近日，哈佛大學(xué)Wyss生物工程研究所和哈佛John A. Paulson工程和應(yīng)用科學(xué)院的研究人員制造出了首個(gè)完整的帶集成傳感系統(tǒng)的3D打印芯片上的器官（Organ-on-a-Chip）。據(jù)悉，該3D打印芯片上的器官是通過(guò)一個(gè)完全自動(dòng)化、數(shù)字化的制造過(guò)程打造的，能夠自定義其尺寸、形狀和其它物理屬性，而且能夠很快制造出來(lái)，使研究人員能夠在培養(yǎng)過(guò)程中有更多的次數(shù)輕松地收集可靠的數(shù)據(jù)。該研究發(fā)表在《Nature Materials》雜志中。

“這種新型可編程的構(gòu)建芯片上的器官的方法使我們能夠輕松地通過(guò)集成傳感系統(tǒng)更改和自定義系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，同時(shí)也大大簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)采集。”Johan Ulrik Lind博士說(shuō)，他是論文的第一作者和SEAS、Wyss研究所的博士后研究員。

“我們的微加工方法為體外組織工程、毒理學(xué)和藥物篩選研究開(kāi)辟了新的途徑。”該研究的高級(jí)合著者Kit Parker補(bǔ)充說(shuō)。

芯片上的器官可以模擬自然組織的功能與結(jié)構(gòu)，已經(jīng)成為傳統(tǒng)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的一個(gè)很有前途的替代解決方案。Wyss研究所的研究團(tuán)隊(duì)在Parker &Wyss創(chuàng)始主任和核心教員Donald Ingber博士的領(lǐng)導(dǎo)下已經(jīng)開(kāi)發(fā)出能夠模擬心臟、肌肉、舌頭、肺、腸、腎、骨髓的微結(jié)構(gòu)和功能的器官芯片。

不過(guò)，針對(duì)芯片上的器官的制備和數(shù)據(jù)收集過(guò)程相當(dāng)昂貴和辛苦。目前，這些設(shè)備都需要使用一種復(fù)雜的多步驟光刻工藝在潔凈室里制造，而數(shù)據(jù)收集往往需要顯微鏡或高速照相機(jī)。

“我們的方針通過(guò)數(shù)字化制造同時(shí)解決這兩個(gè)挑戰(zhàn)。”Travis Busbee說(shuō)，他是該項(xiàng)目的研究人員之一?！巴ㄟ^(guò)為多材料3D打印開(kāi)發(fā)新的可打印油墨，我們得以自動(dòng)化制造流程，同時(shí)增加了設(shè)備的復(fù)雜性。”

據(jù)悉，研究人員們開(kāi)發(fā)了6種不同的油墨，這些油墨可以將軟應(yīng)變傳感器集成到組織的微結(jié)構(gòu)當(dāng)中。通過(guò)一個(gè)連續(xù)的單一過(guò)程，該團(tuán)隊(duì)將這些材料3D打印進(jìn)了一個(gè)帶集成傳感器的心臟微生理裝置——也就是芯片上的心臟。

“我們正在通過(guò)在打印的裝置中開(kāi)發(fā)和集成多種功能性材料推動(dòng)3D打印技術(shù)的發(fā)展?！盝ennifer Lewis博士說(shuō)，她是全球3D打印研究領(lǐng)域的權(quán)威以及Hansj?rg Wyss生物工程教授，也是該研究的高級(jí)合著者?！斑@項(xiàng)研究有力地證明了我們的平臺(tái)是如何能夠被用于打造功能齊全、帶檢測(cè)裝置的芯片以用于藥物篩選和疾病建模檢測(cè)的芯片的強(qiáng)大示范"。

這些芯片包含了多個(gè)“井（Well）”，每個(gè)都有單獨(dú)的組織和集成的傳感器，可以讓研究人員一次研究多個(gè)設(shè)計(jì)的心肌組織。為了展示設(shè)備的效能，科學(xué)家們用它進(jìn)行了藥物研究和設(shè)計(jì)的心肌組織收縮應(yīng)力的長(zhǎng)期漸變研究，這些漸變會(huì)在幾個(gè)星期里出現(xiàn)。

“由于缺乏一種簡(jiǎn)單、非入侵的方式來(lái)衡量組織的功能表現(xiàn)，當(dāng)在心肌發(fā)育和成熟的過(guò)程中出現(xiàn)漸變的時(shí)候，研究人員往往只能在黑暗中摸索。”Lind說(shuō)：“這些集成的傳感器可以讓研究人員在組織成熟和改善其收縮力的過(guò)程種連續(xù)不斷地收集數(shù)據(jù)。同樣地，他們也能夠研究組織暴露在毒素之下的漸變性影響。”