用于细胞培养和细胞提取的可逆键合微流控装置
与传统的2D细胞培养相比，微流控芯片能够支持细胞在3D中采用更多生理相关的形态，因此微流控芯片已成为细胞培养中的重要工具。目前，在制造过程中通常使用不可逆键合方法，即芯片不能在不破坏结构的情况下从其基板上分离，这使得很难对在芯片上培养的细胞进行进一步分析。尽管已经开发出一些可逆粘合技术，但它们要么仅限于某些材料，例如玻璃，要么需要复杂的加工程序。香港科技大学化学与生物工程系研发了一种简单且可逆的聚二甲基硅氧烷 （PDMS）-聚苯乙烯（PS）键合技术，该技术允许器件在加压时承受长时间操作，并支持长期稳定的细胞培养。更重要的是，它支持快速、温和地提取活细胞，以便在长期芯片培养后进行下游操作和表征，甚至进一步传代培养。该方法可以极大地促进基于微流控芯片的细胞和组织培养，克服当前的分析局限性，并为芯片上培养物的下游使用开辟新的途径，包括用于生物医学应用的3D工程组织结构。
微流控设备在细胞生物学领域得到了广泛的应用。如使用微流控技术成功构建了3D肿瘤模型、细胞相互作用模型和器官芯片，以阐明生物学机制和促进药物研发。传统的聚二甲基硅氧烷（PDMS）芯片通常不可逆地粘合到基板上，因此除非器件被破坏，否则无法“打开”。这使得此类设备适用于长期细胞培养，但即使在胰蛋白酶的帮助下，也难以从设备中有效提取大量活细胞进行下游操作。因此，这一障碍限制了在微流控设备中分析细胞的方法，将它们限制在成像、批量分子分析或简单的片上染色测定中。
在PDMS和基板之间实现可逆键合是解决这一限制的可能方法。虽然通过等离子体处理和化学改性（如1%APTES处理）可以很容易地实现器件的紧密不可逆粘合，但仍然很难开发稳定、长期的可逆粘合方法。现有的可逆粘合方法适用于有限范围的器件-基板材料对，或者需要复杂的加工程序。例如，创建可逆键的最简单方法是增加PDMS的厚度，并在不进行等离子处理的情况下粘接到玻璃上。但这种方法不太可靠，并且存在低压耐受性，在加压或长时间使用下泄漏的风险很高，这使得它不适合长期细胞培养或需要加压泵送和控制的场景。最近，研究人员提出了一种基于玻璃的器件制造方法，以实现可逆键合和温和的细胞提取。这种方法中的可逆键是通过两个高清洁度的玻璃玻片之间的水脱水而产生的，因此需要中性清洁剂和持续施加外力来形成粘结。但是，该方法与PDMS设备不兼容。因此，对适用于常用器件基板材料的通用且简单的可逆粘合方法的需求仍然存在。
创建可逆键的另一种常见方法是在器件内提供牺牲层，该牺牲层可以使用多种材料进行设计，例如聚甲基丙烯酸甲酯 （PMMA）、聚碳酸酯 （PC）、聚苯乙烯 （PS） 和聚对苯二甲酸乙二醇酯 （PET）。Thompson等人使用胶带在复杂设备中建立可逆粘合，但低生产量和尚未确定的生物相容性限制了该方法的使用。类似地，有机硅基软皮肤粘合剂可以与PDMS混合，在PDMS器件及其基材之间形成一个牺牲层，用于长期细胞培养。但这种粘合剂的低粘附特性可能会影响器件上的细胞附着，从而影响细胞生物力学或芯片功能。
香港科技大学化学与生物工程系的研究人员提出了一种制造可逆粘合微流控器件的新方法（为方便起见，以下称为“可逆器件”；类似地，以下“不可逆器件”是指其基板无法手动从盖板中分离的常规PDMS玻璃器件），这是通过用低浓度（≤0.5%）（3-氨丙基）三乙氧基硅烷（APTES）溶液处理热塑性塑料（聚焦PS）来实现的。低浓度APTES溶液引入少量胺基团进行共价键合，并使PS表面粗糙，从而增强范德华力，总体上导致PS和PDMS之间稳定且可逆的键合（图1）。除了台式等离子清洗机外，该过程不需要其他设备，并且可以在洁净室外进行，这使得大多数制造PDMS设备的实验室都可以使用，并且与大多数基于PDMS的设备制造工作流程兼容。研究人员通过在具有高细胞活力的芯片上进行长期稳定的细胞培养，以及在芯片上显示肿瘤球状体形成作为附加应用，证明了这种类型的可逆键合器件的生物相容性。此外，通过芯片上的血管细胞培养和血管网络形成实验说明了这种表面处理的生物相容性。接下来，通过PDMS板的快速手工剥离从芯片中取出细胞，并通过细胞计数、细胞回收实验和流式细胞术验证了活细胞提取的高效性。最后，研究人员使用具有多个隔室的设备设计来共培养不同的细胞类型，展示了可逆键合设备兼容2D和3D细胞培养，这进一步扩展了这种键合方法的多功能性。这种可逆键合方法提供了一种强大且可扩展的芯片制造工艺，具有高度的生物相容性，并允许从微流控器件中温和地提取细胞，有助于理解细胞行为及其背后的机制。
图1.A.常规不可逆粘接装置和细胞提取的工艺流程
B.可逆键合装置和快速细胞提取的工艺流程
总体而言，这种用于微芯片的可逆键合方法是微流控技术的重要补充，可实现更广泛的器官芯片研究。开发这种用于可逆键合制造和高效细胞提取的多功能和用户友好型方法可能会对微流控的生物医学应用产生重大影响，推动细胞培养和器官芯片的进一步发展以及药物发现、疾病建模和细胞相互作用分析等后续研究。
参考文献：
Feng X, Wu Z, Cheng LKW, et.al. Reversibly-bonded microfluidic devices for stable cell culture and rapid, gentle cell extraction. Lab Chip. 2024 Jul 1.
Kirkstall 智能3D细胞类器官培养系统设备功能用途
利用培养基循环流动，模拟血流，低剪切应力环境，结合3D培养构建细胞类器官体外模型，更贴近人体的体内环境。通过将流动引入体外环境，精准提高了您研究的生理相关性，为类器官研究提供了理想的工具，使您能够生成更准确的模型，大大提高对结果有效性的信心。从而研究者能够更高效、可靠地培养类器官，加速药物研发和生物医学研究的进程。广泛应用于干细胞培养和分化，癌症研究，药物和毒性筛选及组织工程等领域。
全球使用Kirkstall Quasi Vivo® 3D细胞类器官培养系统的学术及研究机构已超过100+个，遍布美国、英国、法国、瑞典、奥地利、意大利、荷兰、瑞士、日本等。目前Quasi Vivo智能3D细胞类器官培养系统被成功用于下列三维细胞类器官培养：
品牌制造商简介
Kirkstall Ltd.成立于2006年，是Braveheart Investment Group plc的子公司，总部位于英国约克。Kirkstall开发了一种创新的3D细胞类器官培养微生理系统Quasi Vivo®。作为3D细胞类器官技术的领导者，Kirkstall已经建立了牛津大学生物医学工程研究所等著名的大学实验室的庞大用户群，产品在全球范围内享有盛誉。
微流控设备在细胞生物学领域得到了广泛的应用。如使用微流控技术成功构建了3D肿瘤模型、细胞相互作用模型和器官芯片，以阐明生物学机制和促进药物研发。传统的聚二甲基硅氧烷（PDMS）芯片通常不可逆地粘合到基板上，因此除非器件被破坏，否则无法“打开”。这使得此类设备适用于长期细胞培养，但即使在胰蛋白酶的帮助下，也难以从设备中有效提取大量活细胞进行下游操作。因此，这一障碍限制了在微流控设备中分析细胞的方法，将它们限制在成像、批量分子分析或简单的片上染色测定中。
在PDMS和基板之间实现可逆键合是解决这一限制的可能方法。虽然通过等离子体处理和化学改性（如1%APTES处理）可以很容易地实现器件的紧密不可逆粘合，但仍然很难开发稳定、长期的可逆粘合方法。现有的可逆粘合方法适用于有限范围的器件-基板材料对，或者需要复杂的加工程序。例如，创建可逆键的最简单方法是增加PDMS的厚度，并在不进行等离子处理的情况下粘接到玻璃上。但这种方法不太可靠，并且存在低压耐受性，在加压或长时间使用下泄漏的风险很高，这使得它不适合长期细胞培养或需要加压泵送和控制的场景。最近，研究人员提出了一种基于玻璃的器件制造方法，以实现可逆键合和温和的细胞提取。这种方法中的可逆键是通过两个高清洁度的玻璃玻片之间的水脱水而产生的，因此需要中性清洁剂和持续施加外力来形成粘结。但是，该方法与PDMS设备不兼容。因此，对适用于常用器件基板材料的通用且简单的可逆粘合方法的需求仍然存在。
创建可逆键的另一种常见方法是在器件内提供牺牲层，该牺牲层可以使用多种材料进行设计，例如聚甲基丙烯酸甲酯 （PMMA）、聚碳酸酯 （PC）、聚苯乙烯 （PS） 和聚对苯二甲酸乙二醇酯 （PET）。Thompson等人使用胶带在复杂设备中建立可逆粘合，但低生产量和尚未确定的生物相容性限制了该方法的使用。类似地，有机硅基软皮肤粘合剂可以与PDMS混合，在PDMS器件及其基材之间形成一个牺牲层，用于长期细胞培养。但这种粘合剂的低粘附特性可能会影响器件上的细胞附着，从而影响细胞生物力学或芯片功能。
香港科技大学化学与生物工程系的研究人员提出了一种制造可逆粘合微流控器件的新方法（为方便起见，以下称为“可逆器件”；类似地，以下“不可逆器件”是指其基板无法手动从盖板中分离的常规PDMS玻璃器件），这是通过用低浓度（≤0.5%）（3-氨丙基）三乙氧基硅烷（APTES）溶液处理热塑性塑料（聚焦PS）来实现的。低浓度APTES溶液引入少量胺基团进行共价键合，并使PS表面粗糙，从而增强范德华力，总体上导致PS和PDMS之间稳定且可逆的键合（图1）。除了台式等离子清洗机外，该过程不需要其他设备，并且可以在洁净室外进行，这使得大多数制造PDMS设备的实验室都可以使用，并且与大多数基于PDMS的设备制造工作流程兼容。研究人员通过在具有高细胞活力的芯片上进行长期稳定的细胞培养，以及在芯片上显示肿瘤球状体形成作为附加应用，证明了这种类型的可逆键合器件的生物相容性。此外，通过芯片上的血管细胞培养和血管网络形成实验说明了这种表面处理的生物相容性。接下来，通过PDMS板的快速手工剥离从芯片中取出细胞，并通过细胞计数、细胞回收实验和流式细胞术验证了活细胞提取的高效性。最后，研究人员使用具有多个隔室的设备设计来共培养不同的细胞类型，展示了可逆键合设备兼容2D和3D细胞培养，这进一步扩展了这种键合方法的多功能性。这种可逆键合方法提供了一种强大且可扩展的芯片制造工艺，具有高度的生物相容性，并允许从微流控器件中温和地提取细胞，有助于理解细胞行为及其背后的机制。
图1.A.常规不可逆粘接装置和细胞提取的工艺流程
B.可逆键合装置和快速细胞提取的工艺流程
参考文献：
Feng X, Wu Z, Cheng LKW, et.al. Reversibly-bonded microfluidic devices for stable cell culture and rapid, gentle cell extraction. Lab Chip. 2024 Jul 1.
Kirkstall 智能3D细胞类器官培养系统设备功能用途
利用培养基循环流动，模拟血流，低剪切应力环境，结合3D培养构建细胞类器官体外模型，更贴近人体的体内环境。通过将流动引入体外环境，精准提高了您研究的生理相关性，为类器官研究提供了理想的工具，使您能够生成更准确的模型，大大提高对结果有效性的信心。从而研究者能够更高效、可靠地培养类器官，加速药物研发和生物医学研究的进程。广泛应用于干细胞培养和分化，癌症研究，药物和毒性筛选及组织工程等领域。
全球使用Kirkstall Quasi Vivo® 3D细胞类器官培养系统的学术及研究机构已超过100+个，遍布美国、英国、法国、瑞典、奥地利、意大利、荷兰、瑞士、日本等。目前Quasi Vivo智能3D细胞类器官培养系统被成功用于下列三维细胞类器官培养：
品牌制造商简介
Kirkstall Ltd.成立于2006年，是Braveheart Investment Group plc的子公司，总部位于英国约克。Kirkstall开发了一种创新的3D细胞类器官培养微生理系统Quasi Vivo®。作为3D细胞类器官技术的领导者，Kirkstall已经建立了牛津大学生物医学工程研究所等著名的大学实验室的庞大用户群，产品在全球范围内享有盛誉。
