多家高校依托摩方精密微纳3D打印：创新仿生血管化肝脏芯片

zhiyongz 7分钟前阅读数 #技术

在药物研发和疾病治疗领域，肝脏作为药物代谢的核心器官，其功能模拟一直是科研界关注的焦点。传统药物评估依赖动物实验和临床反馈，成本高、周期长，而器官芯片技术的兴起为体外模拟人体生理提供了新途径。

近日，中国科学院大学温州研究所、南京大学医学院、河南省科学院等联合研究团队提出了一种基于高精度3D打印的仿生血管化肝脏芯片，通过模拟肝小叶的复杂结构，实现了高效药物诱导肝损伤（DILI）筛查。该技术依托摩方精密面投影微立体光（PμSL）技术构建了微血管网络，为肝脏生理研究带来了革命性进展。该研究以“Microperfused Biomimetic Liver-on-a-Chip for High-Throughput Hepatotoxicity Screening”为题，发表于国际知名期刊《Small》上。

肝脏芯片的核心挑战在于如何更精确地模拟肝脏的生理环境。传统芯片设计仅实现简单的多细胞共培养和物质交换，难以复现肝小叶的精细结构。本研究从肝小叶的径向肝板和血窦分布中获得灵感，利用摩方精密的microArch® S230（精度：2 μm）打印出具有多层毛细血管网络的芯片。芯片内部包含五层结构，每层设有14条平行毛细通道，通道直径仿照血管设计，内径80 μm、外径120 μm，并分布有梯形微孔（长度约10 μm，间隔300 μm），确保营养和氧气的均匀扩散（图2）。

图1. 用于药物性肝损伤筛查的仿生肝脏芯片系统的示意图。

图2. 仿生血管化芯片的特性描述。

这一仿生设计通过微流体灌注系统维持细胞环境的稳定。芯片安装于定制夹具中，连接微注射泵实现连续灌注，模拟体内血液流动。实验显示，在微灌注条件下，人诱导多能干细胞衍生的肝细胞（hiPSC-Heps）相比传统2D培养表现出更优的生理状态和功能。hiPSC-Heps通过阶段性细胞因子诱导分化，从定型内胚层经肝祖细胞成熟为肝细胞，其白蛋白（ALB）和尿素合成能力显著提升，且基因表达水平接近原代人肝细胞（PHHs）。

图3. 人诱导多能干细胞来源的肝细胞的特性分析。

细胞培养实验进一步验证了芯片的优异性。hiPSC-Heps在3D芯片中培养7天后，活死染色显示细胞存活率高达90%以上，而2D培养因接触抑制导致大量死亡。免疫荧光染色表明，3D培养的细胞高表达HNF4A、PCNA等增殖标记，以及ALB和CYP3A4等肝功能关键蛋白。功能上，3D培养细胞的ALB分泌稳定，尿素合成持续增长，且糖原储存和吲哚菁绿（ICG）转运能力显著优于2D对照组。这些结果凸显了3D微环境在促进细胞极性和功能成熟中的作用（图4）。

图4. 对在二维培养板和三维芯片上培养的hiPSC-Heps的评估。

为模拟肝脏的复杂微环境，研究还构建了hiPSC-Heps、肝星状细胞（LX-2）和人脐静脉内皮细胞（HUVECs）的共培养系统。HUVECs自组装形成血管网络，与肝细胞交互作用，仿照Disse空间结构。共培养条件下，肝细胞的ALB和尿素合成能力进一步提升，且药物代谢相关基因表达上调，证实了多细胞协同对肝功能的增强效应（图5）。

图5. 对hiPSC-Heps、LX-2和HUVECs在芯片上的共培养进行评估。

在应用层面，研究团队集成浓度梯度芯片与肝脏芯片，建立了高通量DILI筛查平台。浓度梯度芯片通过五通道设计生成0-40 mM的对乙酰氨基酚（APAP）梯度，用于模拟急性和慢性肝损伤。结果显示，3D灌注培养系统对APAP毒性更敏感，在20 mM以上浓度时细胞死亡率超过80%，且谷胱甘肽（GSH）水平下降，ALT和AST指标升高。慢性毒性实验中，低浓度APAP长期暴露导致细胞活性逐渐丧失，证明该平台能有效预测药物毒性的时间依赖性（图6）。

图6. 在肝脏芯片系统上开展APAP诱导的DILI筛选研究。

总结：这项研究通过摩方精密微纳3D打印技术打造的仿生血管化肝脏芯片，不仅高度模拟了肝脏生理结构，还提升了细胞功能和药物筛查效率。未来，通过内皮化血管网络和空间分区设计，该芯片有望发展为肝衰竭模型，推动肝脏疾病机制研究和药物开发。这一创新平台为药物毒性评估提供了高效、可靠的体外工具，展现了器官芯片技术在精准医疗中的广阔前景。