醫(yī)用增材制造領(lǐng)域中的微流控技術(shù)

王潔，邵長(zhǎng)敏，王月桐，孫凌云*，趙遠(yuǎn)錦,*

a Department of Rheumatology and Immunology, Institute of Translational Medicine, The Affiliated Drum Tower Hospital of Nanjing University Medical School, Nanjing 210008, China

b College of Artificial Intelligence, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210031, China

c State Key Laboratory of Bioelectronics, School of Biological Science and Medical Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China

增材制造（additive manufacturing），又被稱為固體自由成型制造。與減材制造截然不同，增材制造是以計(jì)算機(jī)三維（3D）模型數(shù)據(jù)為藍(lán)本、以逐層疊加為主要制造方式的三維立體結(jié)構(gòu)構(gòu)建手段[1,2]。自20世紀(jì)80年代第一個(gè)3D結(jié)構(gòu)通過(guò)逐層疊加方式成功構(gòu)建到現(xiàn)在，增材制造已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究領(lǐng)域中的一種新奇且實(shí)用的工具[3,4]?；谠霾闹圃斓姆绞?，金屬、陶瓷、聚合物、生物材料和有機(jī)物化合物等具有不同制造特性的材料可被用于構(gòu)建復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)[5-8]，且在食品、制藥、醫(yī)學(xué)和機(jī)械加工等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[8-11]。由于增材制造具有成本低、可定制化和結(jié)構(gòu)構(gòu)建快速的加工特性，微流控、電噴、3D打印、熔融沉積制造和選擇性激光燒結(jié)等成型制造技術(shù)體系在醫(yī)用增材制造領(lǐng)域得到迅速構(gòu)建[12-15]，有效推動(dòng)了醫(yī)療器械、醫(yī)學(xué)假體和臨床移植物的發(fā)展。

微流控（microfluidic）是一種可在微尺寸通道（幾十到幾百微米）中控制微量流體（通常為10-9～10-18L）的技術(shù)[16-20]。由于微流控技術(shù)對(duì)流體精準(zhǔn)控制的特性，其在構(gòu)建復(fù)雜結(jié)構(gòu)的微流控液滴/纖維方面的應(yīng)用被寄予厚望[21-24]。通過(guò)對(duì)液滴/纖維相關(guān)元件的裝配、堆疊，可以構(gòu)建由不同結(jié)構(gòu)和材料組成的3D結(jié)構(gòu)。此外，選擇在液滴/纖維中包埋、負(fù)載細(xì)胞還可以構(gòu)建具有生物相容性的細(xì)胞結(jié)構(gòu)[25-27]。近年來(lái)，高通量、結(jié)構(gòu)和尺寸控制精準(zhǔn)等優(yōu)勢(shì)使微流控技術(shù)在醫(yī)用增材制造領(lǐng)域顯露頭角，且已被應(yīng)用于藥物開發(fā)、組織工程和器官芯片的構(gòu)建[28-30]。在此背景下，對(duì)微流控技術(shù)在醫(yī)用增材制造領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行全面綜述，對(duì)具有不同學(xué)科背景的研究者來(lái)說(shuō)是必要的。

本文綜述了微流控技術(shù)在醫(yī)用增材制造領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展。首先，闡述了基于微流控技術(shù)的單、雙和多重乳液微載體的制作方式，以及不同結(jié)構(gòu)微纖維的制備手段及其編織、堆疊和纏繞；其次，詳細(xì)介紹了微載體、微纖維在醫(yī)用增材制造領(lǐng)域的不同應(yīng)用，如細(xì)胞定向、細(xì)胞3D培養(yǎng)、體外組織構(gòu)建和細(xì)胞治療等；最后，討論了基于微流控技術(shù)的醫(yī)用增材制造未來(lái)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)與應(yīng)用前景。

2. 微流控液滴在醫(yī)用增材制造領(lǐng)域的應(yīng)用

微流控技術(shù)是一種在微尺寸通道中對(duì)流體進(jìn)行系統(tǒng)操作和控制的技術(shù)。自20世紀(jì)70年代微流控技術(shù)問(wèn)世以來(lái)，該多學(xué)科技術(shù)迅速發(fā)展，并逐漸滲透到生物學(xué)、微電子學(xué)、醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)、化學(xué)和機(jī)械工程等諸多領(lǐng)域[31-36]。微流控系統(tǒng)中的流體具有高效的質(zhì)-熱傳遞、黏性相對(duì)于慣性的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)以及顯著的表面效應(yīng)的特點(diǎn)，使得微流控系統(tǒng)對(duì)流體和流體界面的控制具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。此外，微流控系統(tǒng)的高度集成性促進(jìn)了多相流體的共軸流動(dòng)和相互作用，從而能夠構(gòu)建復(fù)雜的流體體系[27,33,37,38]。因此，微流控技術(shù)被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)微尺寸復(fù)雜形貌和結(jié)構(gòu)的有效方法。

2.1. 液滴微流控的成型機(jī)理

作為微流控技術(shù)的重要分支，液滴微流控在其通道中可引入不相溶的多相（分散相和連續(xù)相）流體，并將流體分解成離散的液滴[21,39]。液滴微流控生成的液滴具有分散性好、體積小且大小可控、制備條件穩(wěn)定、液滴環(huán)境密閉無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。因此，微液滴可以作為理想的模板或微反應(yīng)器，在材料制備、化學(xué)合成、細(xì)胞培養(yǎng)等方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

多種材料可用于制造微流控芯片，如玻璃、晶體硅、石英、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、塑料等[40-43]。在上述材料中，最常用的是PDMS和玻璃毛細(xì)管，如圖 1（a）、（b）所示[42,43]。1998年，Whitesides制備了第一個(gè)PDMS微流控芯片 [44]。PDMS器件的制作通常需要以下步驟：首先，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接觸光刻技術(shù)[圖1（a-i）～（a-iii）]在光刻膠中構(gòu)建正結(jié)構(gòu)母版；其次，將混合的PDMS傾倒入母版生成有孔道的復(fù)制版[圖1（a-iv）、（av）]；最后，PDMS復(fù)制版黏合在平坦的基板上[圖1（avi）]。PDMS器件的低成本、易成型、良好的生物相容性和透明性等優(yōu)點(diǎn)使其得到廣泛應(yīng)用。然而，它們的二維（2D）特性、有機(jī)溶劑中的溶脹和形變效應(yīng)以及高壓耐受性不足限制了其在微流控技術(shù)中的應(yīng)用。因此，具有3D幾何形狀和極好的耐溶劑性的玻璃毛細(xì)管被引入微流控裝置的制作程序[42]。這些裝置由具有易改變通道表面潤(rùn)濕性的玻璃毛細(xì)管共軸組裝而成[圖1（b）]。通過(guò)組裝一系列玻璃毛細(xì)管[圖1（b-ii）、（b-iii）]或使用陣列毛細(xì)管[圖1（b-i）]，可以獲得具有單、雙和多重乳液或結(jié)構(gòu)更復(fù)雜（如多個(gè)組分）的液滴。雖然具有以上優(yōu)點(diǎn)，但這種玻璃裝置在某些情況下也會(huì)受到限制。例如，手工制作玻璃毛細(xì)管裝置限制了它們的單次生產(chǎn)量。因此，應(yīng)根據(jù)不同的情況選擇不同的微流控器件。

在微流控通道中，互不相溶的流體在界面處交匯，并在流體動(dòng)力作用下形成液滴。液滴的大小、速度和產(chǎn)生頻率受流速、幾何參數(shù)和流體性質(zhì)影響?；谕ǖ缼缀涡螤詈土黧w結(jié)構(gòu)，現(xiàn)已開發(fā)了不同的液滴形成技術(shù)，這些形成裝置可分為階梯狀、橫流、共流、幾何流動(dòng)聚焦等[18,27,45]。圖1（c）[45]展示了用于生成液滴的典型微流體的幾何結(jié)構(gòu)示意圖。通過(guò)毛細(xì)管壓力的急劇變化，階梯狀的幾何結(jié)構(gòu)導(dǎo)致通道限制的改變從而產(chǎn)生均勻的液滴。在界面張力的驅(qū)動(dòng)下，分散相在通道末端斷裂成液滴。在橫流裝置中（通常表現(xiàn)為T形接口裝置），兩種流體以0～180°角度分流，并在交界處形成界面。分散相在剪切力作用下進(jìn)入連續(xù)相通道，隨后由于梯度壓力而破裂成液滴。共流是通過(guò)一組同軸通道實(shí)現(xiàn)的，這些通道可以是2D（PDMS）或3D（玻璃毛細(xì)管）同軸。與共流幾何結(jié)構(gòu)相似，兩相在流動(dòng)聚焦芯片中通過(guò)一個(gè)狹窄區(qū)域同軸流動(dòng)。由于收縮孔中剪切聚焦的作用，液滴的尺寸比同流結(jié)構(gòu)的小。

2.2. 單乳液和多組分液滴

基于不同的微流控液滴模板，研究人員對(duì)具有可設(shè)計(jì)尺寸、結(jié)構(gòu)和微環(huán)境的細(xì)胞微載體進(jìn)行了研究。簡(jiǎn)要來(lái)說(shuō)，通過(guò)將生物相容性材料注入微流控通道，可以生成單分散的單乳液，隨后可聚合以獲得用于細(xì)胞培養(yǎng)的微載體。Liu等[46]通過(guò)在單液滴模板中分散二氧化硅納米粒子，開發(fā)出了一種尺寸可控、生物相容性好的新型光子晶體（PC）微載體。與2D培養(yǎng)相比，微載體表面培養(yǎng)的細(xì)胞更具有3D的形態(tài)[圖2（a-i）]，這是由微載體上懸浮培養(yǎng)細(xì)胞的特點(diǎn)引起的。此外，如圖2（a-ii）所示，Zheng等[47]通過(guò)在表面修飾適體探針，開發(fā)了用于捕捉、檢測(cè)和釋放多種循環(huán)腫瘤細(xì)胞（CTC）功能的PC微載體。

除二氧化硅外，水凝膠材料也被廣泛用于制造細(xì)胞微載體，如海藻酸鈉[48]、明膠[28]、膠原蛋白[49]、聚乙二醇[50]和殼聚糖[51]。這些微載體可以通過(guò)離子交聯(lián)、溫度誘導(dǎo)凝膠化和冷凍以及紫外線（UV）照射等多種方法固化。微載體的尺寸、形狀、孔隙率和機(jī)械性能可以通過(guò)調(diào)節(jié)微流控通道尺寸、流速、前體物濃度和交聯(lián)密度來(lái)調(diào)節(jié)。Segura等[52]利用微流控方法制備了由多臂聚（乙烯）乙二醇-乙烯基砜（PEG-VS）和細(xì)胞黏附肽組成的可注射微載體[圖2（b）]。細(xì)胞黏附在微載體表面，并具有高細(xì)胞活力和快速增殖能力。值得注意的是，微載體可以組裝成具有所需形狀的微孔粒子支架。

細(xì)胞除被接種在微載體的表面外，還可以在水凝膠前體乳化和聚合之前將其包埋。Garcia等[53]利用微流控技術(shù)制造了尺寸、滲透率和細(xì)胞微環(huán)境可控的微腔[圖2（c）]。他們證實(shí)了微載體可提高相關(guān)臨床細(xì)胞（如人胰島細(xì)胞和人間充質(zhì)干細(xì)胞）的活性。近年來(lái)，作為細(xì)胞微載體的響應(yīng)性水凝膠引起了廣泛關(guān)注。例如，Zhao等[54]利用近紅外（NIR）光響應(yīng)水凝膠開發(fā)出細(xì)胞可控培養(yǎng)的微載體系統(tǒng)，如圖2（d）所示。水凝膠前體物中的氧化石墨烯可以吸收近紅外光譜并將其轉(zhuǎn)化為熱量，從而導(dǎo)致溫度響應(yīng)水凝膠的收縮和微載體孔中捕獲細(xì)胞的釋放。微載體釋放的細(xì)胞具有與傳統(tǒng)消化細(xì)胞相似的活性，而微載體支架在釋放前可保護(hù)細(xì)胞免受免疫系統(tǒng)的傷害。這些特點(diǎn)促進(jìn)了微載體在小鼠腫瘤模型構(gòu)建中的應(yīng)用。

用多個(gè)平行通道代替單乳液微流控裝置的分散通道，可以制備多室液滴。不相溶的分散相相互接觸，同時(shí)被連續(xù)相乳化。由于微流體中雷諾數(shù)（Re）較低，流體保持層流狀態(tài)。因此，液滴形成過(guò)程中的對(duì)流流動(dòng)不會(huì)導(dǎo)致分散相的混合，而分散相的混合是以流體間擴(kuò)散為主。因此，當(dāng)流體間擴(kuò)散速度較慢時(shí)，會(huì)出現(xiàn)明顯的界面和隔室。基于這些理論，Weitz等[55]通過(guò)應(yīng)用多個(gè)注入通道制備多室微載體[圖3（a）]。海藻酸鈣（Ca-Alg）快速凝膠化可用于制備微載體間的明顯界面。有學(xué)者認(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)可以作為一種在單細(xì)胞水平上，研究細(xì)胞間相互作用的新方法。微流控技術(shù)可以制備出結(jié)構(gòu)復(fù)雜的多室微載體。Zhao等[56]應(yīng)用毛細(xì)管陣列微流控技術(shù)，在中心生成具有多種結(jié)構(gòu)和大孔的細(xì)胞微載體，如圖3（b）所示。Zhao等利用微纖維陣列首次制備出多室液滴的微纖維。通過(guò)去除聚合液滴中的微纖維，相應(yīng)地開發(fā)了具有大孔的多室微載體。與沒有大孔的微載體相比，大孔微載體在細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程中可提供充足的營(yíng)養(yǎng)。

圖1. 微流控裝置和液滴制備過(guò)程。（a）PDMS微流控器件的制作步驟[43]；（b）玻璃毛細(xì)管微流控芯片的組裝[42]；（c）在PDMS和玻璃毛細(xì)管芯片中制備不同幾何結(jié)構(gòu)的微流控液滴[45]。

2.3. 雙乳液和多重乳液液滴

雖然由單乳液液滴作為模板的細(xì)胞微載體具有許多優(yōu)點(diǎn)，但過(guò)于簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)限制了其在某些情況下的應(yīng)用。因此，能夠制造出結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的微載體尤為重要。通過(guò)多級(jí)乳化，可以根據(jù)需要獲得雙乳液或多重乳液液滴。

圖2. 由單一乳液模板制備的微載體。（a）PC微載體[46-47]；（b）PEG-VS微載體[52]；（c）具有可控細(xì)胞微環(huán)境的微載體[53]；（d）NIR光響應(yīng)水凝膠微載體[54]。DTT：二硫蘇糖醇；RGD：海藻酸鈉-精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸。

在單乳液液滴形成的基礎(chǔ)上，對(duì)混合液進(jìn)行二次乳化，可以制備出雙乳液液滴。雙乳液是通過(guò)雙重共流毛細(xì)管裝置實(shí)現(xiàn)的，如圖4（a）[57]所示。首先，在內(nèi)毛細(xì)管的末端產(chǎn)生油包水乳液；然后將混合液乳化成水包油雙乳液?；陔p乳液，可制備具有內(nèi)外連通結(jié)構(gòu)的多孔微載體和生物聚合物基質(zhì)填料，用于3D細(xì)胞培養(yǎng)。多孔結(jié)構(gòu)不僅能保護(hù)細(xì)胞在培養(yǎng)過(guò)程中不受剪切力的影響，而且為多個(gè)細(xì)胞球體的形成提供了良好的環(huán)境。除了在微載體上接種，細(xì)胞還可以被封裝在具有核-殼結(jié)構(gòu)的水凝膠微載體中，這種微載體是基于雙乳液液滴制備的。如圖4（b）[58]所示，癌細(xì)胞被包埋在微載體的核心中，以獲得無(wú)血管的微腫瘤。這些微載體與基質(zhì)細(xì)胞組裝成3D血管化腫瘤，用于腫瘤研究。與普通水凝膠微載體相比，核-殼微載體具有更好的細(xì)胞包埋性。圖4（c）[59]為在固體水凝膠微載體中培養(yǎng)的胰島細(xì)胞與在核-殼微載體中培養(yǎng)的胰島細(xì)胞的比較，結(jié)果表明后者具有良好的細(xì)胞包埋性以及免疫保護(hù)作用。除了固態(tài)的水凝膠核心，核-殼微載體的核心也可以是液體。Kang等[60]將細(xì)胞懸浮液與培養(yǎng)基一起注入核心，同時(shí)利用海藻酸鹽溶液形成微載體的外殼。研究人員發(fā)現(xiàn)，在核-殼微載體的核心中培養(yǎng)的細(xì)胞比在固體水凝膠微載體中培養(yǎng)的細(xì)胞更容易聚集[圖4（d）]，這對(duì)單個(gè)胚胎體的形成是有利的。

與雙乳液的形成類似，多重乳液液滴可以通過(guò)多液滴反應(yīng)器或一步乳化法制備。圖4（e）[60]為具有三分支的三重微載體的微流控裝置。Kang等[60]利用這一設(shè)備制備微載體，其核心是干細(xì)胞，周圍層是分化細(xì)胞，外殼用于負(fù)載熒光標(biāo)記、磁操控的多功能微珠或藥物遞送。

3. 微流控纖維在醫(yī)用增材制造領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1. 微流控紡絲

微流控紡絲技術(shù)被用于構(gòu)造具有不同形態(tài)、組分和結(jié)構(gòu)的纖維狀組織，其在芯片設(shè)計(jì)和操控方面與上文提到的液體微流控技術(shù)類似[19,42,61-64]。如圖5（a）[62]所示，用于生成微纖維的微流控芯片中的流體的流動(dòng)方式主要有交叉流、聚合流和并行流三種。其中，并行流是穩(wěn)定構(gòu)建纖維材料的一種溫和且應(yīng)用較為廣泛的方式。在并行流過(guò)程中，內(nèi)相（核）和外相（殼）兩組分流體通過(guò)兩個(gè)共軸通道在微流控芯片的連接處交匯，流體的黏度、界面張力等參數(shù)，以及設(shè)備的幾何結(jié)構(gòu)都會(huì)影響流體在芯片通道中的流動(dòng)。由于流體在通道內(nèi)的雷諾數(shù)較小，流體在通道內(nèi)將始終保持層流狀態(tài)而無(wú)湍流情況發(fā)生，內(nèi)相和外相流體受制于兩相界面處的緩慢擴(kuò)散?；诹黧w動(dòng)力學(xué)，兩相流體形成同軸結(jié)構(gòu)，于通道內(nèi)原位固化并經(jīng)出口擠出成纖維。

用于構(gòu)建微流控纖維的材料種類繁多，大致可劃分為自然提取材料和人工合成材料[65-71]。自然提取材料主要由海藻酸鈉、透明質(zhì)酸、殼聚糖和瓊脂糖等多糖以及膠原蛋白、明膠和纖維蛋白等蛋白質(zhì)組成。基于這類材料的物理/化學(xué)交聯(lián)，可形成具有水凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的高度生物相容微纖維。雖然自然提取材料具有良好的生物相容性，但是機(jī)械強(qiáng)度低、改性困難等材料固性在一定程度上限制了其在微流控技術(shù)中的應(yīng)用。相比之下，人工合成材料是高度工程化的，可以通過(guò)對(duì)其改性來(lái)系統(tǒng)地研究材料結(jié)構(gòu)、功能和性能之間的關(guān)系，諸如聚乙二醇二甲基丙烯酸酯（PEGDA）、聚乳酸-羥乙酸共聚物（PLGA）和聚（N-異丙基丙烯酰胺）（pNIPAM）此類典型的人工合成材料，這些材料在固化后可被用于微流控紡絲技術(shù)制備功能性纖維。

不同的纖維材料對(duì)應(yīng)不同的固化成型方式，如圖5（b）[72]所示的光聚合、離子交聯(lián)和溶劑交換。在光聚合過(guò)程中[圖5（b-i）]，光聚物和光引發(fā)劑作為核流被擠出，并在紫外線的照射下誘導(dǎo)聚合以形成纖維的骨架結(jié)構(gòu)，而鞘流則作為潤(rùn)滑劑以加速固化后纖維的擠出。雖然光聚合方式具有簡(jiǎn)單、快捷的聚合特性，然而基于光聚合方式的微纖維材料的應(yīng)用受限于其潛在的細(xì)胞毒性及缺乏生物降解性。對(duì)離子交聯(lián)來(lái)說(shuō)，最具代表性的是海藻酸鹽和Ca2+之間的交聯(lián)反應(yīng)[圖5（b-ii）]。在此過(guò)程中，海藻酸鹽和Ca2+分別作為核流和鞘流被注射進(jìn)微流控芯片通道，并在兩相流體交匯的瞬間即發(fā)生交聯(lián)固化。與離子交聯(lián)聚合類似，在溶劑交換法中，核流和鞘流組分分別被替換成溶劑相和非溶劑相流體[圖5（b-iii）]。值得一提的是，基于擴(kuò)散效應(yīng)的組分交換也可誘導(dǎo)微流控內(nèi)相的固化以生成微纖維，這種方式在基于PLGA這種聚合材料的微纖維生成中應(yīng)用較廣。利用微流控技術(shù)可以連續(xù)生成不同形狀、組成和結(jié)構(gòu)的微纖維，其小尺寸、高比表面積、多孔水凝膠結(jié)構(gòu)和良好的生物相容性使微纖維成為理想的細(xì)胞培養(yǎng)平臺(tái)。

圖3. 不同微流控裝置制備多室微載體。（a）PDMS芯片[55]；（b）玻璃毛細(xì)管芯片[56]。

3.2. 微纖維的特殊形態(tài)和結(jié)構(gòu)

基于微流控技術(shù)，微纖維以一種溫和且連續(xù)的方式生成，并展現(xiàn)出高比表面積、生產(chǎn)方式靈活且可重復(fù)，以及形態(tài)和組分可調(diào)控的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。因此，負(fù)載細(xì)胞的微纖維也在細(xì)胞研究和組織工程領(lǐng)域被寄予厚望[73,74]。迄今為止，構(gòu)建具有特殊形態(tài)和結(jié)構(gòu)的細(xì)胞負(fù)載微纖維受到越來(lái)越多的關(guān)注和研究。Zhao等[75]利用玻璃毛細(xì)管微流控裝置成功構(gòu)建了具有可伸縮性的螺旋型海藻酸鹽纖維[圖6（a）]?；诹黧w聚焦原理和擴(kuò)散效應(yīng)，海藻酸鈣微纖維在原位生成并通過(guò)離子交聯(lián)快速成型。此外，研究發(fā)現(xiàn)，改變裝置內(nèi)流體的流動(dòng)速率可在微纖維收集裝置中觀察到微纖維的4種不同的流動(dòng)形態(tài)（阻塞型、波浪型、直線型和螺旋型）[76]。如圖6（b）所示，通過(guò)擴(kuò)大內(nèi)相流與外相流流速的比值，可將該理論進(jìn)一步應(yīng)用于螺旋型微纖維的制備[76]。由于兩相流動(dòng)速率的差異，使得通道內(nèi)流體剪切力不穩(wěn)定，從而進(jìn)一步導(dǎo)致微纖維形態(tài)轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象發(fā)生。這種新式的螺旋型微纖維被廣泛用于心肌細(xì)胞力學(xué)傳感器的構(gòu)建，并在心臟器官芯片研究領(lǐng)域起著關(guān)鍵的作用。

除螺旋結(jié)構(gòu)外，還可以針對(duì)微流控通道進(jìn)行改進(jìn)和修飾以構(gòu)建形態(tài)和結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的微纖維。Seki等[77]設(shè)計(jì)了一種微流控裝置，該裝置由三通道入口網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合一個(gè)平頭微噴管構(gòu)成，負(fù)載/不負(fù)載細(xì)胞的海藻酸鈉的溶液首先被注入多通道網(wǎng)絡(luò)，然后通過(guò)特殊的平頭微噴管組合在一起，再一同被擠出形成片層狀條帶微纖維[圖6（c）] [77]。肝癌細(xì)胞和成纖維細(xì)胞被包埋于這種片層狀微纖維中，用于模擬肝臟的微結(jié)構(gòu)。如圖6（d）所示，Lee等[78]通過(guò)一個(gè)計(jì)算機(jī)控制的氣動(dòng)閥單獨(dú)控制微流控裝置的輸入端，可數(shù)控編碼生成連續(xù)、平行或者混合體系的海藻酸鹽微纖維。此外，研究人員還利用帶有溝槽的柱形毛細(xì)管成功構(gòu)建了表面帶有溝槽結(jié)構(gòu)的管狀纖維[圖6（e）] [78]，且溝槽結(jié)構(gòu)基于通道幾何特性和流速等參數(shù)高度可控，隨后這種表面帶有溝槽結(jié)構(gòu)的微纖維被證實(shí)有助于神經(jīng)元細(xì)胞的定向排列。除上述兩種具有不同形態(tài)、結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)的微纖維外，還可以通過(guò)微流控系統(tǒng)交替控制流體相的流動(dòng)行為以形成串珠型纖維。基于該理論，Zhao等[79]將微納紡絲技術(shù)和材料乳化效應(yīng)進(jìn)行了巧妙的結(jié)合，生成了一種液滴串聯(lián)纖維的復(fù)合結(jié)構(gòu)，這給串珠型微纖維的生成提供了實(shí)例模板[圖6（f）]。一些研究人員還采用甲基丙烯酸化明膠（GelMA）等光聚物替代乳化效應(yīng)以在微纖維上形成串珠，用于3D細(xì)胞培養(yǎng)。此外，其他設(shè)計(jì)也被用于生產(chǎn)串珠型微纖維，如將氣泡和液滴包埋進(jìn)海藻酸鹽微纖維[78,80]。

圖4. 以雙乳液和多重乳液液滴為模板構(gòu)建的微載體。（a）多孔微載體[57]；（b）具有核-殼結(jié)構(gòu)的水凝膠微載體[58]；（c）具有改進(jìn)的細(xì)胞封裝的核-殼微載體[59]；（d）具有液體內(nèi)核的微載體[60]；（e）三重微載體[60]。

除上文主要討論的實(shí)心微纖維外，一些具有核-殼結(jié)構(gòu)、中空結(jié)構(gòu)和多組分結(jié)構(gòu)的微纖維也備受關(guān)注。如圖7（a）所示，Zhao等[75,81]對(duì)常規(guī)的微纖維紡絲毛細(xì)管裝置進(jìn)行改進(jìn)，使流體在其中具有多個(gè)輸入端和分層同步輸出端，最終得到具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的微纖維。其中，以內(nèi)相海藻酸鹽通道為基礎(chǔ)，再向其中插入一個(gè)或數(shù)個(gè)CaCl2毛細(xì)管通道[圖7（a-i）]。當(dāng)海藻酸鹽相與CaCl2相接觸時(shí)，海藻酸鹽在內(nèi)、外界面處發(fā)生瞬時(shí)交聯(lián)，隨后具有單個(gè)或多個(gè)中空結(jié)構(gòu)的微纖維被連續(xù)擠出。若想進(jìn)一步生成帶有多個(gè)組分結(jié)構(gòu)的微纖維，則需要用多管道毛細(xì)管代替原始單通道作為輸入端通道[圖7（a-ii）]，在此過(guò)程中，位于海藻酸鹽溶液中的多相流體被同步注入毛細(xì)管并在原位固化。由于流體的雷諾數(shù)較低，層流效應(yīng)在微流控通道內(nèi)發(fā)生，流體間無(wú)明顯的擴(kuò)散混合現(xiàn)象發(fā)生，使得微纖維中不同組分間的界面線清晰明顯。有趣的是，選擇將中空纖維微流控裝置和多組分微流控裝置結(jié)合使用后，可得到具有中空和多組分兩種結(jié)構(gòu)性質(zhì)的微纖維[圖7（a-iii）]。在微流控技術(shù)領(lǐng)域中，制作具有特殊形態(tài)和結(jié)構(gòu)的微纖維的裝置并不局限于玻璃毛細(xì)管，PDMS微流控芯片也是一種被廣泛應(yīng)用的微流控裝置。如圖7（b）所示，Qin等[82]在一項(xiàng)研究中開發(fā)了一種創(chuàng)新的PDMS微流控芯片，該種芯片具有分層、多層和微通道的結(jié)構(gòu)，可制備多孔、多組分的微流控纖維。這種芯片由內(nèi)層流體相、中層水凝膠支架相和外層殼相三層結(jié)構(gòu)組成，與玻璃毛細(xì)管微流控裝置相比，PDMS微流控芯片具有較好的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。

圖5. 微流控紡絲技術(shù)與微纖維的聚合。（a）微流控芯片中流體的不同流動(dòng)方式[62]；（b）各相流體的三種聚合方式[72]。

3.3. 微纖維集成的3D 細(xì)胞結(jié)構(gòu)

得益于微纖維穩(wěn)定、易操控以及生成方式平緩和良好的生物相容性，負(fù)載細(xì)胞的微纖維被通過(guò)各種方式進(jìn)行體外組裝成3D細(xì)胞結(jié)構(gòu)。Fukuda等[83]將磁性納米顆粒包埋入微纖維，然后在磁場(chǎng)的作用下將微纖維聚集在支撐模型中，以實(shí)現(xiàn)3D結(jié)構(gòu)[圖8（a）]。這種組裝方法對(duì)負(fù)載細(xì)胞的損傷可以忽略不計(jì)。此外，Lee等[84]利用微流控紡絲技術(shù)成功制備了純殼聚糖基微纖維，然后使用X-Y軸可調(diào)的纏繞器將微纖維纏繞成3D結(jié)構(gòu)[圖8（b）]。微纖維中負(fù)載的肝癌細(xì)胞經(jīng)一段時(shí)間培養(yǎng)后，自組裝成球狀體并具有較高水平的肝臟功能特異性表達(dá)。Juncker等[85]開發(fā)了基于微流控直寫技術(shù)（MFDW）的3D細(xì)胞結(jié)構(gòu)搭建技術(shù)，將固化的海藻酸鹽微纖維從受電機(jī)控制的微流控噴頭中擠出，在載物臺(tái)上一層層堆積形成特定的3D結(jié)構(gòu)[圖8（c）] [85]。Takeuchi等[86]設(shè)計(jì)了一種實(shí)驗(yàn)室級(jí)別的微流控編織機(jī)[圖8（d）]，該設(shè)備以負(fù)載細(xì)胞的功能性纖維為紡織單元，隨后對(duì)其進(jìn)行高度集成。這項(xiàng)技術(shù)的基本原理是通過(guò)玻璃毛細(xì)管噴射微纖維，然后在編織機(jī)的作用下編織成2 cm × 1 cm的3D細(xì)胞實(shí)體。

如圖8（e）[81]所示，除編織外，逐層堆積也是構(gòu)建3D細(xì)胞結(jié)構(gòu)的重要手段，因此生物3D打印技術(shù)在3D細(xì)胞結(jié)構(gòu)搭建方面被寄予厚望。如圖8（f）[87]所示，研究人員將微流控噴頭整合到生物3D打印機(jī)上即可打印多組分纖維集成結(jié)構(gòu)。此外，3D打印技術(shù)的多噴頭打印特性可以實(shí)現(xiàn)微流控多噴頭的3D打印[圖8（f-iii）]，進(jìn)而構(gòu)建更為復(fù)雜、更貼合體內(nèi)組織結(jié)構(gòu)特性的工程組織。

圖6. 具有不同形態(tài)、結(jié)構(gòu)的微纖維。（a）海藻酸鹽微纖維[75]；（b）螺旋型微纖維[76]；（c）條帶型微纖維[77]；（d）編碼型海藻酸鹽微纖維[78]；（e）溝槽型微纖維[78]；（f）串珠型微纖維[79]。

4. 應(yīng)用

基于微流控技術(shù)形成的液滴或微纖維具有尺寸調(diào)節(jié)方便、組成成分多樣及結(jié)構(gòu)可控的優(yōu)勢(shì)。微流體的形成不需要高溫或高壓條件，只需要構(gòu)建一個(gè)相對(duì)溫和的環(huán)境。因此，一些包括細(xì)胞在內(nèi)的對(duì)環(huán)境敏感的生命體，可以在液滴或微纖維中培養(yǎng)而不會(huì)失去其功能活性。這些獨(dú)特的性質(zhì)使得通過(guò)微流控制備的細(xì)胞負(fù)載的微載體或微纖維，在醫(yī)用增材制造方面具有一定的應(yīng)用性[88-112]。

4.1. 細(xì)胞定向

細(xì)胞外基質(zhì)影響不同類型細(xì)胞的形態(tài)和排列方式[88-90]。目前利用微流控紡絲微纖維引導(dǎo)不同類型細(xì)胞定向生長(zhǎng)已被廣泛報(bào)道，如成肌細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、心肌細(xì)胞和神經(jīng)元細(xì)胞等。Scheibel等[91]對(duì)在膠原微纖維中孵育72 h后的神經(jīng)元NG108-15的細(xì)胞形態(tài)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元NG108-15細(xì)胞沿著微纖維軸方向發(fā)生了軸突生長(zhǎng)（最長(zhǎng)可達(dá)100 μm）。Lee等[92]提出用連續(xù)微流控技術(shù)制造一種帶有溝槽結(jié)構(gòu)的微纖維，并對(duì)帶溝槽結(jié)構(gòu)的纖維和光滑纖維上神經(jīng)元細(xì)胞的生長(zhǎng)狀況進(jìn)行比較[圖9（a）]，發(fā)現(xiàn)在帶溝槽結(jié)構(gòu)的纖維中大多數(shù)神經(jīng)元細(xì)胞沿溝槽定向生長(zhǎng)，而在平滑纖維上的神經(jīng)元細(xì)胞隨機(jī)排列。結(jié)果表明，微纖維表面的溝槽結(jié)構(gòu)有助于神經(jīng)元細(xì)胞的定向生長(zhǎng)。此外，還有學(xué)者研究了微纖維尺寸對(duì)黏附細(xì)胞排列方向的影響[93]，發(fā)現(xiàn)成纖維細(xì)胞在PLGA微纖維上生長(zhǎng)時(shí)，隨著微纖維尺寸的減小，細(xì)胞沿著纖維取向定向排列增加。

圖7. 不同微流控裝置制得的多中空、多組分微纖維。（a）玻璃毛細(xì)管裝置[75,81]；（b）PDMS裝置[82]。

圖8. 微纖維集成3D細(xì)胞結(jié)構(gòu)的不同方法。（a）磁誘導(dǎo)[83]；（b）纏繞器[84]；（c）微流控直寫[85]；（d）微流控纖維編織機(jī)[86]；（e）逐層堆疊[81]；（f）生物3D打印[81]。STP：三聚磷酸鈉。

除了帶溝槽結(jié)構(gòu)的纖維外，通過(guò)其他方法構(gòu)建的圖案化微纖維也具有引導(dǎo)細(xì)胞定向生長(zhǎng)的能力[94,95]。Zhang等[94]基于開爾文-亥姆霍茲不穩(wěn)定性波的形成原理，構(gòu)造了一種表面具有定向排列的亞微米結(jié)構(gòu)的海藻酸鹽微纖維。通過(guò)調(diào)節(jié)纖維的灌注速度和紡絲速度來(lái)調(diào)整水凝膠紡絲制得微纖維的亞微米形態(tài)，以此改變細(xì)胞生長(zhǎng)的定向性。PC12細(xì)胞在表面具有剪切花紋的微纖維上培養(yǎng)時(shí)呈現(xiàn)沿纖維軸定向生長(zhǎng)的趨勢(shì)，但在培養(yǎng)皿或者光滑纖維上生長(zhǎng)時(shí)呈現(xiàn)隨機(jī)排列的趨勢(shì)[圖9（b）]

[94]。如圖9（c）[95]所示，通過(guò)3D打印微流體構(gòu)建的3D微纖維網(wǎng)絡(luò)，也具有引導(dǎo)細(xì)胞定向生長(zhǎng)的功能。在空氣中打印一種表面具有程序化周期褶皺的殼聚糖支架，發(fā)現(xiàn)L929成纖維細(xì)胞在支架中沿著殼聚糖纖維絲方向定向生長(zhǎng)。

4.2. 3D 細(xì)胞培養(yǎng)

細(xì)胞易受微環(huán)境的影響，微環(huán)境會(huì)影響細(xì)胞的形態(tài)、黏附、遷移、增殖和分化[96,97]。與傳統(tǒng)的2D培養(yǎng)相比，3D培養(yǎng)的優(yōu)勢(shì)在于能夠模擬細(xì)胞間的相互作用和體內(nèi)的微環(huán)境[98,99]，且3D培養(yǎng)能夠在體外重構(gòu)組織的3D結(jié)構(gòu)以及恢復(fù)組織生理學(xué)的部分功能。因此，細(xì)胞3D培養(yǎng)技術(shù)在細(xì)胞生物學(xué)、藥物研發(fā)、組織工程等領(lǐng)域至關(guān)重要?，F(xiàn)已有多種細(xì)胞3D培養(yǎng)的方法[100-102]。由于微流控技術(shù)具有可構(gòu)建仿生體系、高通量制造、形狀及細(xì)胞微環(huán)境可控等優(yōu)勢(shì)，其生成的微載體或微纖維已經(jīng)成為一種新型的3D細(xì)胞培養(yǎng)平臺(tái)。目前研究人員在這個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)開展了大量的研究工作。

Wang Y和Wang J [103]開發(fā)了一種液滴微流控的方法，采用由海藻酸鈉和人工基底膜交聯(lián)形成的水凝膠微載體制備腫瘤多細(xì)胞球體。將人宮頸癌細(xì)胞（HeLa細(xì)胞）包埋在微載體內(nèi)，細(xì)胞間緊密相連。用抗腫瘤藥物測(cè)試在微載體中形成的HeLa細(xì)胞球體，發(fā)現(xiàn)腫瘤多細(xì)胞球體在體外具有模擬腫瘤特性的能力。這種制備腫瘤多細(xì)胞球體的微流控方法可用于細(xì)胞間相互作用的研究、腫瘤的治療和高通量抗腫瘤藥物的篩選。He等[104]用微流控技術(shù)制備了一種包裹胚胎干細(xì)胞（ES細(xì)胞）的核-殼結(jié)構(gòu)微載體，這種微載體在ES細(xì)胞的3D培養(yǎng)中表現(xiàn)出良好的促聚集和促增殖的能力。且與2D培養(yǎng)相比，3D培養(yǎng)的ES細(xì)胞保持了更高的多能性。此外，研究人員將細(xì)胞封裝在具有核-殼結(jié)構(gòu)的微載體中進(jìn)行培養(yǎng)，通過(guò)用不同種類的生物相容性聚合物取代核-殼結(jié)構(gòu)中的核材料，研究細(xì)胞微環(huán)境對(duì)細(xì)胞3D培養(yǎng)的影響[105]。這種仿生3D細(xì)胞技術(shù)在發(fā)育生物學(xué)和高通量藥物篩選方面具有較好的應(yīng)用發(fā)展前景。Leong等[106]更為詳盡地對(duì)細(xì)胞球狀體在微載體中培養(yǎng)的微環(huán)境進(jìn)行評(píng)估[圖9（d-i）]。研究人員用油層代替水凝膠外殼，簡(jiǎn)化了封裝過(guò)程，同時(shí)降低了各相的黏度要求。如圖9（d-ii）[106]所示，由于與油中的兩親性表面活性劑相結(jié)合，液滴微流控系統(tǒng)在150 min后即可誘導(dǎo)形成球狀體，而現(xiàn)有的其他技術(shù)則需要1～4 d。此外，分別用海藻酸鈉和海藻酸鈉-精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（-RGD）將hMSC包裹在核-殼結(jié)構(gòu)中形成球狀體，其中后者展現(xiàn)出增強(qiáng)的細(xì)胞成骨分化能力[圖9（d-iii）、（d-iv）[106] ]。結(jié)果表明，可以微調(diào)微環(huán)境，如改變液滴微流控系統(tǒng)的內(nèi)芯材料，從而促進(jìn)細(xì)胞分化。

負(fù)載細(xì)胞的微纖維在3D細(xì)胞培養(yǎng)中也起著重要作用。如圖9（e）所示，Zhao等[75]用海藻酸鹽微纖維進(jìn)行細(xì)胞3D培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)肝癌細(xì)胞（HepG2細(xì)胞）在微纖維中增殖并聚集形成球狀體。用連續(xù)微流控紡絲制得負(fù)載細(xì)胞的微纖維，可獲得大量的細(xì)胞球體。通過(guò)破壞海藻酸鈣凝膠的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)釋放出細(xì)胞球體，以進(jìn)行后續(xù)研究與應(yīng)用。另外，該研究還探究了不同微纖維結(jié)構(gòu)對(duì)細(xì)胞性能的影響。

4.3. 組織構(gòu)建

將工程化的微載體、微纖維經(jīng)過(guò)組裝或堆疊成任意的3D結(jié)構(gòu)，可以體外構(gòu)建3D細(xì)胞結(jié)構(gòu)。Takeuchi等[107]將大量負(fù)載細(xì)胞的膠原蛋白微載體堆疊到設(shè)計(jì)好的硅樹脂組分中[圖10（a）]，由于位于微載體表面的細(xì)胞間存在黏附作用，無(wú)需添加任何黏合劑，從而快速構(gòu)建了宏觀3D細(xì)胞模型。He等[58]用類似方法進(jìn)行自下而上組裝，在體外構(gòu)建了人類乳腺血管瘤。在這項(xiàng)研究中，研究人員首先將癌細(xì)胞在微載體中進(jìn)行3D培養(yǎng)，以獲得無(wú)血管的微腫瘤，然后將其與內(nèi)皮細(xì)胞和其他基質(zhì)細(xì)胞組裝在一起制造出人工血管瘤。人工血管瘤比無(wú)血管的微腫瘤或2D培養(yǎng)的癌細(xì)胞表現(xiàn)出更高的耐藥性，這表明了細(xì)胞外微環(huán)境的重要性。Zhao等[81]利用微流控技術(shù)制備了具有生物活性的微纖維以建立多種形態(tài)的3D結(jié)構(gòu)，并首次構(gòu)建了能夠裝載人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞（HUVEC）的中空水凝膠微纖維。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，HUVEC附著在中空微纖維的內(nèi)界面上，鋪展形成在成分和結(jié)構(gòu)上與血管相似的單層細(xì)胞管。隨后，通過(guò)堆疊或交叉紡織微纖維構(gòu)建了多層結(jié)構(gòu)或網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，這在仿生微纖維網(wǎng)絡(luò)組織方面具有一定的應(yīng)用前景。除了基于微載體或微纖維構(gòu)建3D細(xì)胞模型，Wallace等[108]使用手持式微流控生物打印方法構(gòu)建了3D類腦結(jié)構(gòu)模型[圖10（b）]。這種自由形成的3D結(jié)構(gòu)具有分層結(jié)構(gòu)，由多肽修飾的生物聚合物和裝載的原代神經(jīng)細(xì)胞組成。如圖10（b-iii）所示，在該3D結(jié)構(gòu)模型中形成了多層神經(jīng)回路，推動(dòng)了對(duì)腦部疾病病發(fā)機(jī)理與大腦學(xué)習(xí)和記憶功能相關(guān)的研究。

圖9. 細(xì)胞定向和細(xì)胞3D培養(yǎng)在醫(yī)用增材制造領(lǐng)域的應(yīng)用。（a）～（c）細(xì)胞定向[92,94,95]；（d）、（e）細(xì)胞球狀體制作[106,75]。

4.4. 細(xì)胞治療

可將在負(fù)載細(xì)胞的微載體或微纖維中注射水凝膠材料、生物活性物質(zhì)或者治療性細(xì)胞的方法應(yīng)用于醫(yī)學(xué)移植、傷口愈合和組織再生領(lǐng)域[109,110]。這些方法能夠復(fù)制組織結(jié)構(gòu)功能，在微創(chuàng)植入方面具有巨大的潛力和前景。因而這些方法在這一領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越受到人們的重視，各類相關(guān)的研究成果相繼問(wèn)世。

Takeuchi等[86]探討了負(fù)載細(xì)胞微纖維在醫(yī)學(xué)移植中治療糖尿病的適用性。他們首先用海藻酸鹽-瓊脂雙交聯(lián)互穿網(wǎng)絡(luò)（IPN）水凝膠包裹負(fù)載有胰島細(xì)胞的微纖維，以避免纖維發(fā)生纖維化反應(yīng)，同時(shí)保護(hù)細(xì)胞免受免疫攻擊。然后，他們將被水凝膠包裹的負(fù)載有胰島細(xì)胞的微纖維植入糖尿病小鼠體內(nèi)，小鼠血糖濃度逐漸恢復(fù)正常。相反地，直接在小鼠體內(nèi)注射負(fù)載有等量原代胰島細(xì)胞卻不起作用。這一結(jié)果證實(shí)了負(fù)載有原代胰島細(xì)胞的微纖維對(duì)糖尿病具有治療能力。Zhao等[111]提出了一種新型微纖維，負(fù)載維生素金屬有機(jī)骨架（MOF），用于傷口愈合[圖10（c）]。在通過(guò)微流控紡織具有核-殼結(jié)構(gòu)的海藻酸鹽微纖維的過(guò)程中，MOF在原位合成了。微纖維高度可控的核-殼結(jié)構(gòu)使得負(fù)載的MOF可被溫和地釋放，從而具有抗菌和抗氧化能力。當(dāng)將微纖維制成的薄膜應(yīng)用于皮膚創(chuàng)口感染的小鼠模型時(shí)，釋放出的銅離子、鋅離子和生物相容的維生素配體加速了組織創(chuàng)傷的愈合過(guò)程。除了在創(chuàng)傷愈合上的應(yīng)用，Segura等[52]還開發(fā)了一種構(gòu)建塊的方法，以獲得基于微載體可注射的組織仿生結(jié)構(gòu)，并將其輸送到傷口部位用于傷口愈合。如圖10（d）[52]所示，注射組織的仿生結(jié)構(gòu)的傷口愈合速度明顯快于其他對(duì)照組。傷口愈合的速度由3D仿生結(jié)構(gòu)模型中微載體孔隙的大小決定。

負(fù)載干細(xì)胞的微載體或微纖維已經(jīng)在細(xì)胞治療方面展現(xiàn)出一定的應(yīng)用前景。攜帶干細(xì)胞的微載體或微纖維在被注射入體內(nèi)后能夠迅速降解，使細(xì)胞在體內(nèi)釋放。例如，人臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞（HUCMSC）在注射4 d后即從微載體中釋放出來(lái)，并表現(xiàn)出良好的增殖特性和成骨分化能力[112]。另外，負(fù)載干細(xì)胞的微載體或微纖維具有良好的生物相容性，有望用作長(zhǎng)期運(yùn)輸治療因子的新平臺(tái)。綜上所述，負(fù)載功能細(xì)胞（無(wú)論是高度分化的細(xì)胞還是干細(xì)胞）的微載體或微纖維在細(xì)胞治療和再生醫(yī)學(xué)中展現(xiàn)出極為重要的作用。

圖10. 組織構(gòu)建和細(xì)胞治療在醫(yī)用增材制造中的應(yīng)用。（a）、（b）組織構(gòu)建[107,94]；（c）、（d）創(chuàng)傷愈合[111,52]。MOF：金屬有機(jī)骨架。

5. 總結(jié)與展望

本文針對(duì)負(fù)載細(xì)胞的微載體、微纖維的微流控生成技術(shù)及其在醫(yī)用增材制造領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行綜述。從對(duì)液滴微流控和微流控紡絲技術(shù)的原理介紹開始，闡述了基于微流控技術(shù)的特殊形態(tài)、結(jié)構(gòu)的微載體和微纖維的生成，并著重介紹了將負(fù)載細(xì)胞的微載體和微纖維進(jìn)行體外組裝成復(fù)雜3D細(xì)胞結(jié)構(gòu)的各種方法。負(fù)載細(xì)胞的微載體、微纖維具有良好的機(jī)械性能、加工特性和生物相容性，未來(lái)將會(huì)在細(xì)胞定向、細(xì)胞3D培養(yǎng)、組織構(gòu)建和細(xì)胞治療等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

盡管微流控技術(shù)在醫(yī)用增材制造領(lǐng)域已經(jīng)取得了不少開創(chuàng)性的成果，但一些科學(xué)問(wèn)題依然需要解決且該學(xué)科仍具有長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展前景。主要涉及以下三個(gè)問(wèn)題：其一，雖然具有復(fù)雜形態(tài)、結(jié)構(gòu)的微載體在體外構(gòu)建仿生3D細(xì)胞結(jié)構(gòu)過(guò)程中起到關(guān)鍵作用，然而鑒于微流控裝置的固有特性，目前這種微載體的大規(guī)模生成面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。文中提到，PDMS和玻璃毛細(xì)管是制造微流控裝置最常用的材料。基于PDMS的微流控芯片具有規(guī)?；梢旱蔚膬?yōu)勢(shì)，而使用玻璃毛細(xì)管構(gòu)造的微流控裝置可穩(wěn)定生成結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的微流控液滴。若將上述兩種方式的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，則有機(jī)會(huì)推動(dòng)新一代微流控裝置的誕生，并為具有復(fù)雜形態(tài)和結(jié)構(gòu)的微載體的規(guī)?；a(chǎn)提供潛力。其二，人工體外構(gòu)建的細(xì)胞3D結(jié)構(gòu)與體內(nèi)天然組織結(jié)構(gòu)之間存在較大的差異。一方面，在細(xì)胞種類、形態(tài)、排列和結(jié)合位點(diǎn)等方面模擬天然組織的非均質(zhì)結(jié)構(gòu)需要付出巨大努力；另一方面，細(xì)胞外微環(huán)境和細(xì)胞間的相互作用在維持體內(nèi)組織的生理功能方面發(fā)揮著重要作用，可通過(guò)在工程組織中附加適合的天然組織源材料以更好地模擬體內(nèi)環(huán)境。其三，目前工程組織搭建方式的可控性和精度都較低，在復(fù)雜的微小組織搭建方面并不適用，此時(shí)則需要借助器械裝置。生物3D打印是一種具有廣闊前景的機(jī)器構(gòu)建宏觀細(xì)胞組織的方式，可用微流控芯片噴頭對(duì)生物3D打印機(jī)單口噴頭進(jìn)行替換以實(shí)現(xiàn)對(duì)多種生物墨水的控制。除上述三個(gè)主要問(wèn)題外，用于長(zhǎng)期遞送治療因子或分化細(xì)胞的負(fù)載細(xì)胞的微載體、微纖維的開發(fā)，及其在器官芯片領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用同樣值得期待。

致謝

本研究得到國(guó)家重點(diǎn)研究發(fā)展計(jì)劃（2020YFA0908200）、國(guó)家自然科學(xué)基金（22002061、52073060、61927805）、 江 蘇 省 自 然 科 學(xué) 基金（BE2018707）、江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新基金[CX(20)3051]的資助。

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