大连理工大学王华楠|BF编辑优选：基于亚稳乳液高通量制备载细胞微凝胶
本篇研究来自大连理工大学王华楠教授课题组。本文主要介绍了一种以微流控液滴技术为基础，结合运用亚稳态乳液体系以及微流控集成策略，在保持高细胞活性的条件下实现了载细胞微凝胶的一步法连续高通量生产。
文章介绍
Haoyue Zhang（张昊岳）, Liyuan Zhang（张丽媛）, Chuanfeng An（安传锋）, Yang Zhang, Fei Shao, Yijie Gao, Yonghao Zhang, Hanting Li, Yujie Zhang, Changle Ren, Kai Sun, Wei He, Fang Cheng, Huanan Wang（王华楠） and David A Weitz
通讯作者：
■ 王华楠，大连理工大学
图1 所设计的高通量集成芯片结构、实物图以及皮肤创伤修复模型
我们提出了一种以微流控液滴技术为基础，结合运用亚稳态乳液体系以及微流控集成策略，在保持高细胞活性的条件下实现了载细胞微凝胶的一步法连续高通量生产。
图2 亚稳态乳液系统工作机理以及其与传统表面活性剂乳液工艺对比
首先，我们创新性的使用了一类两性短链氟化醇（PFAs）作为表面活性剂，并以此构建能够短暂保持稳定的亚稳态乳液体系。使用亚稳乳液体系制备微凝胶颗粒时，两相间较低的界面张力能够实现微液滴的均匀稳定制备，并在液滴接触前的短暂稳定窗口内完成海藻酸水凝胶的交联固化过程；同时，在微液滴接触后，其亚稳特性可使乳液立刻完成破乳步骤，以达到产品分离的目的。我们证明了其构建的亚稳乳液体系具有良好的生物相容性，其中包埋于微凝胶内的小鼠间充质干细胞的细胞存活率>98%。
图3 高通量集成芯片实际工作状况以及产品表征
在此基础上，基于计算流体力学（CFD）流量场以及压力场模拟结果，我们设计了一种可包含80个液滴生产单元的集成化芯片模型。进一步实验证明，使用该芯片设计可以实现高粒径均匀度（CV=3.40%）的微液滴连续稳定生产。结合水凝胶体系进一步调整实际生产参数并引入亚稳态乳液体系后，可在百倍于传统生产工艺的产量（10ml/h）条件下，连续稳定制备粒径分布小于4%的载细胞微凝胶产品。在细胞体外培养实验中，证实了微凝胶内细胞存活率大于95%；并在糖尿病大鼠皮肤修复模型中，证明了搭载细胞的功能能够得到保留，以此证明结合亚稳乳液体系的载细胞微凝胶高通量制备工艺所具有的高生物相容性。
图4 使用糖尿病大鼠皮肤创伤修复模型进行载细胞微凝胶产品的功能性表征
微凝胶是一类具有溶胀能力以及溶剂保持能力的微纳米级水凝胶颗粒，利用其多孔溶胀的特性，一类具有高渗透性、高生物相容性的微米级培养单元即可实现构造。活细胞或微组织的引入使这类微单元具有良好的生物活性，使其在细胞递送、细胞治疗、组织重构、3D打印等领域中具有重要的应用前景。已有的基于微模具、微流控技术的载细胞微凝胶（cell-laden microgel）制造工艺已经能够初步达到实验室水平的组织工程、细胞治疗研究需求。然而，这类传统制备工艺复杂的生产工序、较低的生产效率以及较高的生产成本，仍然极大阻碍了这一技术从实验室水平向临床应用领域的发展。
作者介绍
王华楠 教授
大连理工大学
- 王华楠，大连理工大学教授、博士生导师，国家级人才工程入选者，荷兰Rubicon青年学者、辽宁省“百千万人才计划”百人、生物材料学会增材制造分会委员。主要从事生物医用材料和再生医学领域的研究工作，在权威刊物上发表学术论文50余篇，撰写专著和著作章节4篇。承担包括重点研发计划课题和自然科学基金等省部级科研项目8项。
期刊介绍
- 2020年影响因子：9.954
Biofabrication（《生物制造》，BF）是国际生物制造学会的官方期刊，也是第一本关注生物制造过程、建模和设计的研究和开发的专业期刊。BF涵盖了一系列的研究主题，包括：细胞、组织和器官打印、排列和组装；生物合成细胞/生物材料集成系统和医疗设备；载满细胞的微流体装置；芯片集成的细胞/组织/器官；新型3D组织支架制造；生物制造过程和生物制造结构的建模；蛋白质/生物分子打印、排列和组装；集成生物和微/纳米制造。该刊在生物医学工程师、生物化学和医学研究人员中享有盛誉。