[发明专利]集成肠道多模态运动三维腔体肠器官芯片及方法

说明书

本公开提供了一种集成肠道多模态运动三维腔体肠器官芯片及方法，包括用于培养分化肠上皮细胞的腔体多孔薄膜，腔体多孔薄膜外侧设置有支撑薄膜，所述支撑薄膜与气体通道连接，通过气体通道的进/排气，带动支撑薄膜运动，进而使所述腔体多孔薄膜发生形变，以模拟紧张性收缩动作；腔体多孔薄膜外侧设置有一设置有容纳区域的腔体，能够为所述腔体多孔薄膜提供培养液灌流区域，形成具有轴向与环向剪应力的微机械环境；腔体多孔薄膜上圆周嵌有多个闭合磁带，闭合磁带能够随着腔体外可移动设置的螺线管通电产生磁场，从而使所述腔体多孔薄膜对应位置发生径向收缩动作。

技术领域

本公开属于微机电工程和生物医学技术领域，具体涉及一种集成肠道多模态运动三维腔体肠器官芯片及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

目前，对疾病治疗的新型口服药物筛选主要依赖于动物模型。新药在进入市场前，需通过动物模型进行疗效及安全性评估后，才可进一步实施人类的临床测试。基于动物模型的药物筛选成本高，耗时长，存在伦理争议；而且通过测试的药物中，超过95％不适用于人类，甚至对人类有毒副作用。这一结果与物种间的肠细胞代谢能力、吸收效率、以及跨膜渗透率的差异性有关。

由于以上问题的存在，基于人类离体肠细胞/组织/器官模型日益引起人们的关注。陆续出现了肠上皮细胞培养系统等产品，但这些早期的产品与后续研发的人工肠器官及在体肠器官有很大差异。

由微机电系统(MEMS)发展而来的微流控器件(Microfluidicdevice)为模拟离体细胞/组织/器官的微生理/微物理环境提供了可能，进一步衍生而来的器官芯片(OOC,Organ-on-a-chip)为精确控制多个参数、体外模拟人类单个/多个器官的行为活动、机械特性以及生理反应提供了可能。基于OOC技术，Ingber及其他课题组将模拟肺功能的微流控芯片，改用于肠器官的分化培养，能够实现肠细胞-细菌共生培养及探究致病菌对肠形貌的影响。

据发明人了解，这些研究为探索体外模拟肠器官功能实现及药物筛选做出了重要贡献，获得的肠道在形貌和功能的各指标上相对Transwell模型均有重大进展，但依旧存在以下方面不足：

仅可实现二维平面细胞培养，在模拟微流体的剪应力时，仅能实现轴向剪应力模拟；活体肠道在形态上是一种三维腔体结构，因而缺乏流体在腔体中的环向剪应力。

仅可模拟单一的紧张性收缩模式，不能模拟肠道的多模态运动形式(例如，对消化/吸收功能起主要作用的分节径向收缩以及推进食糜/药物的蠕动波)。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种集成肠道多模态运动三维腔体肠器官芯片及方法，本公开能够实现在体外模拟人类肠器官，集成多机械参数的、可分化出更贴近体肠道器官的形貌、肠上皮屏障及消化功能。

根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

一种集成肠道多模态运动三维腔体肠器官芯片，包括：

用于培养分化肠上皮细胞的腔体多孔薄膜，所述腔体多孔薄膜外侧设置有支撑薄膜，所述支撑薄膜与气体通道连接，通过所述气体通道的进/排气，带动支撑薄膜运动，进而使所述腔体多孔薄膜发生形变，以模拟紧张性收缩动作；

所述腔体多孔薄膜外侧设置有一设置有容纳区域的腔体，能够为所述腔体多孔薄膜提供培养液灌流区域，形成具有轴向与环向剪应力的微机械环境；

所述腔体多孔薄膜上圆周嵌有多个闭合磁带，所述闭合磁带能够随着腔体外可移动设置的螺线管通电产生磁场，从而使所述腔体多孔薄膜对应位置发生径向收缩动作。

上述设计方案中，通过各个元件之间的配合，能够使腔体多孔薄膜产生紧张性收缩动作、分节径向收缩动作以及轴向与环向剪应力的多模态运动模拟；根据多机械控制参数，探索其与肠器官代谢能力、吸收效率、以及跨膜渗透率的关系。