添加材料来构建三维实体。与OOC相关的常用技术包括光聚合3D打印（如立体光刻SLA、数字光处理DLP、双光子聚合2PP）、喷墨打印和微挤压打印（如熔融沉积建模FDM）。这些技术可以采用直接打印模式或间接打印模式（使用模具）。Cook等人、Afshar等人、Kado Abdalkader等人利用不同的3D打印技术制造了用于淋巴节点通信、骨骼肌微组织和肿瘤免疫研究的多器官芯片、心肌芯片和柔性微流控设备。3D打印具有原型成本低、设计灵活、浪费少、能够一次性制造复杂设备等优点，但也面临挑战，如不同打印技术之间分辨率不一致、许多可打印材料不透明、高分辨率打印机和专用材料成本高昂、以及可扩展性方面存在显著挑战。

器官芯片技术中的材料：演变与应用

OOC设备中使用的材料经历了发展演变。早期微系统使用刚性材料（如硅、玻璃）和弹性体（如PDMS）。PDMS因其光学透明度、成本效益、生物相容性等优点被广泛使用，但也存在吸收小分子、浸出未交联低聚物等缺点。其他弹性体如SU-8、聚氨酯（PU）、聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）等也有应用。热塑性材料（如PMMA、PS、COP/COC、PC、PET、PLA）因其可扩展性、化学稳定性、成本效益等优势，在商业OOC产品中日益受到青睐。天然聚合物（如纤维蛋白、胶原蛋白、基质胶、结冷胶、藻酸盐）和合成生物材料（如明胶甲基丙烯酰GelMA、聚乙二醇二丙烯酸酯PEGDA）在提供生物相容性微环境方面发挥着重要作用。材料的选择对设备性能、生物相关性、可制造性和最终转化潜力至关重要。

克服惰性屏障

传统的膜基OOC平台通常在组织室之间包含多孔膜或微柱等惰性屏障，这限制了组织间的直接接触和通信。近年来，无屏障制造策略逐渐兴起，旨在通过消除惰性界面来提高生理相关性。这些策略包括层流图案化、相导引技术、水凝胶光图案化和表面处理图案化。

层流图案化

层流图案化利用微流控通道中的层流条件，使多种流体并行流动而不混合。这项技术已被用于在微通道内创建相邻的水凝胶区域或图案。例如，Annabi等人利用层流流动图案化和紫外交联在通道壁沉积可调厚度和弹性的水凝胶涂层，用于心肌细胞培养。Loessberg-Zahl等人将层流与化学亲水改性相结合，定义了亲水和疏水区域，创建了复杂几何形状，用于研究内皮细胞迁移。

相导引

相导引结构是用于控制气-液界面前进的微尺度几何特征，可以在开放通道中实现清晰的流体界面控制，而无需物理屏障。Vulto等人率先提出了这一概念。Bunge等人、Hao等人以及Soragni等人利用不同的制造方法（如干膜光刻DFR、软光刻、注塑成型）将相导引整合到芯片中，用于哺乳动物细胞培养、趋化性研究和血管生成分析。这些平台能够形成稳定的凝胶界面，实现可重复的隔室化，支持复杂的生物学模型。

水凝胶光图案化

水凝胶光图案化使用光掩模通过光交联在微流体环境内空间定义柔软的、负载细胞的基质。Ortiz-Cardenas等人开发了一种原位光图案化方法，在微流体平台内生成空间组织的水凝胶结构，用于封装和培养原代人类T细胞。Brandenberg和Lutolf采用激光微加工在胶原基质中创建可灌注的微血管网络。这些方法允许在三维空间中精确控制细胞微环境。

表面处理图案化

表面处理图案化是一种通用技术，无需物理屏障即可实现相邻隔室之间的完全接触，并允许可定制的通道几何形状。Olaizola-Rodrigo等人和Bayona等人描述了一种制造工艺，涉及使用切割绘图机切割热塑性材料（如COP），然后进行表面处理（如等离子体处理）以创建亲水图案，最后通过热键合进行组装。该技术被用于创建具有中央腔室（Be-Gradient）和三个连接隔室（Multicompartment）的设备，分别用于血脑屏障（BBB）模型和胶质母细胞瘤（GBM）肿瘤微环境模型。表面处理图案化能够精确控制微流体腔室几何形状和隔室化，而无需物理屏障。

制造方法和材料的商业普及

PDMS基系统在研究和商业领域仍被广泛使用，例如Emulate公司的Organ-Chip系统和TissUse公司的HUMIMIC设备。然而，基于热塑性塑料的平台因其可扩展性、化学稳定性、成本效益以及与自动化制造的兼容性而日益被商业采用。例如，MIMETAS、Beonchip、AIM Biotech、CN Bio Innovations和InSphero等公司提供注塑或热压热塑性耗材。这些设备通常设计为一次性使用，而相关的仪器、泵和灌注控制器可重复使用。可持续性和设备生命周期管理也日益成为重要的设计考虑因素。

结论与未来展望

OOC制造技术的发展轨迹反映了几代方法的层层递进：从光刻和复制到xurography和3D打印，每一代都引入了新的能力，同时也暴露了局限性。最新的无屏障策略通过结合和调整这些既定方法，利用其优势来实现更高的仿生学水平。展望未来，需要解决几个瓶颈问题：开发结合热塑性塑料可加工性、低吸收、可调渗透性和监管认可度的新型生物材料；发展确保坚固密封而不影响结构保真度的键合与集成技术；将多模态传感嵌入制造工作流程；以及推动标准化和规模化。随着监管信心和技术成熟度的并行发展，下一步将是在多器官架构中集成无屏障制造，向人体芯片系统迈进。通过批判性地将传统和新兴的制造技术整合到可扩展的框架中，OOC领域有望提供不仅具有生理预测性，而且便于在研究、工业和医学中广泛采用的OOC平台。