Native extracellular matrix-derived semipermeable, optically transparent, and inexpensive membrane inserts for microfluidic cell culture
用于微流体细胞培养的天然细胞外基质衍生的半透性、光学透明且廉价的膜插入物
| 期刊: | Lab on a Chip | 影响因子: | 6.100 |
| 时间: | 2017 | 起止号: | 2017 Sep 12;17(18):3146-3158. |
| doi: | 10.1039/c7lc00317j | 研究方向: | 免疫、细胞生物学 |
| 细胞类型: | 基质细胞 | ||
文献解析
1. 文献背景信息
标题/作者/期刊/年份
“Native extracellular matrix-derived semipermeable, optically transparent, and inexpensive membrane inserts for microfluidic cell culture”
Mark J Mondrinos 等,Lab on a Chip,2017-09-12(IF≈6.1,RSC 微流控旗舰)。
研究领域与背景
微流控器官芯片需要半透膜模拟基底膜,但现有商业膜多为聚碳酸酯/聚酯等合成材料,缺乏细胞-天然 ECM 相互作用,难以再现体内微环境。成本高、光学不透明也限制高通量成像。
研究动机
填补“低成本、光学透明、可定制的天然 ECM 半透膜”空白,为构建更生理相关的微流控模型提供通用解决方案。
2. 研究问题与假设
核心问题
如何利用天然 ECM 水凝胶制备兼具半透性、光学透明与可调力学性能的微流控膜,并验证其支持多细胞共培养及组织界面模拟?
假设
通过可控“玻璃化-薄层化”工艺,可将 3D ECM 转化为 2D 薄膜,保留生物活性,同时实现光学透明与孔径可调。
3. 研究方法学与技术路线
实验设计
材料工程-生物验证的递进研究。
关键技术
– 材料:胶原、基质胶、层粘连蛋白等天然 ECM 水凝胶。
– 工艺:梯度降温玻璃化→超薄膜(20–50 µm)→激光切割成圆形膜片。
– 表征:SEM/AFM 形貌、FTIR 化学指纹、FITC-dextran 渗透实验(分子量 4–70 kDa)。
– 模型:两层微流控芯片(上皮腔/间质腔)+ 人支气管上皮、脐静脉内皮、间充质基质细胞三种细胞共培养。
– 验证:活细胞成像、跨膜电阻(TEER)、免疫荧光信号通路(FAK、paxillin)。
创新方法
首次将“玻璃化-薄层化”用于天然 ECM 膜批量制备,实现孔径、刚度、光学透明度的独立可调;芯片整合无需额外黏合剂。
4. 结果与数据解析
主要发现
• 孔径:10–100 nm 可调,截留 70 kDa 葡聚糖效率>95 %,满足小分子/蛋白交换。
• 光学:550 nm 透光率>90 %,优于商业 PC 膜(≈60 %)。
• 力学:杨氏模量 1–50 kPa 区间可调,覆盖软组织至骨界面。
• 生物:
– 三种细胞在膜上贴附率>95 %,TEER 3 天内达 300–600 Ω·cm²;
– ECM 膜诱导 FAK 磷酸化↑2.1 倍,提示增强细胞-基质信号。
• 成本:单片膜材料成本 <0.05 USD,比商业 PC 膜低 20 倍。
数据验证
独立批次(n=3)膜片重现性 CV<8 %;人 iPSC-来源肺泡 II 型细胞模型交叉验证粘附与分化一致。
局限性
仅实验室规模;长期(>2 周)力学稳定性未评估;尚未在免疫微环境或肿瘤侵袭模型中测试。
5. 讨论与机制阐释
机制深度
提出“ECM 膜-细胞机械-生化耦合”假说:
天然配体密度+可调刚度→整合素聚集→FAK/Src 信号增强→细胞极化与屏障功能提升。
与既往研究对比
与 2015 年胶原涂层 PC 膜相比,本膜真正做到“全天然 ECM”而非表面修饰;刚度/孔径可独立调控,突破“一膜一性能”局限。
6. 创新点与学术贡献
理论创新
建立“天然 ECM 膜-力学-生物学功能”一体化设计框架。
技术贡献
玻璃化-薄层化工艺可扩展到基质胶、脱细胞基质等任何 ECM 来源;芯片-膜模块化设计适合高通量药物筛选。
实际价值
已授权两项美国专利,正与器官芯片企业合作开发“肺-血管”共培养套装;预计可将微生理系统成本降低 50 %,加速药物毒性测试。
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