微納3D打印高通量類器官芯片，解決細胞生長難題

近日，來自南昌大學第一附屬醫院、復旦大學、摩方精密、昆明醫科大學等聯合研究團隊，成功研發出一款新型類器官培養平臺，可用于培養厘米級腫瘤或器官源。該類器官芯片由摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術3D打印制備，內部集成微米級仿生微血管網絡，并引入灌注裝置以模擬血流動力學特征，在實現營養液持續供給與全浸沒培養的同時，有效克服了類器官因營養獲取不足導致的尺寸受限難題。這一研發成果不僅使體外構建大尺度腫瘤及正常組織模型成為可能，還為藥效毒理評估與類器官標準化生產提供了創新解決方案。

圖.利用摩方微納3D打印技術制造帶有血管的類器官芯片

類器官（Organoid）和器官芯片（Organs-on-chips）作為體外培養的微型器官模型，近十年已在藥物測試和疾病研究中嶄露頭角。然而其發展始終受制于一個致命缺陷——缺乏血管網絡，從而導致營養無法滲透至核心區域，無法模擬真實器官的代謝功能。

當然，更深層的問題在于制造工藝。微流控芯片的通道精度需達到10微米以下才能模擬毛細血管，但光刻等傳統技術難以構建三維分支網絡。而普通3D打印通常卡在50微米關口，細胞生長的空間囚籠由此形成。

01技術突破，微納3D打印重構生命通道

微納3D打印技術的出現，使微納尺度制造跨入新紀元。摩方精密開發的microArch? S230A微納3D打印系統，具備2微米超高光學精度，支持生物相容性樹脂材料打印，能夠實現中空管狀網絡的直接成型。以自研毛細血管器官芯片結構為例，整體尺寸為18 mm(L)x10 mm(W)x5 mm(H)，結構內部共5層流道，每層有14行平行通道（尺寸為25μm），且每條通道上均有間隔300 μm的梯形界面小孔，孔徑尺寸為7-10 μm，可進行細胞培養的艙內尺寸為10 mm(L)x6 mm(W)x2 mm(H)。

可有效解決器官芯片血管化網絡構建、跨器官代謝模擬等關鍵制造難題，為構建具備臨床預測價值的器官芯片提供更多可行性方案。

02創新應用，三大科研場景的重構

·3D打印血管化類器官芯片

為解決類器官技術缺乏復雜血管網絡而導致的氧氣及必需營養物質輸送受限問題，來自南昌大學第一附屬醫院、復旦大學、摩方精密、昆明醫科大學等聯合研究團隊成功開發出可培養厘米級腫瘤或器官源類器官的新型培養平臺。相關成果以“Vascularized organoid-on-a-chip for centimeter-scale organoid cultivation”發表于著名期刊《Bio-Design and Manufacturing》上。

研究為模擬生理相關性更強的毛細血管網絡，類器官芯片采用中空管狀結構設計，單管道內徑80μm、壁厚20μm，相鄰通道間距400μm。每根通道周向均勻分布四組寬度＜10μm的狹縫，沿管道軸向以300μm為間隔周期性排布。裝置入口與出口直徑均為0.75mm，整體由摩方精密microArch? S230 （光學精度：2μm）超高精度3D打印系統一體化成型制備而成。

研究團隊成功構建了肺癌類器官、子宮內膜癌類器官和腎臟類器官，并實現體外培養周期突破30天，同時將組織尺寸擴展至厘米級。同時，精確復現藥物反應機制，為新型基因治療策略提供了創新平臺，有望加速基因療法臨床轉化并提升治療效益。

論文鏈接：https://doi.org/10.1631/bdm.2400424

·乳腺癌細胞外滲檢測芯片

中國東南大學王著元教授團隊提出了一種將3D打印器官微流控芯片與基于SERS的蛋白質印跡納米材料(SPIN)相結合來研究體外外滲過程。該芯片由膠原凝膠通道和血管通道組成，其中依次注射人靜脈內皮細胞和乳腺癌細胞以誘導外滲。實驗團隊通過比較兩種乳腺癌細胞亞型 （MCF-7 和 MDA-MB-231），成功地通過熒光成像觀察到了兩種細胞之間外滲能力的差異。同時，由于分子印跡技術的高特異性和表面增強拉曼散射 （SERS） 的高靈敏度，SPINs 被用于實時分析復雜生物液中幾種癌癥分泌物（白細胞介素-6 和白細胞介素-8）的濃度。此外，實驗模型表明，治療藥物對分泌物的下調可以抑制乳腺癌的外滲。

研究團隊利用摩方nanoArch? P150（精度：25μm）3D打印系統制備模具后經翻模得到微流控芯片（通道高度為300、600μm，注射口直徑為4mm），這種微流控模型將為癌癥轉移的基礎研究，評估潛在藥物的治療效果提供新思路。

DOI：10.1002/adhm.202302104

·高精度3D打印微流控芯片的載藥微球制造工藝

北京大學南昌創新研究院（以下簡稱“北大南昌院”）與重慶摩方精密科技有限公司聯合共建的精密增材制造技術聯合實驗室（以下簡稱“實驗室”），攜手北京某研究院，在基于高精度3D打印微流控芯片技術的載藥微球制備領域取得了重要技術突破。實驗室利用摩方精密超高精度微納3D打印系統，研發出了高通量、高均勻度載藥微球制備的微流控芯片。

實驗室自主設計研發出一款高通量、雙乳化微流控芯片，該芯片采用模塊化架構，由多個集成化微流控單元構成。每個微流控單元基于水包油包水（W/O/W）雙乳化模板，可實現單乳化向雙乳化體系的高效轉化，精確制備W/O/W型微球，在藥物遞送系統和生物分析等領域具有重要應用價值。

為滿足不同規模的生產需求，實驗室還創新性地開發了多通道梯度化芯片系列，包括單、12、48、96及204通道等多種規格。其中，單、12通道芯片適用于實驗室小規模探索性研究；48、96通道芯片可滿足中等通量制備需求；204通道芯片則支持高通量規模化生產（圖3）。這種梯度化的通道設計確保了實驗精度，同時顯著提升了制備效率，為微球的批量化生產搭建了穩固的技術平臺。

可定制化設計微流控芯片

03未來挑戰，生命藍圖的精密重繪

根據Markets And Markets統計顯示，全球器官芯片市場到2029 年將達到631,073,000 美元。該市場的增長主要受到多種因素的推動，例如越來越重視無動物藥物測試，以及制藥和生物技術公司越來越多地采用器官芯片技術進行藥物發現和開發。然而，由于當前器官芯片技術的可擴展性有限且通量低，該技術的使用僅限于臨床前藥物開發階段。隨著生物工程、材料工程、機械工程等多學科的融合，將進一步攻堅器官芯片制造技術，加速科技成果向產業化落地。

另外，政策支持同步加碼，2021年，中國 “十四五” 重點研發專項便將 “類器官芯片關鍵技術” 列為核心攻關方向。今年4月，美國FDA新規計劃逐步取消傳統動物實驗，轉而采用實驗室培養的類器官和器官芯片技術測試藥物安全性。全球政策的轉向不僅印證了芯片在模擬人體生理環境方面的科學公信力，更揭示了其在現代醫學研究中的基礎設施地位。摩方精密高精度微納3D打印技術，正通過構建高通量、高精度、高性能生物芯片的制造能力，為疾病治療、組織工程及新藥開發等前沿領域持續輸送創新動力。