摘要：水凝膠是細胞三維培養及組織體外構建的最理想材料，顯然也是構造器官芯片（微流控+微組織）的最理想平臺。然而目前的微加工工藝多用來加工硅、硅橡膠、聚合物等材料，迄今為止缺乏穩定可靠的水凝膠微制造方法，這也嚴重制約了水凝膠在微流控芯片中的應用。

有沒有可能發展出穩定的水凝膠微流控芯片制造方法？這幾年課題組一直在探索有無可能基于全水凝膠構造微流控芯片，并在這種高生物相容性的芯片上進一步構造出器官芯片，為器官芯片的制造提供全新的思路。

基于二次交聯的凝膠基微流控芯片制造工藝及原理

我們提出了一種制備水凝膠基微流控芯片的新方法：設計了芯片二次交聯策略，可實現具有任意復雜內部流道的凝膠基三維微流控芯片的制造。該芯片的一個顯著特點是：不同層芯片間的鍵合強度和芯片本體一致。

我們采用常用的細胞三維培養用的水凝膠：海藻酸鹽、明膠、GelMA制造了水凝膠芯片，并對其機械性能及生物學性能進行了系統的分析，研究發現采用課題組所產業化的GelMA生物水凝膠制造的芯片具有最佳的性能，可快速促進芯片上細胞的功能化形成。

利用這種新型的水凝膠微流控芯片，我們建立了體外血管模型，CD31、Vinculin及Ve-Cadherin抗體染色表明，我們成功構建出了接近體內血管功能的血管芯片。隨后通過炎癥誘導因子的加載，模擬了動脈粥樣硬化等病理條件下血管的炎癥反應。本芯片可于組織血管化過程、心血管疾病、器官芯片、腫瘤藥物篩選等領域。

帶有復雜內部流道的水凝膠芯片

浙江大學機械工程學院賀永教授課題組發明了一種基于二次交聯的凝膠基微流控芯片制造新方法，能夠構造具有不同復雜內部流道的凝膠芯片，進而接種血管內皮細胞，形成具有血管形態和功能的血管模型。通過凝膠基血管芯片的構建不僅可以模擬血管的主要功能，還可以借助微流控手段施加各種流體剪切及生物因子的刺激。實現在時間和空間上重現體內的血管環境，它可以應用于血管化過程研究，心血管疾病研究，體外組織工程器官芯片的構建，腫瘤藥物篩選等。本方法可實現微流道高強度封裝，便于物理剪切力、生物因子等施加刺激；同時水凝膠也為營養滲透以及分子擴散提供了高效支撐。

相關論文Vessel-on-a-chip with Hydrogel-based Microfluidics近日刊登在WILLY旗下的Small雜志上。第一作者為聶晶博士生、高慶博士后、王怡棟生，通訊作者為賀永教授和轉化醫學院的陳偉教授。

一直以來，器官芯片的基底材質通常是PDMS，塑料、硅等適合于微加工的材料，水凝膠可否作為微流控芯片的材料呢？我們設計了一種Bottom-Up的芯片制造策略，先加工出帶有微槽的水凝膠層（每層水凝膠含有兩種水凝膠材料，一種用于固化，一種用于后續的二次交聯），然后將水凝膠層堆疊拼裝，進行二次交聯，實現三維水凝膠微流控芯片制造。用這種方法，可制造帶有螺旋形流道、分叉流道、蛇形流道、多層互通流道等的水凝膠芯片。

基于二次交聯方法構造的水凝膠基血管芯片

流道上的內皮細胞逐漸貼壁，增殖，軸向及徑向布滿整個流道，自發對齊，形成網絡結構，流道開始實現血管化，Vinculin蛋白（一種細胞與細胞外基質/細胞與支架之間相互作用的關鍵蛋白細胞）的表達驗證了細胞與流道材料間聯系的產生，細胞間連接蛋白VE-Cadherin的表達表明了細胞之間形成緊密的相互連接，細胞之間實現明顯的交流，內皮細胞功能蛋白CD31的表達進一步驗證了血管功能化的實現。此外，通過炎癥誘導因子的加載，模擬了動脈粥樣硬化等病理條件下血管的炎癥反應。

本方法的優點有：

1.凝膠基微流控芯片的構建得益于水凝膠材料的固有交聯性質，無需引入任何其他材料。

2.二次交聯原理可以應用于任意具有不同交聯體系的水凝膠組合。

3.獲得的凝膠基微流控芯片沒有任何結合面分界線，完全結合為一個整體。4.方便構建各種復雜形式的內部流道。

5.具有良好的生物相容性，可以實現血管功能化。