器官芯片是一类在体外模拟体内环境并进行相应研究的工具[1]。在器官芯片出现之前，人们对药物及人体生理研究很大程度上依赖于动物实验[2]，而动物实验的成本和时间消耗普遍较细胞实验更高、更多。此外，由于动物在生理条件上与人体存在差异，部分实验结果不能在人体内复现[3]；动物与人体的结构差异也使部分实验无法在动物实验中进行。对器官芯片的应用能减少对实验动物的使用以达到节省成本与时间的目的，并提高相应实验的预测性。已有学者指出，需要通过更精确的人体生理学建模来提高临床前研究的预测能力[4-5]。

过去的器官芯片常常利用光蚀刻技术来制作其芯片基底，将半导体制造和人体细胞培养的优势相结合[6]，这种技术在水平尺度上有非常高的精度。然而，要如实还原体内结构，除了在水平上的精度，还需在垂直尺度上有结构的复现；而光蚀刻加工的结构高度一般在200 μm 以下，并不能满足一些如小肠绒毛等的特殊模拟结构的要求。故而寻找一种新的制作器官芯片的方法对于药物治疗、机制研究和个体化治疗是有意义的。

现有部分研究利用3D 打印技术来完成这个目标，其可以利用3D 打印制作出患者特异性结构的形状[7]。3D 打印技术是一种与传统加工技术不同的增材制造的加工手段，分为生物3D 打印和工业3D 打印两类。生物3D 打印是一种将细胞与基质混合后进行打印的方法。有部分研究利用生物打印制作出活体组织，如骨[8]、耳软骨[9]和肝[10]等器官。由于要保持在基质中混有细胞的活性，目前的生物3D 打印尚不能很好地模拟小肠绒毛等的形貌结构。

本研究采用高精度的3D 打印技术和表面微结构转移相结合的方法，制作出了与人体肠道绒毛尺寸相近的类绒毛结构以及模拟肿瘤表面的类溃疡和类隆起微结构，并比较了在树脂类3D 打印器件上直接培养细胞和通过表面微结构转移所制的聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）器件上培养细胞之间的细胞生长的差异；研究了器件经细胞基质（鼠尾胶原蛋白Ⅰ）表面修饰后对细胞生长状况的影响，以及不同大小、不同形状的模拟表面器件上细胞的生长情况。本研究拟为后续肠道模拟、肿瘤表面模拟及相应机制、药物研究打下前期基础。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 主要细胞 实验细胞为结肠腺癌细胞株Caco-2 细胞，于上海交通大学医学院中心实验室保存。

1.1.2 主要试剂及仪器 3D 打印材料高精度树脂VisiJet Crystal、 清 洗 剂EZRinse-C 和3D 打 印 机（Projet MJP 3600）购置于美国的3D Systems 公司，DMEM 培养基购置于美国Hyclone 公司，PDMS 基质及固化剂（Sylgard 184）购置于美国Dow Corning 公司，鼠尾胶原蛋白Ⅰ、鬼笔环肽-FITC 购置于美国Thermo Fisher 公司，胎牛血清、4',6-二脒基-2-苯基吲哚（DAPI）、胰蛋白酶、杜氏磷酸盐缓冲液（DPBS）、CCK-8 细胞增殖检测试剂盒购置于上海碧云天生物技术有限公司，多聚甲醛、琼脂粉购置于国药集团化学试剂有限公司，激光共聚焦显微镜（FV3000）购置于日本Olympus 公司。

1.2 方法

1.2.1 细胞培养 将Caco-2 细胞接种于含5 mL DMEM培养基（含10%胎牛血清）的细胞培养瓶中，置于37 ℃、5%CO2培养箱中培养，待细胞生长至覆盖培养瓶90%底面区域时用胰蛋白酶消化后，进行细胞传代。

1.2.2 芯片设计及打印 利用autoCAD2016 软件进行3D模型构建，根据人体肠道绒毛尺寸设计了高度为600 μm、直径为200 μm 的模拟小肠绒毛结构。小肠绒毛密度为每平方厘米625 根。为探讨该类打印方法的适用性，根据肿瘤的表面结构，设计了类溃疡结构和类隆起结构。类溃疡结构最高点距离芯片底面的高度为0.5 mm，类隆起结构的高度为1.0 mm。为比较不同表面结构高度对其上细胞生长的影响，还分别设计了高度为0.65、0.50、0.35 和0.20 mm 的类溃疡结构，以及高度为1.30、1.00、0.65 和0.35 mm 的类隆起结构。

使用3D 打印机依据设计图打印器件。将器件放置于65 ℃烘箱中，使支撑材料石蜡融化。利用超声清洗机和玉米油对器件进行清洗，以去除其表面残留的石蜡。将器件表面的食用油用吸油纸吸干后将器件转移至含有EZRinse-C 清洗剂的烧杯中，并再次超声清洗。用流水洗去器件表面的清洗剂后，将器件放于烘箱中烘干。

1.2.3 芯片制作及芯片表面修饰 将打印的3D 模具按照既定方式进行组装，在其设计的模具腔内加入5%的琼脂溶液。待琼脂凝固后，将凝固的琼脂内模具从3D 打印模具中取出；同样的方法制作所需的琼脂外模具。在琼脂外模具内加入未固化的PDMS（单体:聚合剂为10:1），再将琼脂内模具放入其中。将该物品放入真空干燥器中使其处于低压环境，以使PDMS 能充分进入模具的空腔末端。将其放入80 ℃烘箱固化2 h。取出在沸水中溶解其琼脂部分便得到相应所需器件（图1）。

文章来源：《肿瘤药学》 网址: http://www.zlyxzz.cn/qikandaodu/2020/0825/465.html