[发明专利]一种基于微流控芯片的仿生体内关节软骨微环境的结构

说明书

本发明公开了一种基于微流控芯片的仿生体内关节软骨微环境的结构，涉及微流控技术领域，包括依次叠加的上层、中层和下层，上层和下层均设置有压力系统，中层设置有浓度梯度生成器和若干细胞培养单元，浓度梯度生成器与细胞培养单元连通，压力系统与细胞培养单元对应。本发明集物理微环境和化学微环境为一体，通过本发明能够利用少量细胞对软骨细胞体外扩增环境进行高通量筛选，优化选择最佳适合软骨细胞增殖且维持表型的因子浓度及压应力刺激强度，证实了微流控芯片技术在软骨组织工程应用的可行性，模拟体内力学刺激的微环境，为体外快速扩增软骨细胞提供方案，从而提高种子细胞质量，改善自体软骨细胞移植治疗效果。

技术领域

本发明涉及微流控技术领域，特别是涉及一种基于微流控芯片的仿生体内关节软骨微环境的结构。

背景技术

关节软骨无血供、淋巴回流和神经支配，具有极弱的自我修复能力。在体内生理条件下，关节软骨主要受到压应力、间隙液体流动等物理微环境刺激及关节液润滑渗透营养物质等化学微环境刺激。因此，外部的微环境信号刺激对于关节软骨细胞的代谢及维持软骨基质的内环境稳定具有重要作用。对于健康的关节软骨，大约70-80％的组成成分为水，软骨细胞的代谢和营养传递主要通过关节软骨动态压缩而产生的间隙性液体流动刺激来调控。关节软骨在形态上可以分为两部分：一部分是固态物质(固相)，包括软骨细胞、胶原蛋白(Ⅱ型胶原为主)、蛋白多糖(GAGs)和其他少量糖蛋白；另一部分为液态物质(液相)，包括水和离子。关节软骨的微观形态是具有一定垂直纵向排列的取向结构。软骨细胞外基质主要由胶原蛋白、蛋白多糖和水组成，对维持软骨功能具有重要作用。关节软骨的生物学微环境(关节软骨固相/液相的双相理论及与之相应的生物力学)为：当关节软骨受力时，压应力进行传导，ECM(细胞外基质)受到挤压，水在ECM中流动。此时，在固相中，由于压应力的传导作用，ECM作用于软骨细胞，产生力学刺激信号，软骨细胞对于压力-形变是非常敏感的，作用在ECM上的力学变化导致细胞膜应力的变化，软骨细胞获得力学刺激信息，出现代谢活性的变化；在液相中，水由于压力梯度或者ECM的挤压在多孔-渗透性的固体ECM中流动，产生间隙流，刺激并营养软骨细胞的代谢。同时，由于水的流动，运输生化营养物质，产生新陈代谢，润滑关节。

微流控技术的快速发展为化学、生物学、临床医学、生物工程等领域的发展做出了重要贡献。微流控芯片因其具有同细胞大小匹配的微米尺寸构件、同生理环境接近的封闭环境、传质传热快和通量高等特点，已成为细胞生物学研究的理想平台，也为构建细胞自组装体系和功能化研究提供了一种全新的平台和技术。基于微流控系统对于细胞微环境的相关研究已经成为当前研究的热点，当前对于细胞微环境的研究主要涉及生物化学刺激、力学信号刺激、基质表面形态刺激、细胞与细胞间的相互作用、电场刺激、磁场和温度等刺激作用。其中，基于微流控芯片技术对于软骨细胞微环境的研究主要集中于生物化学刺激和力学信号刺激两方面。

生物化学刺激主要包括外部的生长因子或其他大分子物质等。现有技术公开了一种集成的浓度梯度可控的微流控芯片平台，初步探讨了在IGF-1和bFGF生长因子单独和联合作用于三维基质培养的兔软骨细胞增殖的最佳浓度，证实了微流控芯片装置可以作为一种有效的软骨组织工程研究的微平台。然而，该装置局限于生长因子作用的微环境，不能更好地模拟体内复杂的软骨动态微环境。

生理条件下软骨细胞所受到的机械性信号刺激主要包括间歇性的动态压应力和间隙性液体流动刺激。应用微流控芯片技术可以较容易地构建处软骨细胞外的各种机械微环境。现有技术中，运用可变的微加工装置构建出一种基于微操控技术来实现多条件的压应力微环境，该微装置可以对软骨细胞及干细胞成软骨分化提供良好的压力微环境。而该装置使用的是单纯的单项压力微环境，细胞混合水凝胶(聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA))材料，不能更好地模拟软骨细胞外基质材料因动态压缩所产生的的间隙性液体流动以及软骨细胞生长的基质材料及结构微环境。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于微流控芯片的仿生体内关节软骨微环境的结构，以解决上述现有技术存在的问题，集不同浓度细胞因子刺激、仿生支架成分、形态结构及不同强度机械力刺激为一体。