肺氣液界面氣體交換導(dǎo)論

肺是呼吸的主要器官，其功能是促進(jìn)血液中的氣體交換。空氣沿著支氣管樹(shù)向下輸送到肺泡囊，在那里氣體與毛細(xì)血管腔通過(guò)空氣-血液屏障進(jìn)行交換(圖1)。

支氣管纖毛排列在呼吸道內(nèi)，它們的跳動(dòng)推動(dòng)粘液和塵埃進(jìn)入呼吸道。肺泡囊內(nèi)襯有肺泡上皮細(xì)胞，這些細(xì)胞與下面的血管內(nèi)皮細(xì)胞共用一層基底膜，形成一層薄薄的氣液界面。對(duì)肺泡上皮細(xì)胞的壓力增加了磷脂(肺表面活性物質(zhì))的產(chǎn)生，從而降低了肺泡壁的表面張力，從而改善了屏障功能。

肺器官芯片微流體：氣液界面的模擬

下一代肺模型將半透膜結(jié)合到微流控三維芯片上器官技術(shù)中，目的是比傳統(tǒng)的二維細(xì)胞培養(yǎng)更接近地模擬復(fù)雜的生理性肺微環(huán)境。由Huh等人設(shè)計(jì)的最先進(jìn)的單芯片肺系統(tǒng)。在Wyss研究所，[1]包含兩個(gè)腔室，模擬充滿空氣的肺泡囊和充滿血液的毛細(xì)管腔，由代表空氣-血液屏障的薄膜隔開(kāi)(圖2)。用柔性硅基有機(jī)聚合物聚二甲基硅氧烷(PDMS)模擬半透膜，在空氣界面種植肺泡上皮細(xì)胞，在血漿界面種植血管內(nèi)皮細(xì)胞。通過(guò)膜兩側(cè)的專用微流控通道通過(guò)真空引入循環(huán)應(yīng)變，以模擬呼吸所面臨的肺泡組織的生理壓力，促進(jìn)生理相互作用和功能的復(fù)制。具體地說(shuō)，相鄰細(xì)胞類型之間形成了連接，產(chǎn)生了肺表面活性物質(zhì)，屏障孔隙度接近生理性。

圖2：肺器官芯片微流控裝置

模型氣液界面的一個(gè)基本特征是它能夠作為細(xì)胞培養(yǎng)的底物。這樣的底物應(yīng)該促進(jìn)細(xì)胞附著、增殖、分化和相互作用，理想情況下，能夠復(fù)制組織的關(guān)鍵功能特征，如氣體滲透性、表面活性物質(zhì)生產(chǎn)和纖毛跳動(dòng)。在這篇綜述中，我們簡(jiǎn)要概述了氣液界面的重要特征，以及目前一些設(shè)計(jì)和修改它們的方法，以優(yōu)化芯片上的肺模型。具體地說(shuō)，我們著重于氣液界面的物理、生化和機(jī)械性質(zhì)的可調(diào)性。

圖3：氣-液界面設(shè)計(jì)和修改的物理、生化和機(jī)械考慮因素綜述

方框1：PDMS。氣-液界面通常用聚二甲基硅氧烷(PDMS)模擬。PDMS的優(yōu)點(diǎn)是成本低、易于快速澆注、透氣性好、光學(xué)透明度高、自發(fā)熒光低。它是柔韌的，相對(duì)柔軟(彈性模數(shù)~1-3兆帕)。經(jīng)等離子體氧化處理后，聚二甲基硅氧烷可與其他材料或自身結(jié)合。缺點(diǎn)包括缺乏細(xì)胞的生物和化學(xué)線索，以及高度疏水性。根據(jù)不同的應(yīng)用，PDMS膜的滲透性、表面特性和柔軟性可能會(huì)因調(diào)整而受益。

微流控裝置中氣液界面的物理設(shè)計(jì)考慮

膜的尺寸、形貌、孔隙率和溶脹等物理性質(zhì)會(huì)影響細(xì)胞的行為(如黏附和遷移)，并影響屏障功能(如滲透性或滲漏)。集成對(duì)各種物理特性的更高控制將促進(jìn)氣液界面的微調(diào)和特定功能的優(yōu)化。

孔隙結(jié)構(gòu)
孔隙率決定了對(duì)氣體和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的滲透性，也調(diào)節(jié)了種植在膜兩側(cè)的細(xì)胞類型的遷移能力和相互作用。聚碳酸酯或聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜是兩種現(xiàn)成的選擇，通常用于模擬氣-液界面，并有多種孔徑可供選擇。多孔網(wǎng)絡(luò)可通過(guò)顆粒浸出、氣體發(fā)泡或冷凍干燥技術(shù)引入PDMS材料?；蛘撸梢允褂弥圃斓哪＞吆脱谀?圖4)以及使用各種光刻或蝕刻技術(shù)應(yīng)用的圖案來(lái)精確定制孔直徑、厚度和孔與孔之間的距離。

圖4.控制襯底孔隙率

拓?fù)?/span>
表面拓?fù)涮峁┑奈锢?/span>(空間)線索調(diào)節(jié)細(xì)胞的附著、鋪展和排列。值得注意的是，細(xì)胞的生理微環(huán)境很少是平坦光滑的表面。調(diào)節(jié)氣液界面的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以更好地模擬組織的復(fù)雜紋理，如呼吸膜的大表面積和高曲率。材料表面可以是光滑的、納米粗糙的，或者用一系列凹槽或定制設(shè)計(jì)圖案化，通過(guò)光刻或蝕刻轉(zhuǎn)移(圖5)[4]?？烧{(diào)參數(shù)包括微槽的間距和高度、它們的相對(duì)方向(平行、半對(duì)齊或隨機(jī))以及邊緣的角度(即矩形或圓形)。

圖5.控制表面粗糙度和圖案化

維度
天然細(xì)胞微環(huán)境的多層幾何結(jié)構(gòu)可以通過(guò)增加支架的維度來(lái)建模。具體地說(shuō)，三維支架增強(qiáng)了細(xì)胞-細(xì)胞界面的形成和組織結(jié)構(gòu)。模仿天然ECM支架的多孔纖維網(wǎng)絡(luò)可以使用靜電紡絲技術(shù)進(jìn)行編織(圖6)。纖維厚度、材料孔隙率和膨脹率可以通過(guò)調(diào)節(jié)流量來(lái)控制。另外，天然紋理的犧牲性鑄造基板(例如，方糖)已被用于將復(fù)雜的三維建筑轉(zhuǎn)移到PDMS。材料的膨脹或收縮程度可以通過(guò)選擇所使用的聚合物和交聯(lián)劑以及交聯(lián)劑的密度來(lái)改變。

圖6.不同流速下PDMS和彈性蛋白的電紡纖維基材

微流控裝置氣液界面的生化設(shè)計(jì)考慮
生物和化學(xué)刺激，如生長(zhǎng)因子、藥物、其他細(xì)胞和細(xì)胞黏附分子，長(zhǎng)期以來(lái)一直被認(rèn)為是細(xì)胞行為的重要調(diào)節(jié)因素(圖7)。對(duì)氣液界面進(jìn)行修飾以加入蛋白質(zhì)和其他生物活性化合物、調(diào)節(jié)底物的潤(rùn)濕性(疏水性)或加入官能團(tuán)是改善在氣液界面培養(yǎng)的細(xì)胞生長(zhǎng)和功能的最常用方法之一。此外，基質(zhì)的選擇應(yīng)確保降解不會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞毒性副產(chǎn)物，也不會(huì)對(duì)基質(zhì)孔隙率、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或機(jī)械性能產(chǎn)生不利影響。

圖7.細(xì)胞行為可能受到細(xì)胞或底物釋放的生物分子或底物副產(chǎn)物的影響

表面疏水性
PDMS是一種疏水聚合物。疏水表面的一個(gè)缺點(diǎn)是許多小分子和熒光藥物或染料非特異性地吸附。等離子體氧化處理使表面親水，但效果只是暫時(shí)的(幾個(gè)小時(shí))。更持久地改善表面潤(rùn)濕性的方法包括涂覆多聚賴氨酸、非離子表面活性劑或吸附或固定配體、蛋白質(zhì)或官能團(tuán)。

基質(zhì)蛋白
PDMS和其他合成聚合物基質(zhì)的細(xì)胞生物相容性通常通過(guò)細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)蛋白的處理而增強(qiáng)，尤其是膠原和纖維連接蛋白[1]，它們促進(jìn)和增強(qiáng)細(xì)胞的附著和增殖。溶液中的蛋白質(zhì)可以通過(guò)涂層或微接觸打印被吸附到PDMS的表面，或者使用一系列策略固定，例如用(3-氨丙基)三乙氧基硅烷(APTES)處理、交聯(lián)劑(例如，戊二醛、基于聚乙二醇基的連接物)或等離子體活化。

官能團(tuán)
可以引入廣泛的官能團(tuán)(例如甲基丙烯酸酯、磷酸鹽、羧基、氨基、硫醇、丁基)，以幫助吸附和/或隔離生物分子，如糖蛋白和生長(zhǎng)因子，以促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)[7]。官能團(tuán)可以通過(guò)接枝或聚合的方法添加，包括表面等離子體活化和化學(xué)修飾。

微流控裝置中氣液界面的機(jī)械設(shè)計(jì)考慮
除了生化和物理信號(hào)外，越來(lái)越清楚的是，機(jī)械應(yīng)力對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)和組織功能同樣重要(圖8)。例如，基質(zhì)硬度可以指導(dǎo)干細(xì)胞分化的譜系，基質(zhì)應(yīng)力松弛(一種粘彈性特性)調(diào)節(jié)細(xì)胞的擴(kuò)散、增殖[10]和支架重構(gòu)，呼吸過(guò)程中施加的機(jī)械應(yīng)力影響納米顆粒通過(guò)肺泡空氣-血液屏障的攝取。與健康組織相比，肺氣腫、纖維組織和癌癥等疾病狀態(tài)會(huì)改變基質(zhì)硬度，影響疾病進(jìn)展、重塑和修復(fù)過(guò)程中的細(xì)胞命運(yùn)。微流控芯片肺培養(yǎng)提供了模擬生理流體切應(yīng)力和呼吸動(dòng)力的方法。因此，機(jī)械可調(diào)襯底有望增強(qiáng)這些模型的功能。

圖8.基質(zhì)硬度和粘彈性影響干細(xì)胞的命運(yùn)

聚合物共混物
PDMS是由長(zhǎng)的柔性單體鏈組成的，這些單體鏈以一定的間隔進(jìn)行交聯(lián)。一旦固化，這種柔性材料相對(duì)較軟(彈性模數(shù)~1-3兆帕)，并表現(xiàn)出較低的粘彈性滯后(能量耗散)。改變基料與固化劑的比例(例如，5：1、10：1、20：1)會(huì)改變拉伸硬度，從而調(diào)節(jié)細(xì)胞生長(zhǎng)。然而，使用非化學(xué)計(jì)量的堿基與連接物的比例可能會(huì)導(dǎo)致非交聯(lián)型單體的緩慢釋放，從而產(chǎn)生不良的效果。另一種方法是將不同的PDMS類型(例如，Sylgard 184和Sylgard 527)以最佳的堿基與連接物比例混合，從而產(chǎn)生超過(guò)三個(gè)數(shù)量級(jí)的剛性調(diào)制(彈性模數(shù)范圍從5 kpa到1.7兆帕)。幾種通常用作滲透膜的聚合物(如PC、PET和聚乳酸)由于其較高的(GPA)硬度而不太適合于包括機(jī)械刺激的應(yīng)用。

ECM蛋白
纖維性細(xì)胞外基質(zhì)蛋白主要對(duì)組織中的機(jī)械力做出反應(yīng)，包括抗拉強(qiáng)度(膠原蛋白)和彈性拉伸和回彈(彈性蛋白)。不同的組織具有不同的結(jié)構(gòu)蛋白組成，因此具有不同的機(jī)械性能，反映了它們的生理需求。將PDMS或其他合成聚合物與ECM蛋白質(zhì)混合，為調(diào)節(jié)用作氣-液界面的材料的機(jī)械性能提供了另一種策略。可以通過(guò)改變蛋白質(zhì)組成、交聯(lián)劑和交聯(lián)劑密度來(lái)調(diào)整機(jī)械性能。