摩方精密助力新型胰岛微生理系统构建：气动微流体纺丝技术+胰岛细胞微纤精密

来源：微流控信息网

微生理系统是一种细胞模型，它可再现器官或组织中细胞所暴露的动态微环境，可用于复现生理学的各个方面。它们通常整合了气体或液体流动等特征，因此常常被称为微流控器官芯片。这类技术能有效弥补传统动物模型在疾病机制研究和药物反应预测方面的局限性，并在特定场景下实现动物实验替代。以糖尿病研究为例，其在药物代谢评估（如肝脏-胰岛轴模拟）及高效筛选中已展现出明确的临床转化潜力。

上海大学材料基因组工程研究院高兴华团队通过气动控制的微流体纺丝技术制备了负载胰岛细胞的微纤维，用于构建微生理系统。该研究成果以“Engin-eering pancreatic islet-loaded microfibers via pneumatically-controlled microfluidic spinning for the assembly of a microphysiological system”为题，发表在《Biomaterials》期刊上。

该研究介绍了一种基于微纤维的胰岛微生理系统（MPS），通过气动控制的微流体纺丝技术制备胰岛细胞负载的微纤维，并将其与血管内皮细胞共培养在微流控芯片中。该系统能够模拟胰岛的生理微环境，为糖尿病研究和药物筛选提供了一个新的平台。该研究通过摩方精密面投影微立体光刻（PμSL）技术（nanoArch® S140，精度：10μm）制备了微流控纺丝芯片模具和组装芯片模具，再结合PDMS翻模技术制备了两种芯片。

图1展示了胰岛微生理系统的设计原理图，包括基于微流控纺丝技术结合气动控制制备的胰岛微纤维，以及将微纤维与血管内皮细胞组装的微流控系统。图中详细描绘了微纤维的制备过程，包括核心流、样本流和鞘流的注入，以及通过气动控制实现的液滴形成和微纤维的收集。此外，还展示了微纤维在微流控系统中的组装方式，以及最终构建的胰岛微生理系统，模拟了胰岛的生理微环境和血管化结构。

图1. 胰岛微生理系统的设计原理图。

图2展示了通过气动控制微流控纺丝技术制备的含水滴微纤维的表征结果。图中通过明场和荧光显微镜图像展示了微纤维的连续性和水滴的均匀分布情况，同时利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析了微纤维的化学组成，确认了微纤维中钙藻酸盐和葡聚糖的存在。此外，通过共聚焦显微镜的三维成像技术进一步验证了水滴在微纤维中的空间分布，表明水滴与纤维之间无相互扩散，为细胞的三维培养提供了独立的微环境。

图2. 通过气动控制微流控纺丝技术制备的含水滴微纤维的表征结果。

图3展示了微流控纺丝条件优化的结果，研究了气动阀频率、核心流速、样本流速和鞘流速对微纤维中水滴尺寸、间距和纤维宽度的影响。结果显示，核心流速和气动阀频率主要影响水滴的尺寸，样本流速影响水滴间距，而鞘流速则主要影响纤维的宽度。通过优化这些参数，实现了水滴的均匀分布和高通量制备，为细胞的三维培养提供了理想的微环境。

图3. 微流控纺丝条件优化的结果。

图4展示了胰岛细胞负载微纤维的制备与表征结果。图中通过明场和荧光显微镜图像展示了胰岛细胞在微纤维中的分布情况，细胞被标记为绿色荧光，表明细胞在微纤维的水滴中均匀分布。细胞活性检测结果显示细胞在微纤维中具有高活性和良好的增殖能力。此外，通过共聚焦显微镜对细胞骨架和胰岛素分泌的染色结果表明，细胞在微纤维中形成了类似胰岛的三维结构，并具有正常的内分泌功能。基因表达分析进一步证实了微纤维中细胞的胰岛功能增强。

图4. 胰岛细胞负载微纤维的制备与表征结果。

图5展示了微纤维组装芯片的设计和流体动力学模拟结果。图中详细描绘了组装芯片的结构，包括用于微纤维和血管内皮细胞共培养的大腔室以及对称的微通道网络。通过COMSOL软件进行的流体动力学模拟显示，通过调节入口流速，可以模拟毛细血管中的流体剪切应力，为细胞提供生理相关的流体环境。模拟结果表明，微纤维和细胞所在的中央腔室的流体剪切应力较低，而通道进出口附近的剪切应力较高，这种梯度有利于内皮细胞的生长和血管化。

图5. 微纤维组装芯片的设计和流体动力学模拟结果。

图6通过荧光显微镜图像展示了血管内皮细胞在微纤维表面的生长和血管化情况。结果显示，内皮细胞在微纤维表面形成了丰富的血管样结构，并表达了特异性的内皮标记物CD31。通过共聚焦显微镜的Z轴扫描和三维建模，进一步证实了内皮细胞在微纤维上的单层排列和血管样结构的形成。此外，基因表达分析表明，与二维培养相比，微纤维上的内皮细胞表现出更高的血管生成相关基因表达水平，如CD31、VCAM-1和KLF2，表明微纤维促进了内皮细胞的血管化。

图6. 通过荧光显微镜图像展示了血管内皮细胞在微纤维表面的生长和血管化情况。

图7展示了胰岛微生理系统的构建和抗糖尿病药物GLP-1(7-37)的评估结果。图中通过荧光显微镜图像展示了胰岛细胞和血管内皮细胞在微纤维上的共培养情况，以及胰岛细胞的胰岛素分泌功能。在动态培养条件下，胰岛细胞保持了正常的内分泌功能。通过MTT实验、ELISA检测和NO释放检测，评估了GLP-1(7-37)对胰岛细胞和内皮细胞的增殖、胰岛素分泌和NO释放的影响。结果显示，GLP-1(7-37)显著促进了胰岛细胞的增殖和胰岛素分泌，同时也增强了内皮细胞的增殖和NO释放能力，表明该微生理系统可用于抗糖尿病药物的体外评估。

图7. 胰岛微生理系统的构建和抗糖尿病药物GLP-1(7-37)的评估结果。

总结：本文通过气动控制的微流体纺丝技术成功制备了胰岛细胞负载的微纤维，并构建了一种模拟胰岛生理微环境的微生理系统。该系统不仅能够支持胰岛细胞和血管内皮细胞的共培养，还能够用于药物筛选和疾病机制研究。未来，该技术有望进一步优化，以实现更复杂的组织模拟和更高效的药物评估，为糖尿病的个性化治疗提供新的工具和方法。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2025.123480