[发明专利]一种用于人体管状器官生物机械力模拟的微流控芯片

说明书

本发明提供了一种用于人体管状器官生物机械力模拟的微流控芯片，所述芯片包括内外同轴的双层通道，所述双层通道的内层通道内表面用于黏附细胞以模拟管状器官，所述内层通道为圆形通道，所述双层通道的内层通道和外层通道之间设有隔膜，所述隔膜在受到压力的情况下带动所述内层通道拉伸或挤压以模拟管状器官的舒张或收缩。该芯片采用圆形通道培养细胞用于模拟血管、肠道及气管等管状器官，更加接近于生理组织结构，本申请的双层通道设计使得变形发生在三维空间，是管状结构的变形，更加接近于真实的生理情形，在体外研究管状器官功能及机械应力作用时更加准确。

技术领域

本发明属于器官芯片技术领域，具体涉及一种用于人体管状器官生物机械力模拟的微流控芯片。

背景技术

器官芯片技术为在微米或毫米级别尺寸的流体通道或腔室内进行活体细胞培养从而实现对器官或组织的模拟。由于流体通道尺寸微小，生物细胞的培养条件如流体容量、流动特性等得以进行精确调控，由此，器官芯片提供了一个良好可控的微尺度环境进行生物细胞实验，如细胞的接种、生长及长期维持；同时也可以对细胞施加至少一种体内条件下所观测到的机械作用，从而模拟实体器官或组织的生理环境。

研究表明，机械力对细胞行为至关重要。例如，血管内皮细胞即持续暴露于血液流动及舒张/收缩所造成的不同物理力学作用下维持正常功能。因此，为更合理地研究血管功能，就需要在体外模型中引入相应的机械作用力从而更真实地反应体内条件。又如，体液剪切力及蠕动张力等机械应力对人体肠道结构和功能有着关键影响。肠道表皮行使正常功能时涉及到多种机械应力作用，如由于纵向肌肉细胞周期性的收缩会形成肠道蠕动的机械运动，而这种活动对消化道功能产生显著影响，同时在微观上对肠道细胞施加了机械应变。因此，作为肠道正常生理微环境的关键因素，在建立体外生理相关性模型时也必须考虑对相关力学条件的模拟。

虽然一些文献及专利报道的装置中包含了类似的功能，如将细胞培养过程置于特定的机械刺激下，但大部分采用矩形通道而非血管结构中的圆形管道。Nguyen,Thanh Qua等采用在矩形通道中填充PDMS并利用气流固化的方法制作了不同深度的圆形通道，并构建了血管模型模拟血栓形成。Pollet,Andreas MAO等则采用3D打印的糖纤维为模板制作了相互连接的血管网络模型。上述努力一定程度上实现了对于圆形血管结构的模拟，然而并不能实现对于血管机械力学运动如扩张/收缩等过程的研究。

另外，目前器官芯片大多使用PDMS为芯片制作材料，然而由于疏水小分子极易吸附于PDMS材料表面，大大限制了PDMS材料的器官芯片在药物筛选领域的应用。而矩形通道中，由于管道形状及管壁性质，流体在管道截面上的剪切作用并不均匀，造成细胞分布与状态也不完全一致。因此，采用圆形管道，有助于细胞沿通道均匀生长且通道中剪切压力分布均匀；同时，通道中游离分子与PDMS管壁的接触面积也可有效降低。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种用于人体管状器官生物机械力模拟的微流控芯片，所述芯片包括内外同轴的双层通道，所述双层通道的内层通道内表面用于黏附细胞以模拟管状器官，所述内层通道为圆形通道，

所述双层通道的内层通道和外层通道之间设有隔膜，所述隔膜在受到压力的情况下带动所述内层通道拉伸或挤压以模拟管状器官的舒张或收缩。

本发明所提供的用于人体管状器官生物机械力模拟的微流控芯片，还具有这样的特征，所述内层通道与细胞培养液控制管路连接，通过液体泵控制细胞培养液在内层通道内的流动，细胞培养液的流动在供给细胞生长的同时为细胞提供流体剪切作用力。

本发明所提供的用于人体管状器官生物机械力模拟的微流控芯片，还具有这样的特征，所述外层通道呈环形整体包裹在内层通道外或呈片状包裹在内层通道外。

本发明所提供的用于人体管状器官生物机械力模拟的微流控芯片，还具有这样的特征，所述外层通道为单段或多段通道。