芯片级三维细胞培养支架的微加工

大家好，我叫Stefan Re。我在生物界面研究所工作，在接下来的文章中，您将看到一种名为ship的微结构支架的制备过程，我们使用两种不同的方法来制造这种芯片。目前采用的是热压印工艺结合某些后续处理步骤，以及一种最近在名为Squi的研究中心开发的微热成形工艺。现在我们位于一个洁净室帐篷内，您在右侧看到的是一台典型的真空热压机，我们使用这台设备来制备微结构细胞芯片。首先，我们会引入一个微结构模具。

此装置安装在此类平板上，您可以看到这里的两个模具。该模具通过微加工技术制成，材料为硅。现在我将微结构模具安装到机器中。

在热成型工艺中，我们使用此类聚合物板，通常采用聚碳酸酯或PMA来生产细胞芯片。现在将聚合物板插入机器中，置于模具中央，然后闭合模具。关闭机器后，先对腔体抽真空，随后将模芯或整个模具加热至成型温度，再将受热软化的聚合物压入具有微结构的模具中。

完成此模塑工艺后，整个模具会被冷却，并且该设备内会自动进行脱模过程。此处展示的是一个已模塑成型的细胞芯片，包含模塑部件、两个细胞芯片以及热压工艺形成的典型残余层。在热压和覆膜步骤之后，需将部件上的残余层减薄，最终完全去除。

因此，需要对模具部件进行修整，然后将其冷冻固定在安装板上。安装完成后，通过铣削去除残余层，使部件达到特定厚度，从而在背面打开微结构网格。在铣削过程中，微容器壁由冻结的水提供支撑以保持稳定。

最后，我们获得两个模制的细胞芯片，其具有悬空的MicroCon容器网格结构，容器在顶部两侧开口，而在底部进行键合。在铣削工艺之后，将多孔膜连接到这些开口MicroCon容器阵列的背面。我们将一种市售的带孔聚碳酸酯膜键合到开口细胞芯片的背面，以获得微孔容器阵列。

为此，我们将薄聚合物径迹蚀刻膜插入此腔室中。这些膜的厚度约为10微米，然后将细胞芯片置于这些膜的上方。接着封闭该腔室，并在第一步中对腔室进行抽真空处理。

然后，我们注入汽化的溶剂以溶解聚合物表面，并通过对该堆叠施加外力，使膜与细胞芯片键合。最后一步，对腔室进行评级，取出完成的细胞芯片。最近，我们开发了一种基于热成型工艺的新型赛奇器件制备技术，该技术适用于微米尺度，因此我们称之为微热成型。

为了制备多孔sechi，我们使用经加速重离子辐照的聚酯薄膜。该工作是在与中国台湾Unilog大学的CASE合作下完成的，这些重离子完全穿透聚合物薄膜，在其中形成潜径迹。在热成型过程中，这些潜径迹得以保留，并用于形成孔隙。

然后在成型过程中，通过蚀刻这些拉丁文轨迹形成具有特定尺寸的孔隙。右侧所示为经过改造的设备，即一台为该微热压印工艺改造的热压印机。

该工具主要由三部分组成：上板和下板，它们带有用于气体压力和抽真空的连接件，第三部分位于此处，形如顶盖。第一步，我们放入一层厚度约为50至100微米的薄膜。

然后关闭工具，进入第二步。由这两块板和顶板构成的腔室被抽真空。抽真空完成后，将聚合物膜压在这两块板之间，随后加热至成形温度，进行成形。

此处的温度处于玻璃化转变温度范围内，这意味着聚合物并未熔化，而是处于一种白色弹性状态或橡胶弹性状态。接下来，我们施加气体压力。这里使用氮气作为气体，通过该气体将具有橡胶弹性的聚合物膜拉伸进入先前已抽真空的微模具中。

完成此成型步骤后，整个模具被冷却，然后打开模具。最后，微结构聚合物泡沫被手动脱模。该新工艺的优点在于，与传统的微注塑成型工艺或热压印工艺相比，工艺步骤数量可显著减少。

在对高结晶度的聚合物薄膜进行热成型后，我们选择性地将其中的重离子径迹蚀刻成具有特定尺寸的微孔。为此，我们采用一种简单的玻璃容器装置，将含有重离子径迹的薄膜置于氢氧化钠溶液中，在温和搅拌条件下加热至约 60 °C。蚀刻过程持续约一至数小时，以获得不同孔径的微孔。

现在我们有了两种成品：一种是背面带有微孔膜的热压成型细胞芯片，另一种是左手拿着的热成型薄壁柔性细胞芯片。在用于细胞培养之前，它们需经过伽马辐照进行清洁和灭菌。