[发明专利]一种多功能微流控心脏芯片及其应用

说明书

本发明公开了一种多功能微流控心脏芯片，属于器官芯片技术领域，包括由上至下依次叠放的插孔层、流道层、腔室层和微电极层，流道层与插孔层和腔室层紧密相连，插孔层进入的液体进入流道层的微流道，再通过微流道与进入腔室层。本发明还公开了其应用。本发明的一种多功能微流控心脏芯片及其应用，本发明心肌细胞能够在芯片腔室中长期稳定的生长，并形成3D心肌微组织。通过铂丝提供电刺激促进心肌细胞的成熟，同时通过与细胞接触的微电极实时监测并采集心肌组织电生理参数。进而可进行药物筛选、环境毒物评价等应用。

技术领域

本发明属于器官芯片技术领域，具体涉及一种多功能微流控心脏芯片及其应用。

背景技术

微流控芯片是在微米量级空间操控流体的一种科学与技术，是21世纪最为重要的前沿技术之一，被认为是解决创新药物、化妆品和保健品研发成本过高、周期过长等关键问题，革新原有技术体系的关键技术。器官芯片是微流控芯片的一个亚类，它是在一块几平方厘米薄片内培养一种或多种功能细胞，从而模拟器官的一种仿生技术，器官芯片里的“器官”非常微小，但是具备真实器官的基本生理功能。心脏芯片是“器官芯片”中一个不可或缺的关键组成部分，这是因为心脏毒副作用是药物研发过程中的一个必须评估的内容。但是现有的药物安全性评估方法并不能有效地反映出心脏毒副作用，因此，构建人体心脏芯片用于改善现有药物安全性评估方法的不足已迫在眉睫。心脏芯片的目标是利用先进的微加工技术、干细胞技术、生物材料技术、组织工程技术和电子信息技术，在芯片上培养具有与体内心肌组织在结构及生理功能方面高度相似的人体“微心脏”，通过芯片观测心肌的电生理参数，并评价药物的疗效和安全性。

国际上只有为数不多的研究组报道了心脏芯片方面的进展，并成功监测了心肌的生理和功能参数，包括心肌搏动速率，搏动力大小(与收缩压和舒张压有关)，电传导速率等。通过这些电生理参数，以此评价体外建立的心肌模型与体内心脏的类似度。然而，目前心脏芯片研究虽然有不少进展，但与人体正常心肌组织相比，心脏芯片无论是在组织结构还是生理功能上都相差甚远。究其原因，最大的问题是心肌细胞的成熟程度：当前心脏芯片中的心肌细胞往往是不成熟的。用于制作心脏芯片的人源心肌细胞大多是从人iPS细胞或胚胎干细胞经诱导分化而来，与人体内的成熟心肌细胞有很大差异，表现出非成熟心肌细胞的特征。

目前很多研究表明，电刺激可以诱导心肌细胞发育为成熟的心肌细胞，促进细胞排列的定向性，增强心肌的同步搏动等。此外，原位“直接”地监测心肌组织的动态功能数据也很重要，目前报道的一些心脏芯片需要将培养的心肌组织取出到显微镜下观察，这样无法保证长时间监测心肌组织的实时动态变化，并且长时间观察会对心肌有一定的损伤，从而限制了在药物筛选过程中，长期实时监测药物对心肌组织的影响等。

发明内容

发明目的：为了解决现有技术存在的问题，本发明提供一种多功能微流控心脏芯片，该芯片模拟人体心脏器官，能够在其腔室中长期稳定的培养心肌细胞，并形成3D心肌微组织，芯片能够提供电刺激显著促进心肌细胞的成熟，同时能够实时监测并采集心肌组织电生理参数；本发明还公开了其应用，帮助解决当前药物、化妆品和保健品等在心脏毒性检测方面研发成本过高、周期过长等关键问题。

技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种多功能微流控心脏芯片，其特征在于：包括包括由上至下依次叠放的插孔层、流道层、腔室层和微电极层，所述的流道层与插孔层和腔室层紧密相连，插孔层进入的液体进入流道层的微流道，再通过微流道与进入腔室层。

进一步的，在所述的插孔层上设有四个通孔，其中，外侧两个通孔用于液体的流进和流出，内侧两个通孔中一个用于注射材料、细胞和药物到培养腔室中，另一个用于液体的流出。

进一步的，所述的插孔层、流道层、腔室层和微电极层的材料选自石英、玻璃、PMMA、PDMS聚合物中的任意一种。