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Application of microfluidics in organoid drug screening

2024-09-26

1. 类器官类器官（Organoid）是由干细胞在体外培养和分化形成的三维微型细胞结构，来源于胚胎干细胞、诱导多能干细胞、成体干细胞或肿瘤干细胞。在特定条件下，这些干细胞自组织为具有特定功能的细胞群，形成与相应器官相似的组织结构和遗传特征。尽管类器官不是真正的完整器官，但能再现复杂的细胞异质性和空间结构，长期稳定传代培养，模拟体内器官的功能。微流控技术在微量流体的精确操控和高通量能力方面满足了类器官研究的需求。通过调控培养环境的物理和化学参数，如营养物质浓度和废物排出，微流控技术能够动态模拟体内环境，提高类器官对生理和病理过程的反映真实度。此外，微流控技术支持独立类器官的连续…

Projection microstereolithography and microfluidic chips

2024-09-24

增材制造（AM）是一种通过沉积或光固化材料来构建复杂几何结构的新兴技术。它包括熔融沉积成型（FDM）、喷墨打印、双光子聚合（TPP）和Vat光聚合（VPP）。在3D微结构制造中，基于光聚合的3D打印技术已成为实现微米或亚微米分辨率结构的有效方法，尤其是立体光刻（SLA）和数字光处理（DLP）技术。 DLP的投影微立体光刻（PμSL）在制作微流控芯片方面具有显著优势，如快速制备、灵活构建复杂三维结构，以及无需净化室和专业人员，能够实现传统MEMS工艺无法制造的复杂曲面和一体化芯片接口打印。 1. PμSL技术的工作原理 PμSL技术的打印系统由光引擎、投影物…

Microfluidic chip-based artificial cells (II)

2024-09-19

1. 人工细胞的微流控操作 1) 捕获、移动、形状控制在芯片上实现人工细胞的捕获和定位是静态观察、结构操作等实验的基础。被动捕获方式利用细胞特性、流体控制及微结构设计。例如，沉淀法通过增加人工细胞密度，借助重力将其牵引至观察区域。这种方法设计简单，但高密度物质可能会影响脂质膜的结构和功能，且无法实现完全固定化。另一种方式是化学或生物偶联，如常见的生物素-亲和素偶联，但此方法需预先修饰细胞，步骤复杂，且可能影响细胞功能。目前，通过在膜上组装黏附蛋白（如血小板整合素）已成为更有效的固定手段。这类方法无需外部设备，但可能…

Microfluidic chip-based artificial cells (I)

2024-09-19

构建人工细胞的两种主要方法是自上而下和自下而上。自上而下方法通过生物技术移除活细胞中的非必要基因和细胞器，最终得到具备最小生存功能的细胞。而自下而上方法则从简单的非生命物质开始，逐步构建具备细胞功能的仿生结构，避免了细胞的复杂性。通常使用类似细胞膜的材料模拟内外环境的分隔，并在内部组装细胞器等结构，模仿生物细胞的核心组成部分。通过引入酶、基因等活性物质，支持生化反应，赋予这些区室特定的功能。在芯片设计的微环境中，可以组装出具备生长、自主活动和自我复制能力的微结构系统，进行高度受控的生化反应。这种技术的发展将大大推动人工细胞研究，并在自下而上合成生物学的未来发展中发挥关键作用。 1.&nb…

Microfluidic chip makes fluorescent nanomaterials

2024-09-12

1. 荧光纳米材料随着纳米技术的进步，荧光纳米材料逐渐用于分子级别的可视化分析，显著推动了生物学和医学研究的深入。为了拓展荧光纳米材料在离子检测、生物传感和信号传导等领域的应用，研发制备质量稳定、性能优良的材料至关重要。在临床应用中，纳米材料粒径的均一性非常重要，不同粒径颗粒在生物体内的输送速度和运输机制不同，可能会被多个部位吸收，从而影响成像效果。研究表明，微流控技术可以制备形貌特定、尺寸均一且性能优越的荧光纳米材料。 2. 微流控合成系统分类微流控技术通过精细加工在芯片或管道内构建特定微通道结构，实现流体在微尺度…

Hydrodynamic single-cell capture-based microfluidic chip

2024-09-10

单细胞分析为重大疾病的早期诊断与治疗、药物筛选及细胞间相互作用研究提供了可靠的科学依据。微流控芯片具有与细胞尺寸相当的微通道结构，并可根据需求调整通道的尺寸和形状，已经成为单细胞分析的强大工具。基于微流控芯片的单细胞分析具备样品消耗少、检测速度快、通量高的特点，非常适合用于样本量较少的检测。单细胞捕获是单细胞分析的关键步骤，只有成功捕获单细胞后，才能进行后续分析。微流控芯片因其高度可控性和强大的单细胞处理能力，已成为单细胞捕获的主要平台。基于微流控芯片的单细胞捕获方法主要分为两类： 1. 基于外力的捕获方法：利用磁力、光力、声波和电场等外力实现单细胞捕获。 2. 基于流体动力的捕获方法：无…

3D cell microfluidic chip modeling research and application

2024-09-05

三维细胞培养使得细胞之间、细胞与胞外基质之间的相互作用成为可能。类组织和类器官是多能干细胞分化后的各种细胞通过自组装形成的三维微型组织，其结构和功能类似于人体器官。微流控技术的引入，不仅能够提供力学微环境，还能模拟人体器官在空间和时间维度上变化的生化和结构微环境。同时，生物传感等实时监测技术的应用，可以实现对三维模型的长期无损重复检测，包括生物物理、生物化学信号，以及pH值和氧水平的测量。在药物发现和毒性筛选方面，虽然目前的体外三维模型由于发展水平的限制，仍然无法完全替代动物实验，但由于其细胞来源于人类，有些情况下体外三维模型的准确性已超越了动物实验。 1. &nbs…

Microfluidic droplet migration across interfaces

2024-09-03

1. 液滴跨界面迁移操控微流控液滴进行相间转移的关键在于精准控制液滴的定向移动，包括液滴在相内和相间的移动。实现微通道内液滴定向移动的方法主要分为主动方式和被动方式，这两种方式各有优劣。主动方式依赖外力来实现液滴的定向移动，如通过外加磁场、声场、电场等。其优势在于可以通过调整外场的方向和强度来精确控制液滴的移动方向和驱动力的大小，从而实现对液滴更为精准的操控。此外，主动方式为操控特殊流体（如磁流体）提供了新的思路。然而，这种方式需要复杂的设备和更多的人工调控，因而增加了设备成本、人工成本和能耗。被动方式则不依赖外力，例如利用特殊的微通道结构、流体动力…

In vitro vascular network modeling on microfluidic chips

2024-08-29

器官芯片（Organ-on-a-chip）和微生理系统（Micro-physiological system, MPS）是生物工程领域的前沿技术。这些平台通过生物打印、微流控芯片和组织工程技术的融合，在微尺度上模拟人体器官的功能，为药物筛选和疾病研究提供了接近人体生理条件的模型，旨在更准确地再现器官的生理和病理特性。 MPS进一步拓展了这一概念，通过模拟细胞和组织的三维环境，弥补了传统二维细胞培养和动物模型的不足。微流控系统在MPS中起着关键作用，能够在微尺度上精确控制流体，为细胞提供动态流体力学环境，尤其在模拟血管系统时显得尤为重要。因此，体外重建血管系统成为器官芯片和MPS构建的核心挑战…

Microfluidic Ion Concentration Polarization Chip

2024-08-27

1. 离子浓差极化（ICP）简介离子浓差极化（Ion Concentration Polarization, ICP）作为一种有效的分离和富集手段，已广泛应用于微流控芯片中。集成ICP功能的微流控芯片具备高效、快速、低样品消耗和广泛适用性等优点。 ICP是一种在外加电场作用下发生于微纳交界面的电动传输现象。以负电荷样本粒子为例，当微米通道与纳米通道连接时，由于纳米通道的双电层重叠且表面带有负电荷，纳米通道表现出阳离子选择性。在外加电场的驱动下，阳离子可以通过纳米通道，而阴离子则因强静电相互作用被排斥，导致在离子选择性膜两侧形成离子耗尽区与离子富集区。电渗…

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