רוב התאים בגוף האדם קיימים בסביבות תלת מימדיות מורכבות, ובכל זאת הם עדיין נחקרים בדרך כלל על צלחות פלסטיק שטוחות. תרבויות דו-ממדיות אלו מעוותות את התנהגות התא, ומגבילות את הרלוונטיות שלהן לחיזוי תגובות ביולוגיות ברקמות אמיתיות. טכנולוגיות מיקרופלואידיות שיפרו את השליטה על תנאי תרבית תאים, אך מערכות רבות מסתמכות על זרימת נוזלים רציפה, משאבות חיצוניות ותהליכי ייצור מסובכים. מיקרופלואידיקה דיגיטלית מציעה מניפולציה מדויקת ברמת טיפות, אך התקשתה לתמוך בצמיחה אמיתית של תאים תלת מימדיים עקב היעדר מבנים מיקרוניים על השבב. בהתבסס על אתגרים אלו, יש צורך ברור בפלטפורמות פשוטות ומשולבות המשלבות שליטה מדויקת עם תרבית תאים תלת מימדית רלוונטית מבחינה פיזיולוגית.
במחקר שפורסם (DOI: 10.1038/s41378-025-01098-9) ב מיקרו-מערכות וננו-הנדסה בשנת 2025, חוקרים מאוניברסיטת מקאו ומשתפי פעולה מתארים פלטפורמה דיגיטלית מיקרופלואידית משולבת שתוכננה במיוחד עבור תרבית תאים תלת מימדית. הצוות השתמש בתהליך הדפסה תלת מימד מיקרו-ננו שלב אחד לייצור מיקרו-מבנים תלת מימדיים ישירות על גבי אלקטרודות מיקרופלואידיות. השבב המתקבל מאפשר תנועת טיפות מבוקרת, לכידת תאים יעילה ויצירה מהירה של כדוריות תאים תלת מימדיות. ניסויים הראו פעולה יציבה וחיות תאים גבוהה עד 72 שעות, והדגימו את המעשיות של הפלטפורמה למחקרים ביולוגיים מתקדמים.
בלב הפלטפורמה נמצאת אסטרטגיית ייצור הממזגת מיקרופלואידיקה דיגיטלית ומבנים מיקרו ממדיים למכשיר אחד. במקום להסתמך על ליתוגרפיה רב-שלבית וייצור חדר נקי, החוקרים השתמשו בסטריאוליטוגרפיה הקרנה כדי להדפיס את השכבה הדיאלקטרית, גדרות הכליאה ומערכים מיקרו-בארים בשלב אחד. גישה זו מפשטת באופן דרמטי את ייצור השבבים תוך שהיא מאפשרת שליטה מדויקת על המיקרו-סביבת הסלולר התלת-ממדית.
הצוות ביצע אופטימיזציה של פרמטרים מרכזיים השולטים בהפעלת טיפות, כולל מתח, גיאומטריית אלקטרודות וגובה מיקרו-מבנה. השבב תמך באופן מהימן בפעולות חיוניות של מיקרו-נוזל דיגיטלי כגון הובלת טיפות, פיצול ומיזוג על פני משטחים שטוחים ותלת-ממדיים כאחד. חשוב לציין, ניתן היה להוביל מתלי תאים לתוך בארות המיקרו בדיוק גבוה.
ברגע שהם כלואים בתוך המיקרו-מבנים התלת-ממדיים, תאים התאספו במהירות בעצמם לכדוריות קומפקטיות. בהשוואה לתרבויות דו-ממדיות קונבנציונליות, כדוריות אלו הראו אינטראקציות תא-תאים משופרות וארגון דמוי רקמה. מבחני כדאיות והתפשטות אישרו שהתאים נשארו בריאים במשך 24, 48 ו-72 שעות. ניתוחי הדמיה חשפו עוד יותר ארכיטקטורות רב-תאיות צפופות הדומות מאוד למבני רקמה in vivo, מה שמדגיש את הרלוונטיות הביולוגית של הפלטפורמה.
החוקרים מציינים ששילוב של מבני מיקרו תלת-ממדיים ישירות בשבב מיקרו-נוזל דיגיטלי נותן מענה לצוואר בקבוק ארוך שנים בתרבית תאים מיקרו-נוזליים. הם מדגישים כי הפלטפורמה משלבת בקרת טיפות מדויקת עם סביבת תלת מימד רלוונטית מבחינה ביולוגית, תוך הימנעות מתהליכי ייצור מורכבים. לדברי הצוות, האיזון הזה בין פשטות ופונקציונליות יכול לעזור להביא כלי תרבית תאים תלת מימדיים מתקדמים לשימוש רחב יותר, במיוחד במעבדות שאין להן גישה למתקני ייצור מיקרו מיוחדים.
לפלטפורמה החדשה יש השלכות מיידיות על תחומים שבהם מודלים מציאותיים של תאים חיוניים. בהקרנת תרופות, כדוריות תאים תלת-ממדיות מספקות לעתים קרובות תחזיות מדויקות יותר לגבי יעילות ורעילות התרופה מאשר תרביות שטוחות. השבב עשוי גם לתמוך במחקר בביולוגיה של סרטן, הנדסת רקמות ופיתוח איברים על שבב על ידי מתן אפשרות להיווצרות מבוקרת של מבנים רב-תאיים. במבט קדימה, החוקרים מתכננים להפחית עוד יותר את מתחי ההפעלה ולשלב יכולות חישה ותרבות משותפת מרובת תאים. התקדמות כזו יכולה לאפשר תרבית לטווח ארוך יותר ומודלים מורכבים יותר של רקמות, לצמצם את הפער בין ניסויי מעבדה למערכות חיות.
