[发明专利]用于心肌细胞三维功能性培养的微流控芯片及制备方法及力学电学特性检测方法

说明书

本发明公开了一种用于心肌细胞三维功能性培养的微流控芯片及制备方法及力学电学特性检测方法，包括沟槽腔室结构和电极底板，进行心肌组织的三维培养和力学电学特性的检测；槽内加入心肌细胞悬浮培养液，通过槽内结构引导心肌细胞攀附立柱并沿着槽内通道生长并达到生理上的成熟，形成条带状心肌组织；通过对心肌组织搏动收缩造成的立柱弯曲程度的力学分析以达成检测心肌细胞的生理特性或病理缺陷等目的；通过将电极底板倒置使得心肌组织与电极底板的电极相接触可对心肌组织进行动作电位的监测，从电学上分析心肌组织的电生理特性或病理缺陷。本发明的微流控芯片使用透明的无生物毒性的材料加工而成，可在显微镜下进行实时监测、分析组织的动态生长成熟的过程，研究心肌细胞的生理、病理特征。

技术领域

本发明涉及微流控技术及动物组织培养分析领域，尤其涉及一种用于心肌细胞三维功能性培养的微流控芯片及制备方法及力学电学特性检测方法。

背景技术

微流控技术是指操控微小体积的流体完成将生物、化学等多交叉学科的实验手段。在生物实验领域，能够将生物组织培养缩小到对单个细胞操作和分析的精度水平。同时，通过各个操作单元间建立的微通道网络内流体的流动形成互相联系的系统，从而能从整体上实现特定功能。微流控技术既能做到微型化，即实现对生物细胞的单独操控，又能做到集成化，即实现多个生物操作的集合，体现了其灵活多变的特点。

微流控芯片中通过微结构可以实现对生物细胞、组织的捕获、分选、培养等操作，从而使得微流控芯片在生物领域有着广泛的利用价值。在芯片的微结构内获得细胞后，通过施加能够模拟的符合细胞生存的类体内生理环境条件，在抗菌环境、温度适宜且营养充足的条件下，使细胞生长、分裂、分化并形成结构，表达功能。微流控芯片依托于微加工技术，能够构建不同尺度且相对独立的的三维结构，从而实现对各个功能单元如微沟道、微泵、微阀和微反应器在局部的集成。此外利用微加工技术可将电学测量引入生物学研究中，通过对生物细胞或组织进行电阻抗频谱分析，可以作为生物电学分析依据，辅助细胞或组织的特性检测。生物电学测量具有对生物体几乎没有影响、稳定可靠、分析简单、方法成熟等优势，在特性检测、生物传感方面有着广阔的前景。

动物组织培养是指将动物的细胞取出，放置于模拟的符合细胞生存的类体内生理环境条件中，在抗菌环境、温度适宜且营养充足的条件下，使细胞生长、分裂、分化并形成结构，表达功能。组织培养技术使用与真实细胞生长环境相类似的培养环境，有助于研究者分析细胞各项生理功能和现象的表达机制。同时，动物组织培养还为器官组织培养工程、胚胎干细胞工程、克隆技术、动物细胞产品大规模制作、基于细胞的体外试药等生物学以及医学领域提供了技术操作基础，具有极大的实际应用价值。动物组织培养是现代动物细胞工程的基础。

动物心肌组织培养作为组织培养的分支，用于研究心脏组织在特定环境下实现功能表达的情况，是对心脏器官研究的途径之一，对于生物体的器官、疾病的研究有很大意义。心脏细胞供给源可以是幼鼠具有高度分化能力的心脏细胞，也可以是诱导型多功能干细胞分化心肌细胞，即iPS细胞。其一般做法是通过医学方法取得哺乳动物血细胞，通过生物方法使其退分化成诱导型多能干细胞后，再利用心脏成纤维细胞培养条件和特定的处理方法诱导使其分化成心肌细胞。通过对诱导分化成的心肌细胞进行体外组织培养，使其分裂并成熟，就可成为适用于研究心脏生理和病理的新式的体外细胞模型。成熟的心肌细胞不仅可以作为体外试药的新载体，若使用人类血细胞作为供给源，还可以通过其功能表达、肌动蛋白的合成来检验细胞供给源是否存在或潜在心脏疾病，为医学诊断提供了新型的体外诊断方式。

心肌细胞工程一般使用的是传统的二维培养环境，即在传统的培养皿上进行细胞的诱导分化、细胞培养等操作。但是此种非生理性的培养环境以及培养器件可会影响心肌细胞的功能表达和细胞成熟。同时，二维的培养环境仅能通过细胞的基因表达和蛋白质的合成来判断细胞的状态和功能，这不仅增加了检测难度，增加了分泌产物的精度误差，增加了对细胞的伤害的可能性，也无法做到对组织的动态成长过程的实时监测，更无法在第一时间内知道心肌细胞对于药物的反映情况。