生物相容性树脂改善微流体芯片

麻省理工学院的研究人员已经在3D上印刷了一种新型微流体装置，可模拟活检肿瘤组织的癌症治疗，因此临床医生可以更好地检查个体患者对不同治疗方法的反应 - 在给予单剂量之前。

今天测试癌症治疗主要依靠试验和错误;患者可能会经历多次耗时且难以忍受的治疗，以追求有效的治疗方法。最近的药物开发创新涉及培养人工肿瘤以测试特定癌症类型的药物。但是这些模型需要数周才能成长，并且不能解释个体患者的生物化妆，这会影响治疗效果。

研究人员的设备可以在大约一个小时内打印出来，是一个略大于四分之一的芯片，有三个圆柱形的“烟囱”从表面上升。这些端口用于输入和排出流体，以及去除不需要的气泡。将活检的肿瘤碎片置于与通道网络连接的腔室中，所述通道网络将包含例如免疫治疗剂或免疫细胞的流体递送至组织。然后，临床医生可以使用各种成像技术来观察组织对药物的反应。

一个关键特征是使用一种新的生物相容性树脂 - 传统上用于牙科应用 - 可以支持活检组织的长期存活。虽然以前的3D打印微流体技术有望用于药物测试，但树脂中的化学物质通常可以快速杀死细胞。研究人员捕获荧光显微镜图像，显示他们的设备，称为肿瘤分析平台(TAP)，使超过90%的肿瘤组织存活至少72小时，并且可能更长。

研究人员表示，由于3-D印刷设备制造简单，成本低廉，因此可以快速实施到临床环境中。例如，医生可以打印出可以并行支持多个肿瘤样本的多路复用设备，以便同时为单个患者建模肿瘤碎片和许多不同药物之间的相互作用。

“世界上任何地方的人都可以打印我们的设计。可以预见，在未来，你的医生将有一个3-d打印机，可以打印出所需的设备，”路易斯·费尔南多·贝拉斯克斯-加西亚，在微系统技术实验室的研究员和共同作者在说纸描述该装置，该装置出现在12月份的“微机电系统杂志”上。“如果有人患有癌症，你可以在我们的设备中取一些组织，保持肿瘤活着，并行进行多项检查，找出最适合患者生物化妆的方法。然后在患者身上实施这种治疗。“

一个有前景的应用是测试免疫疗法，这是一种使用某些药物来增强患者免疫系统以帮助它对抗癌症的新治疗方法。(今年的诺贝尔生理学或医学奖授予两位免疫疗法研究人员，他们设计了阻止某些蛋白质阻止免疫系统攻击癌细胞的药物)。研究人员的设备可以帮助医生更好地识别个体可能对其做出反应的治疗方法。

“已经专门开发了免疫疗法，以靶向在癌细胞表面发现的分子标记物。这有助于确保治疗直接引发对癌症的攻击，同时限制对健康组织的负面影响。然而，每个人的癌症都表达了一系列独特的表面分子 - 因此，很难预测谁将对哪种治疗做出反应。我们的设备使用了人的实际组织，因此非常适合免疫治疗，“第一作者Ashley Beckwith SM '18说，他是Velásquez-García研究小组的研究员。

支持细胞

微流体装置传统上通过微模塑制造，使用称为聚二甲基硅氧烷(PDMS)的橡胶状材料。然而，这种技术不适合创建三维网络特征 - 例如精心设计的流体通道 - 模仿活细胞上的癌症治疗。相反，研究人员转向3D打印，以“整体”制作一个功能齐全的设备 - 意味着一次性打印一个物体，而无需组装单独的部件。

该设备的核心是它的树脂。经过几个月的大量树脂试验，研究人员终于登陆了Pro3dure GR-10，它主要用于制作防止磨牙的护齿器。该材料几乎与玻璃一样透明，几乎没有任何表面缺陷，并且可以以非常高的分辨率印刷。而且，重要的是，正如研究人员所确定的那样，它不会对细胞存活产生负面影响。

该团队对树脂进行了96小时的细胞毒性测试，该测试将细胞暴露于印刷材料并测量材料对细胞的毒性。96小时后，材料中的细胞仍在踢。“当你打印其他一些树脂材料时，它们会散发出与细胞混在一起并杀死它们的化学物质。但这并没有这样做，“Velasquez-Garcia说。“据我所知，没有其他可印刷材料接近这种程度的惰性。好像材料不在那里。“

设置陷阱

设备上的另外两个关键创新是”气泡陷阱“和”肿瘤陷阱“。流入这种设备的流体会产生气泡，可能会破坏实验或破裂，释放破坏肿瘤组织的空气。

为了解决这个问题，研究人员创造了一个气泡捕捉器，一个粗壮的“烟囱”从流体通道上升到一个螺纹端口，空气通过该端口逸出。流体 - 包括各种介质，荧光标记物或淋巴细胞 - 被注入陷阱附近的入口。流体通过入口进入并流过捕集器，其中流体中的任何气泡通过螺纹端口上升并离开装置。然后将流体绕一个小的U形转弯进入肿瘤腔室，在那里它流过肿瘤碎片并在肿瘤碎片周围流动。

该肿瘤捕获室位于较大入口通道和四个较小出口通道的交叉处。通过气泡捕集器将小于1毫米的肿瘤碎片注入入口通道，这有助于去除加载时引入的气泡。当流体从入口流过装置时，肿瘤被引导向下游到肿瘤陷阱，在那里碎片被捕获。流体继续沿着出口通道行进，出口通道太小而不能使肿瘤装入内部，并从装置中排出。连续的液体流动使肿瘤碎片保持在原位并不断补充细胞的营养。

“因为我们的设备是3D打印的，所以我们能够在我们想要的材料中制作出我们想要的几何形状，以实现我们想要的性能，而不是在设计和实现之间做出妥协 - 这通常发生在使用标准的微细加工，“Velásquez-García说。他补充说，3D打印可能很快成为微流体和其他需要复杂设计的微系统的主流制造技术。

在这个实验中，研究人员表明，他们可以保持肿瘤碎片存活，并通过使组织发光的荧光标记物实时监测组织活力。接下来，研究人员旨在测试肿瘤碎片如何对真正的治疗方法做出反应。

“传统的PDMS不能制造出这种体外环境所需的结构，这种结构可以使肿瘤碎片在相当长的一段时间内保持活力，”斯坦福大学电气工程教授Roger Howe表示，他没有参与研究。“你现在可以制造非常复杂的流体室，这将允许更加真实的环境，以便快速测试各种肿瘤药物，并且可能在临床环境中，是一项重大贡献。”

Howe还赞扬了研究人员在寻找合适的树脂和设计方面做出的努力。“他们应该把这些信息放在那里，因为[以前]不知道你是否有材料或印刷技术来实现这一目标，”他说。现在“它是一种民主化的技术。”

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