哈佛科学家首次3D打印集成传感系统的芯片上器官

近日，哈佛大学Wyss生物工程研究所和哈佛John A. Paulson工程和应用科学院的研究人员制造出了首个完整的带集成传感系统的3D打印芯片上的器官（Organ-on-a-Chip）。据悉，该3D打印芯片上的器官是通过一个完全自动化、数字化的制造过程打造的，能够自定义其尺寸、形状和其它物理属性，而且能够很快制造出来，使研究人员能够在培养过程中有更多的次数轻松地收集可靠的数据。该研究发表在《Nature Materials》杂志中。

“这种新型可编程的构建芯片上的器官的方法使我们能够轻松地通过集成传感系统更改和自定义系统的设计，同时也大大简化了数据采集。”Johan Ulrik Lind博士说，他是论文的第一作者和SEAS、Wyss研究所的博士后研究员。

“我们的微加工方法为体外组织工程、毒理学和药物筛选研究开辟了新的途径。”该研究的高级合著者Kit Parker补充说。

芯片上的器官可以模拟自然组织的功能与结构，已经成为传统动物实验的一个很有前途的替代解决方案。Wyss研究所的研究团队在Parker &Wyss创始主任和核心教员Donald Ingber博士的领导下已经开发出能够模拟心脏、肌肉、舌头、肺、肠、肾、骨髓的微结构和功能的器官芯片。

不过，针对芯片上的器官的制备和数据收集过程相当昂贵和辛苦。目前，这些设备都需要使用一种复杂的多步骤光刻工艺在洁净室里制造，而数据收集往往需要显微镜或高速照相机。

“我们的方针通过数字化制造同时解决这两个挑战。”Travis Busbee说，他是该项目的研究人员之一。“通过为多材料3D打印开发新的可打印油墨，我们得以自动化制造流程，同时增加了设备的复杂性。”

据悉，研究人员们开发了6种不同的油墨，这些油墨可以将软应变传感器集成到组织的微结构当中。通过一个连续的单一过程，该团队将这些材料3D打印进了一个带集成传感器的心脏微生理装置——也就是芯片上的心脏。

“我们正在通过在打印的装置中开发和集成多种功能性材料推动3D打印技术的发展。”Jennifer Lewis博士说，她是全球3D打印研究领域的权威以及Hansjörg Wyss生物工程教授，也是该研究的高级合著者。“这项研究有力地证明了我们的平台是如何能够被用于打造功能齐全、带检测装置的芯片以用于药物筛选和疾病建模检测的芯片的强大示范"。

这些芯片包含了多个“井（Well）”，每个都有单独的组织和集成的传感器，可以让研究人员一次研究多个设计的心肌组织。为了展示设备的效能，科学家们用它进行了药物研究和设计的心肌组织收缩应力的长期渐变研究，这些渐变会在几个星期里出现。

“由于缺乏一种简单、非入侵的方式来衡量组织的功能表现，当在心肌发育和成熟的过程中出现渐变的时候，研究人员往往只能在黑暗中摸索。”Lind说：“这些集成的传感器可以让研究人员在组织成熟和改善其收缩力的过程种连续不断地收集数据。同样地，他们也能够研究组织暴露在毒素之下的渐变性影响。”