Significance We present 3D acoustic tweezers, which can trap and manipulate single cells and particles along three mutually orthogonal axes of motion by recourse to surface acoustic waves. We use 3D acoustic tweezers to pick up single cells, or entire cell assemblies, and deliver them to desired locations to create 2D and 3D cell patterns, or print the cells into complex shapes. This technology is thus shown to offer better performance over prior cell manipulation techniques in terms of both accurate and precise motion in a noninvasive, label-free, and contactless manner. This method offers the potential to accurately print 3D multicellular architectures for applications in biomanufacturing, tissue engineering, regenerative medicine, neuroscience, and cancer metastasis research.

Significance We present a unique acoustic well approach that can precisely control cell-to-cell distance and cell–cell interactions. Our technology can achieve high precision and high throughput simultaneously while preserving the integrity of cells. It is capable of creating cell assemblies with precise spatial control both in suspension and on a substrate. We envision the exploitation of this powerful technology, for example, in the study of cell–cell interactions in fields, such as immunology, developmental biology, neuroscience, and cancer metastasis, and in the studies of cell–cell and cell–matrix adhesion.

Brain-inspired hardware emulates the structure and working principles of a biological brain and may address the hardware bottleneck for fast-growing artificial intelligence (AI). Current brain-inspired silicon chips are promising but still limit their power to fully mimic brain function for AI computing. Here, we develop Brainoware , living AI hardware that harnesses the computation power of 3D biological neural networks in a brain organoid. Brain-like 3D in vitro cultures compute by receiving and sending information via a multielectrode array. Applying spatiotemporal electrical stimulation, this approach not only exhibits nonlinear dynamics and fading memory properties but also learns from training data. Further experiments demonstrate real-world applications in solving non-linear equations. This approach may provide new insights into AI hardware.

Abstract Opioids are commonly used for treating chronic pain. However, with continued use, they may induce tolerance and/or hyperalgesia, which limits therapeutic efficacy. The human mechanisms of opioid-induced hyperalgesia are significantly understudied, in part, because current models cannot fully recapitulate human pathology. Here, we engineered novel human spinal microphysiological systems (MPSs) integrated with plug-and-play neural activity sensing for modeling human nociception and opioid-induced tolerance. Each spinal MPS consists of a flattened human spinal cord organoid derived from human stem cells and a 3D printed organoid holder device for plug-and-play neural activity measurement. We found that the flattened organoid design of MPSs not only reduces hypoxia and necrosis in the organoids, but also promotes their neuron maturation, neural activity, and functional development. We further demonstrated that prolonged opioid exposure resulted in neurochemical correlates of opioid tolerance and hyperalgesia, as measured by altered neural activity, reduced densities of glutamate transporter levels and downregulation of μ-opioid receptor expression of human spinal MPSs. The MPSs are scalable, cost-effective, easy-to-use, and compatible with commonly-used well-plates, thus allowing plug-and-play measurements of neural activity. We believe the MPSs hold a promising translational potential for studying human pain etiology, screening new treatments, and validating novel therapeutics for human pain medicine.

Abstract The aging of the immune system drives systemic aging and the pathogenesis of age-related diseases. However, a significant knowledge gap remains in understanding immune-driven aging, especially in brain aging, due to the limited current in vitro models of neuro-immune interaction. Here we report the development of a human brain organoid microphysiological analysis platform (MAP) to discover the dynamic process of immune-driven brain aging. We create the organoid MAP by 3D printing that can confine organoid growth and perfuse oxygen and nutrients (and immune cells) to generate standardized human cortical organoids that promote viability, maturation, and commitment to human forebrain identity. Dynamic rocking flow is incorporated for the platform that allows us to perfuse primary monocytes from young (20 to 30-year-old) and aged (>60-year-old) donors and culture human cortical organoids for modeling and analyzing the aged immune cell interacting organoid tissues systematically. We discovered the aged monocytes had increased infiltration and promoted the expression of aging-related markers (e.g., p16 in astrocytes neighboring to monocytes) within human cortical organoids, indicating that aged monocytes may drive brain aging. We believe that our human brain organoid MAP provides promising solutions for basic research and translational applications in aging, neuroimmunological diseases, autoimmune disorders, and cancers.

Abstract Alzheimer’s disease (AD) is a debilitating condition that affects millions of people worldwide. One promising strategy for detecting and monitoring AD early on is using extracellular vesicles (EVs)-based point-of-care testing; however, diagnosing AD using EVs poses a challenge due to the low abundance of EV-biomarkers. Here, we present a fully integrated organic electrochemical transistor (OECT) that enables high accuracy, speed, and convenience in the detection of EVs from AD patients. We incorporated self-aligned acoustoelectric enhancement of EVs on a chip that rapidly propels, enriches, and specifically binds EVs to the OECT detection area. With our enhancement of pre-concentration, we increased the sensitivity to a limit of detection of 500 EV particles/μL and reduced the required detection time to just two minutes. We also tested the sensor on an AD mouse model to monitor AD progression, examined mouse Aβ EVs at different time courses, and compared them with intraneuronal Aβ cumulation using MRI. This innovative technology has the potential to diagnose Alzheimer’s and other neurodegenerative diseases accurately and quickly, enabling monitoring of disease progression and treatment response.

Abstract The fusion of human organoids holds promising potential in modeling physiological and pathological processes of tissue genesis and organogenesis. However, current fused organoid models face challenges of high heterogeneity and variable reproducibility, which may stem from the random fusion of heterogeneous organoids. Thus, we developed a simple and versatile acoustofluidic method to improve the standardization of fused organoid models via a controllable spatial arrangement of organoids. By regulating dynamic acoustic fields within a hexagonal acoustofluidic device, we can rotate, transport, and fuse one organoid with another in a contact-free, label-free, and minimal-impact manner. As a proof-of-concept to model ventral tegmentum (VTA)-prefrontal cortex (PFC) projection, we acoustically fused human forebrain organoids (hFOs) and human midbrain organoids (hMOs) with the controllable alignment of neuroepithelial buds. We characterized the successful development of fused assembloids via robust tyrosine hydroxylase (TH) neuron projection, accompanied by an increase of firing rates and synchrony of excitatory neurons. Moreover, we found that our controllable fusion can promote neuron projection (e.g., range, length, and density), projection maturation (e.g., higher firing rate and synchrony), and neural progenitor cell (NPC) division in the assembloids. Thus, our acoustofluidic method would facilitate the standardization and robustness of organoid-based disease models and tissue engineering.

Abstract This study investigates the film formation mechanism of lubrication using a small quantity of lubricating medium in a water environment. A roller-on-disc test rig combined with a fluorescent technique is employed to directly measure and observe the film formation behavior when a small amount of lubricating medium is introduced into the water. Additionally, a surface-modified disc is used to examine the impact of wettability gradients on the film-forming capability of the lubricating medium. The results indicate that the film thickness between the roller and the disc increases with the injection of two types of lubricating oils into the water at varying disc speeds, both for the original and modified discs. During the 10-second oil supply period, the spreading behavior of the lubricating oil on the lubricating track influences the film thickness stability. Furthermore, the surface-modified disc demonstrates an enhanced film thickness compared to the original disc, and viscosity becomes a key factor limiting the film-forming capability of the lubricating oil as the disc speed increases for both disc types. This research offers valuable insights for the design of new water-lubricated bearings.

Organoids, three-dimensional in vitro organ-like tissue cultures derived from stem cells, show promising potential for developmental biology, drug discovery, and regenerative medicine. However, the function and phenotype of current organoids, especially neural organoids, are still limited by insufficient diffusion of oxygen, nutrients, metabolites, signaling molecules, and drugs. Herein, we present Vascular network-Inspired Diffusible (VID) scaffolds to fully recapture the benefits of physiological diffusion physics for generating functional organoids and phenotyping their drug response. In a proof-of-concept application, the VID scaffolds, 3D-printed meshed tubular channel networks, support the successful generation of engineered human midbrain organoids almost without necrosis and hypoxia in commonly used well-plates. Compared to conventional organoids, these engineered organoids develop with more physiologically relevant features and functions including midbrain-specific identity, oxygen metabolism, neuronal maturation, and network activity. Moreover, these engineered organoids also better recapitulate pharmacological responses, such as neural activity changes to fentanyl exposure, compared to conventional organoids with significant diffusion limits. Combining these unique scaffolds and engineered organoids may provide insights for organoid development and therapeutic innovation.