（一） Alveole PRIMO 的原理

定制細(xì)胞模型， 研究微環(huán)境對(duì)細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞間機(jī)能的影響是細(xì)胞和醫(yī)學(xué)研究的重要方
向。 如何制備出具有可控性和重復(fù)性的微環(huán)境， 以便更有效的研究活細(xì)胞和疾病模型， 一直
以來(lái)都是生物學(xué)家進(jìn)行體外細(xì)胞研究所面臨的巨大挑戰(zhàn)之一。

法國(guó) Alveole PRIMO “定制化細(xì)胞微環(huán)境制備系統(tǒng)” 是創(chuàng)新性定制細(xì)胞模型的工具，
能在微米級(jí)別的尺度下， 以具有超高靈活度和再現(xiàn)性的生物工程手段實(shí)現(xiàn)體外微環(huán)境的定
制， 同時(shí)可對(duì)其機(jī)械力學(xué)和生化特性進(jìn)行設(shè)計(jì)微調(diào)。


圖 1. 左圖： 選擇電腦中任意一張圖案， 在 LEONARDO 軟件作用下， 用 PRIMO 進(jìn)行非接觸式、
無(wú)掩模 UV 投射和蝕刻。 PRIMO 模塊和大多數(shù)倒置顯微鏡兼容。 右圖： PRIMO 通過(guò)控制 DMD
（Digital Micromirror Device） ， 即 DLP chip 的微型鏡片的開(kāi)合狀態(tài)， 控制投射在細(xì)胞
基質(zhì)上的紫外激光的照射強(qiáng)度、 照射時(shí)間和照射區(qū)域， 按照?qǐng)D案進(jìn)行靈活蝕刻【1】 。 圖 2. PRIMO 有三種設(shè)計(jì)方法： （1） 基質(zhì)的表面功能化（Micropatterning） ： 適用于細(xì)胞
微環(huán)境研究； （2） 水凝膠的結(jié)構(gòu)化： 適用于 3D 細(xì)胞培養(yǎng)； （3） 微制造（Microfabrication）：
適用于制造微流控芯片【1】 。
在上一篇中我們探討了第一種設(shè)計(jì)， 今天探討第二種和第三種： 水凝膠的結(jié)構(gòu)化（圖 3） 和
微制造（Microfabrication） （圖 4） 。

圖 3. 第二種設(shè)計(jì)： 水凝膠的結(jié)構(gòu)化。 A 圖表示在氧氣不足的條件下， UV 光照射， 可使水凝
膠固化； B 圖表示水凝膠固化的高度隨 UV 照射強(qiáng)度增加而增加。 我們結(jié)合 UV-圖像照射和氣
體可滲透的微反應(yīng)器， 可獲得 4 種水凝膠的工程方法： 完全多聚化（total polymerization）、
Z 軸控制的多聚化（ z-controlled polymerization） 、 光剪切（photo-scission） 和修飾
（decoration） 。 單獨(dú)應(yīng)用或結(jié)合應(yīng)用就可以解決水凝膠工程化問(wèn)題。 適用于 3D 細(xì)胞培養(yǎng)
【1】 。 圖 4. 第三種設(shè)計(jì)： 微制造（Microfabrication） 。 用 UV 光固化感光樹(shù)脂/光刻膠
（photoresist） ， 再用 PDMS（聚二甲硅氧烷） 在固化的 photoresist 上倒模， 形成帶有微
結(jié)構(gòu)的 PDMS 芯片。 適用于制造微流控芯片【1】 。
（二） PRIMO 的主要特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)【1】 ：
 無(wú)掩模： 非接觸式、 無(wú)掩模 UV 投射成像（波長(zhǎng)λ =375nm） ， 可靈活控制 UV 的強(qiáng)度、 照
射時(shí)間、 區(qū)域；
 自動(dòng)化： 全自動(dòng)快速定制， 可針對(duì)實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行快速優(yōu)化；
 高靈活性： 可按照任意圖案去構(gòu)建您的基質(zhì)和/或使其功能化， 不限圖案的大小和復(fù)雜
程度， 生成不同的細(xì)胞模型；
 多樣性/兼容性： 適用于常規(guī)的細(xì)胞培養(yǎng)基質(zhì)， 基質(zhì)可為平面或有微結(jié)構(gòu)， 可硬可軟，
如： 玻璃蓋玻片、 塑料培養(yǎng)皿、 聚二甲基硅氧烷（PDMS） 、 聚苯乙烯、 水凝膠（PEG 丙
烯酸酯、 聚丙烯酰胺凝膠、 瓊脂、 基質(zhì)膠） 、 光刻膠， 等；
 常 用 蛋 白 ： 我 們 的 客 戶 日 常 使 用 超 過(guò) 10 種 的 各 類 蛋 白 ： Fibrinogen-488,
Fibrinogen-647, Fibronectin, GFP, Neutravidin-488, Neutravidin-647,PLL-PEG-Biotin, Protein A-647, Streptavidin, 初級(jí)和次級(jí)抗體， 等；
 高分辨率： 全視野分辨率為 1.2µm（500× 300µm ， 20 倍物鏡） ；
 多層次： 可蝕刻 256 個(gè)灰階層次， 粘附不同密度層次的蛋白；
 多種蛋白： 可應(yīng)用 3 種不同蛋白（根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求） ；
 自動(dòng)對(duì)齊： 自動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)和圖案定位， 可自動(dòng)對(duì)齊于微結(jié)構(gòu)或者微圖案上；
 速度快： 蝕刻 500× 300µm 圖案， 20 倍物鏡， 僅需 30s。
（三） 應(yīng)用舉例：
（1） 非粘附性基質(zhì)的細(xì)胞球標(biāo)準(zhǔn)化 圖 4. PEG 水凝膠為非粘附性基質(zhì)， 通過(guò)光固化和光剪切， 使 UV 敏感的水凝膠形成特定形狀，
再進(jìn)行功能化。 水凝膠固化會(huì)形成微孔（直徑 100um， 高度 175um） ， HEK 細(xì)胞種植其中形
成細(xì)胞球【2】 。
上圖： 光聚合的 PEG 水凝膠（4-arm-PEG-acryl hydrogel） 槽內(nèi)的 HEK 細(xì)胞球。
下左圖， 下右圖： 共聚焦熒光顯微圖像， 雙球體和小球體。
杯狀的 PEG 模板可用于細(xì)胞球體培養(yǎng)。 細(xì)胞球是細(xì)胞的聚集， 可以作為生理模型或復(fù)雜類器
官的起始模型。 但以前因?yàn)槿鄙龠m當(dāng)?shù)呐囵B(yǎng)基質(zhì)， 所以它的形狀和細(xì)胞數(shù)目都不同， 導(dǎo)致實(shí)
驗(yàn)結(jié)果不可靠。 現(xiàn)在我們將 HEK 細(xì)胞種植在不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的 PEG 杯中， 可形成標(biāo)準(zhǔn)化的細(xì)胞
球， 其體積和形狀和 PEG 微孔一致。 水凝膠的惰性、 透明性、 可滲透性和靈活性結(jié)構(gòu)使其成
4
為細(xì)胞球生長(zhǎng)的首選材料。
PRIMO 作用： 非粘附性水凝膠基質(zhì)固化形成微孔， HEK 細(xì)胞種植其中形成細(xì)胞球。
（2） 粘附性基質(zhì)的細(xì)胞培養(yǎng) 圖 5. D 圖： 可以粘附細(xì)胞的水凝膠波浪形結(jié)構(gòu)， 右側(cè)圖是在水凝膠上生長(zhǎng)的 COS-7 細(xì)胞的
肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架， 肌動(dòng)蛋白被染色。
E 圖： 模擬小腸絨毛結(jié)構(gòu)。 藍(lán)色是 4-arm-PEG-hydrogels， 紅色是 Poly-L-lysin（聚-L-賴
氨酸） ； 右側(cè)圖也是在水凝膠上生長(zhǎng)的 COS-7 細(xì)胞的肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架， 肌動(dòng)蛋白被染色。
【2】
PEG 或瓊脂糖水凝膠是生物惰性的： 它們阻止生物分子的吸附和細(xì)胞的粘附。 而基質(zhì)膠
（Matrigel） 是一種溫度凝固的水凝膠， 富含層粘連蛋白（laminin） 、 膠原蛋白（collagen）
和其他粘附因子， 是高度細(xì)胞相容性的。 通過(guò)混合基質(zhì)膠和可以光聚合的 PEG 前體， 可以創(chuàng)
造出粘附性的雜合的水凝膠， 種植的細(xì)胞快速均勻一致的鋪展， 在結(jié)構(gòu)的頂部形成融合層（D
圖） 。
PEG 或瓊脂糖水凝膠是生物惰性的， 而光交聯(lián)劑 Acryl-PEG-Sva（APSv） 是一種能對(duì)水凝膠
進(jìn)行修飾的分子。 這種異向雙功能分子可以光交聯(lián)到水凝膠上， 同時(shí) APSv 的其他基團(tuán)通過(guò)
酯化反應(yīng)交聯(lián)氨基豐富的粘附分子， 如聚-L-賴氨酸。 光交聯(lián)后的混合水凝膠就局部地反轉(zhuǎn)
了初始凝膠的生物惰性， 允許其吸附大范圍的蛋白質(zhì)（E 圖） 。
PRIMO 的作用： 混合惰性水凝膠和其他水凝膠， 形成粘附性基質(zhì)， 或改造惰性水凝膠成為粘
附性基質(zhì)， 再通過(guò)光固化和光剪切， 使 UV 敏感的水凝膠形成特定形狀， 表面進(jìn)行功能化，
再種植細(xì)胞。
（3） 用微制造（Microfabrication） 進(jìn)行微流體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖 6.用微制造（Microfabrication） 進(jìn)行微流體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)【3】 。
PRIMO 實(shí)驗(yàn)：
左圖： 用感光樹(shù)脂/光刻膠 SU8 制造出直徑為 3um， 間距為 3um 的微柱結(jié)構(gòu)。
中圖： 用感光樹(shù)脂/光刻膠 SU8 制造出的微流體結(jié)構(gòu)。
右圖： 微流體結(jié)構(gòu)的外形。
PRIMO 作用： 通過(guò)在固化的感光樹(shù)脂/光刻膠上倒膜制造出微流體結(jié)構(gòu)。
（四） 總結(jié)
PRIMO 強(qiáng)大的生物建模能力和對(duì)細(xì)胞微環(huán)境的控制， 可以為多種生物學(xué)實(shí)驗(yàn)帶來(lái)全新
的、 突破性視角， 可用于研究細(xì)胞遷移、 細(xì)胞黏附、 細(xì)胞趨觸性、 2D/3D 細(xì)胞標(biāo)準(zhǔn)化培養(yǎng)、
細(xì)胞球培養(yǎng)、 生物力學(xué)、 組織工程、 微流體設(shè)計(jì)等多個(gè)領(lǐng)域。
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參考文獻(xiàn)：
【1】 Alveole 的官網(wǎng)： https://www.alveolelab.com/

【2】 Aurélien Pasturel et.al.,Tailoring hydrogels.

3D cell culture templates with common

【3】 Jérémy Decock et.al., In-situ photo-patterning of pressure-resistant hydrogel
membranes with controlled permeabilities in PEGDA microfluidic channels.