[发明专利]一种基于微流控芯片的人心脏模型的建立方法

说明书

本发明提供一种基于微流控芯片的人心脏模型的建立方法。该微流控芯片主要由细胞入口池、通道、细胞培养室和出口池组成，细胞培养室经直通道连接细胞入口池和出口池，细胞培养室为带有重复六边形凸起结构。人心脏模型的建立方法，按照以下步骤进行：(1)hiPSC定向分化成心肌细胞；(2)芯片修饰；(3)芯片内细胞的接种与培养；(4)人心脏模型的建立。该模型用于观察芯片内细胞活性考察及功能变化的表征；可用于人心脏发育学研究以及药物心脏毒性评价。本发明所述的一种基于微流控芯片的人心脏模型，特别针对心脏发育过程中，血流剪切力和基质表面微结构对心肌细胞发育成熟度的影响，观察心肌细胞在带有微结构表面以及不同流速灌流条件下的形态变化和排列。

技术领域

本发明属微流控芯片技术应用到组织仿生以及实时监测的细胞生物学研究的技术领域，具体涉及一种基于微流控芯片的人心脏模型的建立方法。

背景技术

心血管疾病是世界头号死因，每年死于心血管疾病的人数多于其他任何疾病。在药物研发过程中，超过1/3的药物由于心脏毒性而无法通过安全测试而被撤回。药物进行临床实验前需要进行大量的动物实验，这些实验一般十分昂贵，耗时长，伦理争议大，而且由于种属差异，不能准确反映药物在人体内的作用，往往导致药物在临床试验中的失败。传统二维细胞培养模型由于无法模拟器官在体内的微环境，功能不全，对药物的反应也与体内情况相差巨大。因此，亟需一种有效的体外心脏模型用于药物研发和毒性检测。

器官芯片是一种在微米级小室中连续培养组织细胞的微流控装置，它通过调节细胞的排布，微通道的设计等模拟组织微环境，能很好地再现组织或器官水平的生理活动和功能，为药物研发提供体外模型。人诱导多能干细胞(hiPSCs)的出现，为建立人体生理病理模型提供了可能。通过将hiPSCs定向诱导分化成不同的细胞类型，科学家构建了多种器官芯片模型，如肺，肝，血管，心脏等，并成功应用于药物筛选和毒理性研究。

HiPSCs诱导获得的心肌细胞往往呈现出胎儿期的特性，其形态，结构和功能都不成熟，作为药物筛选模型具有一定风险。体外心肌细胞的成熟与培养时间，流体剪切力，基质软硬度，细胞排列图案，电刺激等物理化学因素密切相关。因此，可以利用微流控技术在芯片上模拟这些物理化学因素，促进hiPSCs来源的心肌细胞成熟，建立更符合成年人心脏功能指标的体外心脏模型，为药物研发与筛选提供技术平台。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于微流控芯片的人心脏模型的建立方法，并应用于药物心脏毒性评价。

一种微流控芯片，该微流控芯片主要由细胞入口池、通道、细胞培养室、通道和出口池组成，细胞培养室经直通道连接细胞入口池和出口池。

该微流控芯片由上下两层芯片材料不可逆封接而成，上层芯片材料为带有腔室和通道的可透光透气的PDMS聚合物，其上具有覆盖基底表面图案的腔室以及通道；

下层芯片材料为可透光透气的，表面带有重复六边形凸起结构的PDMS聚合物，表面带有重复六边形凸起结构的PDMS聚合物；

上层芯片材料经等离子体处理30-60s不可逆封接于下层材料上，上层芯片的细胞培养室覆盖基底带有结构的区域。

上层芯片材料的腔室及通道高度为200-2000um，可适用于流速为0.1ul/min-100ul/min的灌流培养。

下层基底材料为六边形凸起的六边形长30-600um，宽10-100um，间距5-40um，高2-200um，重复个数20-2000。

本发明还提供了一种基于微流控芯片的人心脏模型的建立方法，采用上述微流控芯片，基本过程如下：

(1)hiPSC定向分化成心肌细胞