工程6（2020）1244研究医用增材制造-综述用于医疗增材制造的微流体技术王杰a，b，邵长民c，王跃通c，孙凌云a，赵元进a，c，赵a南京大学医学院附属鼓楼医院转化医学研究所风湿免疫科，南京210008b南京农业大学人工智能学院，南京210031c东南大学生物科学与医学工程学院生物电子学国家重点实验室，南京210096阿提奇莱因福奥文章历史记录：收到2019年2020年1月23日修订2020年5月5日接受2020年10月8日网上发售关键词：微流控生物材料增材制造液滴纤维A B S T R A C T增材制造在食品、机械、制药和医疗领域发挥着至关重要的作用。在这些领域中，医疗增材制造基于成本效益、可定制性和快速制造的优势，在医疗器械、假体、植入物等方面带来了特别明显的改进。微流控技术具有精确的结构控制、高通量和良好的组件操作等特点，在医疗增材制造中具有独特的优势，并已应用于药物发现、组织工程和芯片上的器官等领域。因此，对用于医疗添加剂制造的微流体技术的全面综述对于具有各种背景的科学家是有用的。本文综述了近年来微流控技术在医用增材制造领域的研究进展。我们评估了微流体技术在制造具有不同结构的液滴/纤维模板方面的独特优势。强调了微流体技术在医疗增材制造中的广泛应用，例如细胞引导，三维（3D）细胞培养，组织组装和基于细胞的治疗。最后，我们提出了医疗增材制造微流体技术发展的©2020 THE COUNTORS.Elsevier LTD代表中国工程院出版，高等教育出版社有限公司。这是一篇CC BY-NC-ND许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍增材制造，也称为实体自由成形制造技术，被定义为“一种连接材料以从三维（3D）模型数据制造物体的过程，通常是 自20世纪80年代使用逐层技术创建第一个3D结构以来，增材制造已经成为工业和科学研究中的一种新颖而强大的工具[3，4]。通过增材制造，复杂的结构可以由各种材料构建，包括聚合物、金属、陶瓷、生物材料和有机化合物，具有各种特性[5-8]。它已广泛应用于许多领域，包括食品，机械，制药和医疗领域[8在这些领域中，医疗增材制造基于成本效益，可定制性和快速制造的优势，在医疗器械，假体，植入物等方面带来了特别明显的改进。已经开发了许多用于医疗增材制造的方法，*通讯作者。电子邮件地址：lingyunsun@nju.edu.cn（L. Sun）、yjzhao@seu.edu.cn（Y.Zhao）.例如选择性激光烧结、电流体动力喷射、熔融沉积成型、3D打印和微流体[12在这些策略中，微流体是在具有微尺度通道（数十至数百微米）的系统中控制流体（通常为10- 9至10- 18L）的技术[16由于其精确控制流体的能力，微流体技术已成为制造具有复杂结构的液滴或纤维的有前途和通用的方法[21通过组装或堆叠液滴/纤维模板，可以实现具有不同结构和材料组分的各种3D构造。此外，生物相容性细胞构建体可以通过将细胞包封或装载在液滴/纤维模板中来制造[25受益于精确的结构控制、高通量和良好的组分操作的特征，微流体技术在医疗增材制造中呈现出独特的优势，并已应用于药物发现、组织工程和再生医学领域[28因此，对用于医疗增材制造的微流控技术进行全面综述有助于具有各种背景的科学家。本文综述了近年来微流控技术在医药添加剂领域的https://doi.org/10.1016/j.eng.2020.10.0012095-8099/©2020 THE COMEORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志主页：www.elsevier.com/locate/engJ. Wang等/ Engineering 6（2020）1244制造业我们首先展示了基于来自微流体的单、双和多重乳液液滴的建筑微载体的生成。接下来，我们描述了具有不同结构的纤维的微流体制造，以及它们的编织，堆叠和缠绕。然后，我们专注于所产生的微载体或微纤维在医疗增材制造领域的各种应用，如细胞引导，3D细胞培养，组织组装和基于细胞的治疗。最后，讨论了医疗增材制造微流体技术发展面临的挑战和未来前景。2. 用于医疗增材制造的微流体液滴微流控是一种用于系统操纵和控制微尺度通道中的流体的技术。自20世纪70年代微流体技术问世以来，这一多学科技术发展迅速，并逐渐渗透到生物、微电子、医学、材料、化学和机械等诸多领域[31微流体系统中的流体的特征在于高效的质量-热传递、粘性相对于惯性力的相对优势以及显著的表面效应，使得流体和流体界面的微流体控制重要且实际上有用。此外，微流体系统的高度集成特性促进了多相流体的共存和相互作用，从而实现了复杂流体系统的分离[27，33，37，38]。因此，微流体技术被认为是一种很有前途的方法，用于实现具有复杂形态和结构的构造。2.1. 液滴微流控作为微流体技术的一个重要分支，液滴微流体技术在微流体通道中引入不混溶的多相流体（分散相和连续相），并将流体破碎成离散的液滴[21，39]。这些离散液滴具有单分散性、体积小、尺寸可控、生成条件稳定、密闭环境无污染等优点因此，由微流体产生的液滴可以用作理想的模板或微反应器，并且因此在材料制造、化学合成、细胞培养和其它应用中具有重要价值各种材料可用于微流体芯片的构造，例如玻璃、晶体硅、石英、聚（二甲基硅氧烷）（PDMS）、塑料等[40在这些材料中，最常用的是PDMS和玻璃毛细管，如图1和2所示。 1（a）和（b）[42，43]。第一个PDMS微流控芯片由Whitesides于1998年制备[44]。为了制造PDMS器件，通常需要以下步骤：首先，通过标准接触光刻法生成在光致抗蚀剂中包含正性结构的母版（图1A和1B）。1（a-i-iii））;包含通道的复制品通过随后将混合的PDMS倾倒到母版上来产生（图1（a-i-iii））。1（a-iv）和（a-v）;最后，将PDMS复制品粘合在平坦基底上（图1（a-vi））。由于PDMS器件具有成本低、成型容易、生物相容性好、透明性好等优点，得到了广泛的推广。然而，它们的二维（2D）特性，在有机溶剂中的溶胀和变形，以及高压耐受性限制了它们的应用。基于玻璃毛细管的装置已被引入，具有真正的3D几何形状和优异的耐溶剂性[42]。这些装置由同轴组装的玻璃毛细管组成（图1（b）），通道表面的润湿性容易且精确地改变。通过组装一系列玻璃毛细管，可以获得具有单、双和多乳液的液滴，甚至更复杂的结构，如多隔室。1（b-ii）和（b-iii））或使用毛细管阵列（图1（b-i））。即使具有这些优点，这种玻璃装置在某些情况下也是有限的。例如，玻璃毛细管装置的手工制造限制了其一次的生产量。因此，应选择不同的微流控装置以适应各种情况。在微流体通道中，不混溶的流体在交界处相遇，并且液滴在流体动力下形成。液滴的大小、速度和产生频率由流速、几何参数和流体性质决定。基于通道几何形状和流体配置，已经开发了不同的液滴形成技术，其可以分为梯田状、交叉流、共流、流动聚焦几何形状等[18，27，45]。用于产生液滴的典型微流体几何结构如图1（c）[45]所示。阶梯状的几何形状产生均匀的液滴的变化的通道限制，通过毛细压力急剧变化。在界面张力的驱动下，分散相在通道末端破碎成液滴。在交叉流类别中（通常作为T形接头实施），图1.一、微流体装置和液滴形成技术。（a）PDMS微流控器件的制作步骤;（b）玻璃毛细管微流控芯片的组装(c)用于在PDMS和玻璃毛细管芯片中产生液滴的不同微流体几何形状。UV：紫外线。(a)经Springer Nature Limited许可，转载自参考文献[43]，©2018;（b）经Springer NatureLimited许可，转载自参考文献[42]，©2018;（c）经美国化学学会许可，转载自参考文献[45]，©1998。1246J. Wang et al. /工学6（2020）1244两种流体以0°至180°的角度相遇，并在接合处形成界面剪切力导致分散相进入连续流体通道，随后由于压力梯度而破碎共流流用一组同轴通道实现，其可以是准2D平面（PDMS）或3D（玻璃毛细管）同轴的。与同向流几何形状类似在收缩孔中具有剪切聚焦功能的情况下，液滴以比共流配置中更小的尺寸产生。2.2. 单乳液和多隔室液滴基于不同的微流控液滴模板，已经探索了具有设计尺寸、结构和微环境的细胞微载体在最简单的情况下，通过将生物相容性材料注入微流体通道中，可以产生单分散的单一Liu等人[46]通过将二氧化硅纳米颗粒分散在单液滴模板中，开发了一种新型的光子晶体（PC）微载体，具有可控的尺寸和良好的生物相容性。与2D平面培养相比，在微载体表面上培养的细胞具有更多的3D形态（图11）。2（a-i）），这是由微载体上的细胞悬浮培养物的特征引起的。此外，Zheng et al.[47]进一步发展了PC微载体捕获、检测和释放多种循环肿瘤细胞（CTC）的表面装饰适体探针，如图所示。 2（a-ii）.除了二氧化硅，水凝胶材料被广泛用于制造细胞微载体，如藻酸盐[48]，明胶[28]，胶原蛋白[49]，聚（乙二醇）[50]和壳聚糖[51]。这些类型的微载体可以通过各种方法固化，包括离子交联、温度诱导的凝胶化和冷冻以及紫外线（UV）照射。微载体的尺寸、形状、孔隙率和机械性能可以通过调节微流体通道尺寸、流速、前体浓度和交联密度来调节Segura等人[52]证明了一种微流体方法来制造可注射的微载体，其主要由多臂聚乙二醇-乙烯基砜（PEG-VS）骨架和细胞粘附肽组成（图2（b））。细胞粘附在微载体表面，获得高细胞活力和快速细胞增殖。值得注意的是，可以组装微载体结构单元以产生具有所需形状的微孔退火颗粒支架。除了接种在微载体的表面上之外，细胞可以在水凝胶前体乳化和聚合之前包封在水凝胶前体中。García等人[53]通过微流体技术制造了具有受控尺寸、渗透性和细胞微环境的微载体（图2（c））。他们证明了微载体支持临床相关细胞（如人胰岛和人间充质干细胞（hMSC））的高活力的能力。近年来，作为细胞微载体的响应性水凝胶受到了越来越多的关注。例如，Zhao et al.[54]开发了一个新的图二.由单乳液模板生成的微载体。(a)PC微载体;（b）PEG-VS微载体;（c）具有受控细胞微环境的微载体;（d）NIR响应性水凝胶微载体。DTT：二硫苏糖醇; RGD：藻酸盐-精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸。（a）复制自Ref。[46]经Wiley-VCH许可，©2013和Ref.[47]经John Wiley Sons，Inc.许可©2014;（b）转载自Ref.[52]经Springer Nature Limited许可，©2015;(c)经John Wiley& Sons，Inc.许可，转载自参考文献[53]，©2014;（d）经中国科学出版传媒有限公司许可，转载自参考文献[54]&，©2018年。J. Wang等/ Engineering 6（2020）1244用于可控细胞培养的近红外（NIR）光响应水凝胶微载体系统，如图2（d）所示。水凝胶前体中的氧化石墨烯可以吸收NIR光并将其转化为热，这有助于温度响应性水凝胶的收缩和微载体孔中捕获的细胞的释放。从微载体释放的细胞被证明具有与常规消化的细胞相似的活力这些特点促进了微载体在小鼠肿瘤模型建立中的应用。利用涉及用几个平行通道代替单乳液微流体装置的分散通道的方法，可以实现多隔室液滴不可混溶的分散相彼此接触并同时被连续相乳化。由于微流体中雷诺数（Re）的低值，流体保持层流因此，在液滴形成期间的对流流动将不会引起分散相的混合，这由流体相互扩散主导。因此，当流体相互扩散相当缓慢时，出现尖锐的界面和明显的隔室。基于这些理论，Weitz等人。[55]通过应用多个注射通道制造了多隔室微载体（图1）。 3（a））。海藻酸钙（Ca-Alg）快速凝胶化有助于微载体的不同隔室之间的尖锐界面研究人员认为，这项技术可以提供一种在单细胞水平上研究细胞相互作用的新方法微流体技术可以制备结构复杂的多室Zhao等人[56]应用毛细管阵列微流控技术生成中心具有异质结构和大孔的细胞微载体，如图3（b）所示。 在玻璃毛细管阵列的帮助下，首先生成涂覆有多室液滴的微纤维。通过从聚合的液滴中除去微纤维，图三.由不同微流体装置产生的多隔室微载体。（a）PDMS芯片;（b）玻璃毛细管芯片。（a）复制自Ref。[55]经Wiley-VCH许可，©2017;（b）经中国科学出版传媒有限公司许可，转载自参考文献[56]，© 2017。相应地开发了具有大孔的隔室微载体。与没有中心大孔的微载体相比，大孔保证了细胞培养过程中更充足的营养供应。2.3. 双重和多重乳液液滴以单乳液微滴为模板的细胞微载体具有许多优点，但其过于简单的结构限制了其在某些情况下的因此，能够制造具有更复杂结构的微载体是重要的通过实施多级乳化，可以根据需要实现双重或多重乳液液滴在单乳液液滴形成的基础上，通过混合流体的二次乳化可以形成双乳液液滴。如图4（a）[57]所示，使用两步共流毛细管装置实现双重乳液。首先，在内毛细管的末端产生油包水乳液;随后将混合流体乳化成水包油包水双重乳液。基于双乳液液滴，可以制备具有外部-内部连接结构和生物聚合物基质填料的多孔微载体多孔结构不仅可以保护细胞在培养过程中免受剪切力的影响，而且还为多细胞球体的形成提供了一个受限的环境除了接种在微载体上之外，细胞还可以包封在具有核-壳结构的水凝胶微载体如图4（b）[58]所示，癌细胞已被封装到微载体的核心中以获得无血管微肿瘤。将微载体与基质细胞组装以制造用于癌症研究的3D血管化肿瘤与普通水凝胶微载体相比图4（c）[59]显示了在固体水凝胶微载体中培养的胰岛与在核-壳微载体中培养除了水凝胶核之外，核-壳微载体的核可以是液体，从双乳液液滴转化而来。Kang等人[60]将细胞悬浮液与培养基一起注入核中，同时使藻酸盐溶液流动以形成微载体的壳。研究人员发现，在核-壳微载体的液体核中培养的细胞类似于双重乳液的形成，多重-乳液液滴可以通过多个液滴发生器或通过一步乳化方法产生。图4（e）[60]显示了具有三个流动接头的三层微载体的微流体制造Kang等人[60]旨在使用该装置设计微载体，其中干细胞在核心中，分化细胞在周围层中，用于定向分化;外壳将包含用于荧光标记、磁性操纵或药物递送的功能性珠或药物3. 用于医疗增材制造的微流体纤维3.1. 微流控纺丝技术微流体纺丝技术用于制造具有不同形态、组分和结构的纤维结构;就芯片设计和操作原理而言，它类似于液滴微流体[19，42，61不同流动1248J. Wang et al. /工学6（2020）1244见图4。由双重和多重乳液液滴产生的微载体。(a)多孔微载体;（b）具有核-壳结构的水凝胶微载体;（c）具有改善的细胞包封的核-壳微载体;（d）具有液体核的微载体;（e）三层微载体。(a)经ACS Publications许可，转载自参考文献[57]，©2015;（b）转载自参考文献[57]，[58]经ACS Publications许可，©2017;（c）转载自Ref.[59]经John Wiley Sons，Inc.许可©2013;（d，e）转载自Ref.[60]经皇家化学学会许可，©2011。如图5（a）[62]所示，微流控芯片的各种机制，如交叉流、流聚焦和共流，被应用于微纤维的生成。其中，共流几何结构被广泛用于纤维材料的稳定和温和的制造芯流体和鞘流体经由两个同心通道在芯片装置的接合处相遇诸如流体的粘度和界面张力以及装置几何形状的许多参数影响通道中的流体流动行为由于通道中的低Re，因此，核相和壳相之间的混合限于界面处的缓慢扩散。核流体被壳流体流体动力学地聚焦以形成两种流体的同轴配置随着纺丝芯流体的原位固化，形成纤维并通过出口通道挤出。不同的生物材料被带入微纤维的产生中，其可以分为天然提取材料和合成材料[65天然提取的材料通常由多糖材料组成，如藻酸盐、透明质酸、壳聚糖和琼脂糖，以及蛋白质基材料如胶原、明胶和纤维蛋白。通过这些材料的物理/化学交联，可以形成具有水凝胶网络结构的生物相容性微纤维，这可以促进细胞生长。虽然天然提取的材料具有优越的生物相容性，但它们受到其固有性质的限制，例如机械强度差和难以改性。相比之下，合成材料是高度工程化的，可以进行改性，以便系统地研究材料结构、功能和性能之间的关系。典型的合成材料如聚（乙二醇）二甲基丙烯酸酯（PEGDA）、聚（ 乳 酸 - 共 - 乙 醇 酸 ） （ PLGA ） 和 聚 （ N- 异 丙 基 丙 烯 酰 胺 ）（pNIPAM）可应用于微流体纺丝技术以在固化后制备根据不同的纤维材料，需要多种聚合方法，可分为三类：①光聚合，②离子交联，③溶剂交换（图5（b））[72]。在光聚合过程中（图5（b-i）），可光聚合的聚合物和光引发剂J. Wang等/ Engineering 6（2020）1244图五.微流体纺丝技术与微纤维聚合。(a)微流控纺丝芯片的不同流动状态;（b）三种聚合方法。（a）复制自Ref。[62]经MDPI许可，©2017;（b）转载自参考文献[72]经皇家化学学会许可，©2014。作为核心流体注入;这些通常用作骨架材料，并通过UV光照射以引发聚合。鞘液起到润滑剂的作用，以加速固化纤维的挤出虽然这种方法具有聚合容易、快速的优点，但由于材料本身的不可生物降解性和对细胞的潜在危害，限制了用这种方法制备超细纤维。对于离子交联，最典型的例子是藻酸盐和钙离子（Ca 2+）对（图11）。 5（b-ii））。将海藻酸钠和Ca2+溶液分别作为芯液和鞘液引入芯片通道一旦两种流体相遇，藻酸盐立即交联与离子交联聚合类似，溶剂和非溶剂溶液在溶剂交换方法中分别作为核流体和壳流体注入（图5（b-iii））。微纤维通过芯流体的沉淀来实现，这是由基于扩散的交换引起的。通常，PLGA微纤维可以通过这种方法制造。可以使用微流体连续生产具有不同形状、组分和结构的微纤维。它们的多孔水凝胶结构、小直径、高面积体积比和良好的生物相容性使这些纤维成为有利的细胞培养平台。3.2. 具有独特形态和结构的微纤维在微流体系统中以温和的方式连续生产，在灵活和可重复的制造，可定制的几何和化学复杂性以及高表面积-体积比条件方面具有许多优势。这些特征使得载有细胞的微纤维在细胞研究和组织工程领域非常有前途和关键[73，74]。越来越多的注意力和努力致力于制造具有特殊形态和结构的载有细胞的微纤维。结构. Zhao等人[75]使用玻璃毛细管微流体装置来可扩展地形成藻酸盐微纤维（图6（a））。基于水蒸汽的流体动力聚焦和快速扩散控制离子交联，原位生成Ca-Alg超细纤维研究人员还证明，通过改变流的流速，可以在收集通道中实现具有四种流动条件（堵塞、波浪、直线和螺旋）的微纤维[76]。如图6（b）所示，该理论进一步应用于通过增加内流速与外流速的比率来制造螺旋微纤维。纤维转变现象归因于两相之间的速度差，这导致通道中的卷曲不稳定性。这种新型的螺旋微纤维被用作心肌细胞收缩的机械传感器除了螺旋结构之外，通过微流体通道的改进和修改可以获得具有更复杂的形态和结构的微纤维Seki等人[77]制造了具有三个入口-通道网络与扁平微喷嘴组合的微流体装置首先将含有或不含细胞的海藻酸钠如图所示，微纤维片最终用该装置产生。 6（c）[77]. 研究人员进一步将肝癌细胞和成纤维细胞嵌入图案化的纤维片中，以模拟肝脏的微观结构。Lee等人[78]使用计算机控制的气动阀来单独控制入口，以生产以串行、并行或混合方式编码的藻酸盐微纤维，如图11所示。 6（d）. 此外，通过应用一个开槽的圆形通道，研究人员产生了具有开槽表面的管状纤维（图1）。（第6（e）段）[78]。凹槽1250J. Wang et al. /工学6（2020）1244见图6。具有独特形态和结构的微纤维。(a)固体藻酸盐微纤维;（b）螺旋微纤维;（c）条纹图案纤维片;（d）编码藻酸盐微纤维;（e）凹槽微纤维;（f）纺锤形打结微纤维。(a)经JohnWiley& Sons，Inc.许可，转载自参考文献[75]，©2014;（b）经John Wiley Sons，Inc.许可，从参考文献[76]中复制，©2017;（c）经Elsevier B.V许可，转载自参考文献[77]，©2013;（d，e）经Springer Nature Limited许可，转载自参考文献[78]，©2011;（f）转载自参考文献[78]，© 2013。[79]经Wiley-VCH许可，©2017。通过改变通道的几何形状和流体的速度是高度可调的。这样的凹槽表面被证明有助于控制神经元的排列。除了上述两种具有不同形态、结构和化学特征的微纤维外，在该微流体系统中施加两种交替的流体流可以获得纺锤结纤维。同样，Zhao et al.[79]将纺丝与乳化相结合以形成悬挂在微纤维上的液滴，其用作制造纺锤形打结微纤维的模板（图6（f））。研究人员在藻酸盐微纤维上产生了明胶甲基丙烯酸酯（GelMA）纺锤结，用于3D细胞培养。还开发了其他微流体策略来生产纺锤形打结的微纤维，例如将气泡和液滴封装在纤维中[78，80]。除了上面讨论的固体水凝胶微纤维之外，可以产生具有核-壳、中空和多隔室结构的微纤维Zhao等人[75，81]更新了基本的一种具有多个入口通道和分级注射通道的微纤纺丝毛细管装置，以实现更复杂结构的微纤，如图所示。 7（a）. 中空藻酸盐微纤维通过在先前的藻酸盐芯通道中插入一个或多个氯化钙（CaCl 2）入口通道来制造（图1B）。 7（a-i））。一旦三个流彼此接触，藻酸盐立即在内外界面处交联结果，在通道中类似地，通过在海藻酸盐通道内插入多个CaCl2入口通道来制备具有多个中空的微纤维，而通过在中空微纤维纺丝毛细管装置中增加分级注射通道的数量来获得具有多个壳层的中空微纤维对于多隔室超细纤维纺丝，应使用多筒毛细管作为注射通道，而不是原始超细纤维纺丝装置的单通道注射毛细管（图1）。 7（a-ii））。藻酸盐溶液中的多种流体J. Wang等/ Engineering 6（2020）1244见图7。来自不同微流体装置的多中空或多隔室微纤维。(a)玻璃毛细管装置;（b）PDMS装置。(a)经John Wiley Sons，Inc.许可，转载自参考文献[75]©2014和Ref.[81]经ACSPublications许可，©2016;（b）转载自Ref.[82]经John Wiley Sons，Inc.许可©2016.同时泵入注射毛细管中并原位固化以形成多隔室微纤维。由于流的低Re，在通道中形成层流，并且在不同的海藻酸盐流之间没有发生明显的扩散混合，导致微纤维的不同隔室之间的尖锐且明显的界面。具有多隔室核-壳结构的微纤维除毛细管装置外，PDMS微流控芯片还可用于制备具有特殊形态和结构的微纤维。Qin等人[82]开发了一种新型PDMS微流体装置，其具有分层、多层、微通道结构，以制造具有多中空和多隔室特性的微纤维，如图7（b）所示。该芯片由三层组成，分别具有流动内核、中间水凝胶支架和外鞘的功能。与玻璃毛细管微流控装置相比，他提出的PDMS方法具有更好的重现性和稳定性。3.3. 微纤维组装的3D细胞结构载细胞微纤维具有操作简单、稳定性好、生成温和、生物相容性好等特点，可以通过多种方法组装成三维细胞结构，如图1所示。8.第八条。福田等人[83]使用磁力来聚集支撑模型中的微纤维以获得3D结构，使用的方法涉及将磁性纳米颗粒封装在微纤维中（图1）。8（a））。这种组装方法对装载的电池造成的损害可忽略不计Lee等人[84]用微流体纺丝技术制造纯的基于壳聚糖的微纤维，然后使用基于X-Y台的卷绕机将微纤维卷绕成3D结构（图11）。 8（b））。肝癌细胞在微纤维状结构上自组装形成球状体，并表现出更好的肝脏特异性功能表达。除了上述两种策略外，Juncker等人[85]提出了一种用于构建细胞构建体的微流体直接写入器（MFDW）方法。将固化的藻酸盐微纤维从MFDW的单片微流体头挤出，该微流体头安装在自动控制的电动载物台上（图1B）。[85] .第10段。具有封装细胞的3D结构用MFDW一层一层地建造。Takeuchi等人[86]建立了一个实验室制造的微流体编织机，以应用功能性细胞纤维作为各种3D宏观细胞结构的高阶细胞组装的构建块，如图8（d）所示。该方法的基本原理是通过毛细管喷射微纤维。在织机的帮助下，可以机械编织尺寸约为2 cm × 1 cm的蜂窝状结构除了编织，逐层堆叠策略可用于实现基于微纤维的结构，如图8（e）所示[81]。生物打印是构建3D细胞结构的一种很有前途的技术。通过将多个微流体通道与生物打印相结合，可以生成多隔室纤维组装结构，如图8（f）所示[87]。通常可以采用以多个入口为特征的微流体生物打印头（图8（f-iii））。使用这种方法可以制造与体内4. 应用液滴或纤维的微流体生成在简单且具有成本效益的制造工艺、容易的尺寸调节以及灵活的组件和几何形状操纵方面呈现出独特的益处。此外，发电过程可以在温和的条件下进行，而不需要高电压或温度。因此，包括细胞在内的敏感生物组分可以被加载到液滴或纤维中而不丧失功能。这些独特的特征使得能够微流体制造用于医疗增材制造中的各种应用的载有细胞的微载体或微纤维[884.1. 细胞导向各种 类型细 胞的形 态发生 和拓扑 排列通 常受到 细胞外 基质（ECM）支架的影响[88已经报道了使用微流体纺丝微纤维对不同形式的细胞类型引导的广泛研究，所述微流体纺丝微纤维覆盖成肌细胞、成纤维细胞、心肌细胞和神经元细胞。Scheibel等人[91]分析了在胶原微纤维上培养72小时后的神经元细胞（NG 108 -15）的形态。观察到神经元NG 108 -15细胞在微纤维轴的方向上经历轴突生长（长达100μ m）1252J. Wang et al. /工学6（2020）1244见图8。将微纤维组装成3D细胞结构的各种策略。(a)磁力;（b）STP：五碱三磷酸钠。(a)经Springer Nature许可，转载自参考文献[83]，©2015;（b）转载自参考文献[83]，[84]经皇家化学学会许可，©2010;（c）转载自参考文献。[85]在Springer Nature的许可©2014;（d）转载自Ref.[86]经Springer Nature Limited许可，©2013;（e）转载自Ref.[81]经ACS Publications许可，©2016;(f)转载自Ref。[ 81]经Elsevier B.V许可，©2017。Lee等人[92]提出了沟槽微纤维的连续微流体制造，并将沟槽纤维上的神经元细胞生长与光滑纤维上的神经元细胞生长进行了比较，如图1所示。 9（a）。发现大多数神经元细胞沿着凹槽纤维的脊排列，而许多神经元细胞在光滑纤维上形成随机定向的结果表明，沟槽状微纤维表面刺激神经细胞定向研究人员还探索了微纤维尺寸对粘附细胞方向的影响[93]。结果发现，随着PLGA微纤维尺寸的减小，成纤维细胞的取向增加。除了有凹槽的微纤维，通过其他方法制造的图案化微纤维也显示出细胞引导能力[94，95]。Zhang等人[94]基于生成过程中的Kelvin-Helmholtz不稳定波构建了具有对齐的亚微米形貌的藻酸盐微纤维通过调节纤维的灌注和旋出速率，可调节纺成水凝胶的取向亚微米形貌。接种在剪切图案纤维表面的PC12细胞呈现出沿纤维轴的有序扩散趋势，而培养皿或光滑纤维上的细胞则随机取向（图9（b））[94]。 通过微流体打印构建的3D微纤维网络也被证明具有引导和定向细胞生长的功能，如图9（c）所示[95]。生成的壳聚糖支架具有可编程的周期性图案，具有褶皱的表面，并直接在空气中打印。在表面的微纤维支架被发现沿打印方向的壳聚糖长丝。4.2. 3D细胞培养已知细胞对微环境有反应，微环境影响细胞的形态、粘附、迁移、增殖和分化[96，97]。与传统的2D培养相比，3D细胞培养方法显示出很强的模拟细胞相互作用和体内微环境的能力[98，99]。因此，3D方法使得在体外恢复原始组织生理学的3D结构和部分功能成为可能。因此，3D细胞培养在细胞生物学、药物发现、组织工程和其他领域中至关重要。已经提出了用于3D细胞培养的各种方法[100由微流体产生的微载体或微纤维已经成为新型3D细胞培养平台，其具有仿生3D细胞支持、高通量制造、良好的尺寸和几何形状调节以及可控的细胞微环境的特征大量的研究工作一直致力于这一领域。Wang Y和WangJ[103]开发了一种液滴微流体方法，用于使用藻酸盐和基质胶混合水凝胶微载体制造多细胞肿瘤球体。将人宫颈癌（HeLa）细胞包裹在微载体中，并使细胞间紧密连接.在微载体中形成的HeLa细胞球状体用抗癌药物进行了测试，表明J. Wang等/ Engineering 6（2020）1244图9.第九条。细胞引导和3D细胞培养在医疗增材制造中的应用（（a）复制自Ref。[92]经John Wiley Sons，Inc.许可©2012;（b）转载自Ref.[94]经约翰牛津大学出版社许可，©2017;（c）转载自参考文献。[95]经John Wiley& Sons，Inc.许可，©2017;（d）经Springer Nature Limited许可转载自参考文献[106]，©2013;（e）经John Wiley& Sons，Inc.许可转载自参考文献[75]，© 2014年。肿瘤细胞球状体在体外模拟肿瘤特性的能力。这种产生多细胞肿瘤球体的微流控方法可用于细胞相互作用研究、肿瘤治疗和抗癌药物的高通量筛 选 。 Core–shell structured microcarriers with embryonic stem(ES)cellsencapsulatedinsidewerealsofabricatedfrommicrofluidics by He et al. 它们的微载体对ES细胞的三维培养显示出良好的促进其聚集和增殖的能力。与2D培养相比，ES细胞的多能性也保持较高。此外，研究人员将细胞包封在核壳微载体中这种三维仿生平台有望在发育生物学和高通量药物筛选中获得广泛的应用。Leong等人[106]对含有细胞球状体的微载体进行了类似但更详细的研究封装为微环境评估（图9（d-i））。研究人员用油层取代了水凝胶壳，简化了封装过程，降低了各相的粘度要求。与油中的两亲性表面活性剂组合，该特征在液滴系统中150分钟后诱导快速球状体形成，而使用其他现有技术为1-将hMSC分别用藻酸盐和藻酸盐-精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（-RGD）包封以在核中形成球状体，其在后一种情况下表现出增强的成骨分化（图1A和1B）。9（d-iii）和（d-iv））[106]。这一结果表明，液滴系统的内核材料可以被改变，以微调所需的分化的微环境。载有细胞的微纤维也在3D细胞培养中发挥重要作用Zhao等人[75]将细胞均匀地包封在藻酸盐微纤维中，以提供细胞的3D微环境，如图1所示。图9（e）.肝癌细胞（HepG2）在微纤维中增殖并逐渐聚集形成球状体。获得了大量的细胞球状体，响应于载有细胞的微纤维的连续微流体纺丝。通过消化Ca-Alg，获得的细胞球状体被释放用于进一步的应用。作者还研究了不同微纤维结构对使用该微流控系统的细胞性能的影响。4.3. 组织组装组织样细胞构建体可以通过将工程化微载体或微纤维组装或堆叠成任意3D结构来实现Takeuchi等人[107]开发了一种快速构建方法，通过将大量装载细胞的胶原微载体堆叠到设计的硅胶室中来实现宏观3D细胞构建体（图10B）。 10（a））。由于位于微载体表面的细胞在不添加任何粘合剂的情况下形成细胞-细胞粘附，因此可以快速生成3D组织结构He等人[58]采用类似的自下而上组装方法制造了3D血管化人类乳腺肿瘤。研究人员首先通过将癌细胞包裹在微载体的核心中进行小型化3D培养来获得无血管微肿瘤，然后将其与内皮细胞和其他基质细胞组装在一起以制造3D血管化肿瘤。3D血管化肿瘤表现出比无血管微肿瘤或2D培养的癌细胞更高的耐药性Zhao等人[81]应用来自微流体的生物活性微纤维来创建多个3D结构。首先产生包封有人脐静脉内皮细胞（HUVEC）的中空水凝胶微纤维。结果发现，HUVECs粘附在中空微纤维的内界面上，然后伸展形成单层细胞管，其成分和结构与血管相似。随后可以通过堆叠或交错编织微纤维来创建逐层微结构或网格结构，这在模仿微纤维状网络组织以用于进一步应用中显示出前景。除了基于微载体/微纤维的细胞构建体之外，Wallace et al.[108]第108话我的世界1254J. Wang et al. /工学6（2020）1244图10个。组织组装和治疗在医疗增材制造中的应用（a，b）组织组装;（c，d）伤口愈合。M0F：(a)复制自Ref。[107]经John Wiley Sons，Inc.许可©2011;（b）转载自Ref.[94]经Elsevier B.V许可，©2015;（c）转载自参考文献[111]经英国皇家化学学会许可，©2018;（d）转载自参考文献。[52]经Springer Nature Limited许可，©2015。生物打印方法构建3D类脑结构（图） 10（b））。自由形成的3D结构具有由肽改性的生物聚合物和包封的原代神经细胞组成的分层在该3D结构模型中形成了多层神经回路（图10（b-iii）），为脑疾病理解和脑相关学习和记忆铺平了道路。4.4. 治疗具有可注射水凝胶材料、功能性生物学线索和治疗性细胞的载有细胞的微载体或微纤维可应用于医学移植、伤口愈合和组织再生领域[109，110]，这是因为它们具有通过微创植入程序复制天然组织/结构功能的潜力和有前景的能力。这一领域越来越受到人们的关注，并发表了各种相关的研究著作。Takeuchi等人[86]探索了载有细胞的微纤维在医疗移植中治疗糖尿病的适用性。他们首先用海藻酸盐-琼脂糖互穿网络（IPN）水凝胶包裹胰岛细胞微纤维，这不仅将纤维与纤维化反应隔离，而且还保护细胞免受免疫攻击。然后将产生的原代胰岛细胞微纤维植入糖尿病小鼠，随后呈现正常的血糖浓度。相比之下，裸注射分散的原代胰岛细胞与微纤维中相同数量的细胞失败。这一结果证明了所产生的原代胰岛细胞微纤维用于治疗糖尿病的治疗能力。Zhao等人[111]提出了一种用于伤口愈合应用的载有维生素金属有机框架（MOF）的微纤维在微流控通道中原位合成了核壳结构的海藻酸盐微纤维。高度控制core–shell structure of the microfiber allowed gentle and control-lable 当微纤维组装成膜并施加到小鼠全层皮肤感染伤口模型时，释放的铜离子、锌离子和生物相容性维生素配体加速了组织除了微纤维之外，Segura等人[52]开发了一种新的基于构建块的方法，以实现可注射的基于微载体的组织模拟构建体，其被递送到伤口部位用于伤口愈合。如图10（d）[52]所示，可注射结构的伤口闭合速度明显快于其他对照组。更快的伤口闭合归因于3D构建结构的微尺度孔隙率。干细胞作为细胞微载体或微纤维以及细胞治疗的应用前景广阔可注射的载有干细胞的微载体或微纤维能够快速降解，导致细胞在体内释放。例如，人脐带间充质干细胞（hUCMSC）在注射4天后从微载体中释放，并显示出良好的增殖和成骨分化[112]。具有良好生物相容性的载干细胞的微载体或微纤维也可以预期用作治疗因子长期递送的新平台。总之，装载有功能性细胞（无论是治疗性细胞还是干细胞）的微载体或微纤维在基于细胞的治疗和再生医学中显示出显著的重要性。5. 结论和前景本文综述了近年来微流控技术制备载细胞微载体和微纤维及其在医用增材制造领域的应用从基于机制的dropletJ. Wang等/ Engineering 6（2020）1244本文从微流体技术和微流控纺丝
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