3D打印一体式微流控芯片在器官芯片应用中的创新与突破

本研究系统评估了商用光固化树脂在3D打印一体式微流控器官芯片(OoC)中的性能，提出降低技术门槛的实用框架。通过优化后处理工艺（UV固化时间、IPA冲洗压力），实现300 μm分辨率微通道打印，并验证了四种树脂的生物相容性。创新性地设计出支持2D单层、3D球体及气液界面(ALI)屏障培养的功能结构，为OoC研究提供了可复制的技术方案。

　　

摘要

微流控器官芯片(OoC)技术通过体外模拟生理环境，在疾病建模和药物筛选中展现出重要价值。传统OoC制造依赖聚二甲基硅氧烷(PDMS)复制成型技术，存在成本高、耗时长等局限。光固化3D打印技术为直接制造生物相容性一体式微流控OoC设备提供了新思路。本研究通过系统评估商用树脂的光学特性、微通道打印分辨率和细胞相容性，建立了一套实用化的OoC制造框架，显著降低了该领域的技术门槛。

1 引言

当前OoC制造主要采用软光刻和PDMS复制成型技术，这种工艺受限于二维设计且需要专业微加工设施。3D打印技术通过直接制造无需组装的一体式微流控设备，能够充分利用三维空间构建复杂结构。虽然已有研究证实光固化3D打印可制备OoC设备，但广泛推广仍需解决技术和材料障碍。商用桌面打印机和现成树脂因其简化的工艺流程，成为降低技术门槛的关键。然而，这些材料在微流控OoC开发中的应用尚未充分探索。

2 结果

2.1 树脂光学特性表征

从ASIGA材料库筛选的四种商用树脂（PlasClear v2.0、MOIIN TechClear、MOIIN HighTemp、Monocure DentaGuide）在385 nm波长下进行测试。所有树脂在DAPI(359 nm)通道均表现出显著自发荧光，强度比FITC(498 nm)、Cy3(532 nm)和Cy5(633 nm)通道高三个数量级。其中PlasClear的自发荧光最低，与常见荧光标记兼容性最佳。

2.2 一体式微通道的制造极限

微通道打印分辨率受打印机XY分辨率(27 μm)和树脂特性共同影响。研究发现，成功制造无泄漏可灌注微通道的关键在于有效清除未固化树脂。当冲洗压力不足时会导致通道堵塞，压力过高则可能破坏200 μm厚的封盖层。系统测试显示，所有树脂均能稳定制造500 μm以上通道，而TechClear在300 μm高度通道的成功率达33.3%，显著优于其他树脂。这种差异与树脂粘度密切相关，TechClear(432.44 mPa·s)的粘度低于PlasClear(830.63 mPa·s)和HighTemp(551.95 mPa·s)。

2.3 树脂的生物相容性

采用ISO 10993-12标准评估发现，未经UV后处理的3D打印材料对MCF-7细胞具有明显毒性。UV固化2小时后，TechClear的细胞活性达到对照组的116%，表现最佳。有趣的是，PlasClear在2小时UV固化后活性为87%，但延长至8小时反而降至19%，可能与丙烯酸酯材料在长期UV照射下的降解有关。DentaGuide和HighTemp即使经过8小时固化，细胞活性仍分别仅为59%和22%。

2.4 2D单层灌注培养

采用TechClear树脂打印的OoC设备（通道尺寸300×1000×500 μm）支持HepG2肝细胞生长，3天培养后细胞增殖与常规TCPS培养无显著差异。研究发现，打印表面粗糙度显著影响成像质量：直接在聚氨酯(PU)膜上打印的器件表面粗糙度2.04 nm，成像模糊；而添加玻璃盖片后粗糙度降至0.346 nm，可获得清晰细胞图像。

2.5 3D球体灌注培养

设计100×150 μm微柱阵列（间距80 μm）用于固定预成型球体（直径126 μm）。HepG2球体在0.08 mL·h^-1流速下培养4天后保持高活性。C28软骨球体在灌注培养中表现出更强的分化表型：II型胶原表达量较静态培养显著提高，而聚集蛋白聚糖(ACAN)表达量相当，证实灌注条件可促进软骨功能成熟。

2.6 集成多孔膜的动态屏障培养

在培养室中央集成200 μm厚、100 μm孔径的多孔膜，通过创新性冰模板法在膜上涂覆GelMA-PEGDA水凝胶（刚度52.2 kPa）。该设计支持A549肺泡上皮细胞7天气液界面(ALI)动态培养（气流0.036 mL·h^-1，液流0.27 mL·h^-1），细胞分化出α-微管蛋白（纤毛细胞标志）和黏蛋白5A（黏液分泌标志），其屏障功能（荧光黄渗透性）与Transwell静态培养相当。

3 讨论

相比传统PDMS复制成型，光固化3D打印能直接制造集成Luer接口等功能部件的一体式设备。商用树脂虽存在粘度较高（影响微通道冲洗）和配方不透明等局限，但通过优化设计（如对称分支通道）和后处理工艺，仍可实现功能性OoC制造。值得注意的是，当前技术对单细胞分析（需10 μm级结构）仍具挑战，但新兴的高分辨率DLP打印机有望突破这一限制。

4 结论

本研究证实商用光固化3D打印技术可制备支持多种培养模式的一体式OoC设备。通过系统优化材料选择、打印参数和后处理工艺，建立了标准化的制造流程，为推广OoC技术在生物医学研究中的应用提供了实用解决方案。