CN104328050B - 具有微通道的器官模仿装置及其使用和制造方法 - Google Patents

具有微通道的器官模仿装置及其使用和制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种系统和方法，所述装置包括具有被一个或多个多孔膜分隔的中央微通道的主体。所述膜被设置成将所述中央微通道分隔成两个以上的平行的中央微通道，其中一种或多种第一流体经由第一中央微通道供应，一种或多种第二流体经由第二或多个中央微通道供应。每个多孔膜的表面可以用细胞粘附分子涂布，以支持细胞在所述膜的上下表面上的附着并促进它们的组织化。孔的大小足以仅允许交换气体和小的化学物质，或大小足以允许大蛋白和整个活细胞的移动和经过通道传递。流体压力、流动特性和通道几何形状也可以变化，以向一个或两个组织层施加所需的机械力。

Description

具有微通道的器官模仿装置及其使用和制造方法
相关申请的交叉参考
本申请要求2008年7月16日提交的美国临时申请号No.61/081,080的优先权，在此引入它的全部内容作为参考。
本申请是中国专利申请第200980132001.9号的分案申请，第200980132001.9号的专利申请其申请日是2009年7月16日，发明名称是“具有微通道的器官模仿装置及其使用和制造方法”。
政府支持
本发明受到美国国家卫生研究院资助号No.NIH R01 ES016665-01A1的政府支持。美国政府对其具有一定的权利。
技术领域
本发明总体上涉及一种具有微通道的器官模仿装置及其使用和制造方法。
背景技术
机械力-推力、拉力、张力、压力-是细胞发育和行为的重要调节因素。张拉整体结构提供了决定这些物理力在细胞或组织内如何分布以及它们在哪里如何施加各自影响的结构。
在人体内，大部分细胞不断受到机械力，如张力或压力。对培养基中的细胞施加机械应变模拟体内环境，从而在细胞内造成巨大的形态变化和生物力学反应。既存在当细胞被机械地加到培养基中时发生的长期变化，也存在短期变化，例如在DNA或RNA合成或降解、蛋白表达和分泌、细胞分裂和排列的速率和量方面的变化、能量代谢方面的变化、大分子合成或降解的速率方面的变化以及在生物化学和生物能学方面的其他变化。
每个细胞具有内部支架或细胞骨架，即由分子“柱和线”形成的格子。“线”是一种被称作微纤丝的细线的纵横交错的网络，它从细胞膜延伸到细胞核，施加向内拉力。对抗拉力的是微管、细胞骨架的较厚承压“支柱”、将细胞锚定到细胞外基质的细胞外膜上的特事实上受体分子以及将细胞群保持在一起的纤维物质。这种力平衡是张拉整体结构的特点。
组织从细胞群构建而成，组织象位于细胞外基质的“蛋盒”上的蛋。用于将细胞锚定到基质的受体分子(称为整合素)使细胞连接到更广阔的世界。首先通过这些锚固点上的整合素感受到组织上的机械力，然后由细胞骨架运输到每个细胞内部的深区域。在细胞内部，机械力可能会使蛋白分子的形状振动或改变，从而引发生化反应，或者拖曳细胞核中的染色体，从而活化基因。
细胞也可被认为具有“紧张度”，就象肌肉一样，这是因为对细胞骨架的纤丝不断施加拉力。就象被拉伸的琴弦在沿其长度上的不同点施加力时会产生不同的声音，细胞取决于它如何被扭曲而产生不同的化学信号。
生长因子取决于细胞如何被拉伸而具有不同的效果。被拉伸和扁平化的细胞，如在伤口表面上的细胞，倾向于生长和繁殖，而由过度拥挤条件紧缩的圆化细胞开启“自杀”程序并死亡。相比而言，既未拉伸也未回缩的细胞继续发挥它们预定的功能。
细胞张拉整体结构的另一原则在于物理位置方面。当调控分子在细胞内松散浮动时，它们的活性很少受到作用在整个细胞上的机械力的影响。但是当它们附着到细胞骨架上时，它们成为更大网络的一部分，而且处于影响细胞作出决定的位置。许多调控和信号分子锚定在细胞表面膜处的细胞骨架上，在称作粘附点的部位中，在那里整合素集群。这些最初位置是关键的信号处理中心，就象计算机网络中的节点，在那里邻近分子可以接收来自外部世界的机械信息并交换信号。
因此，在生理环境中评估药物、药物输送载体、纳米诊断或治疗或环境应激物(如粒子、气体和毒素)的全面效果，不仅需要研究细胞-细胞以及细胞-化学相互作用，而且需要研究这些相互作用在健康组织和患病组织中如何受到生理机械力的影响。
用于改变培养基中细胞的机械环境或反应的方法包括通过刮开单层使细胞受伤，施加磁场或电场，或者通过用螺旋装置施加静态或循环张力或压力、施加液压或将重物直接施加到培养的细胞上。通过使细胞接触流体流诱发了剪应力。然而，这些程序中很少有程序允许量化施加的应变或提供的调控，从而在维持生理相关的组织-组织相互作用的培养基微环境内实现宽广再现范围的周期变形。
活器官是由两个以上紧邻的组织构成的三维血管化结构，它们一起发挥功能并在动态机械力(如流体剪切和机械应变)存在下穿过组织-组织界面输送材料、细胞和信息。制造含有用于再现这些生理组织-组织界面并允许流体流动和动态机械变形的活细胞的微装置，对于研究复杂的器官功能(如免疫细胞搬运、营养吸收、感染、氧气和二氧化碳交换等)和对于药物筛选、毒理、诊断和治疗具有重要价值。
肺泡毛细血管单元在维持肺的正常生理功能以及各种肺部疾病的发病和进展方面起到至关重要的作用。由于肺的复杂结构、肺泡及其周围的微脉管和小尺寸以及该器官的动态机械运动，因此在微观上很难研究这种结构。
肺在解剖学上具有独特结构，是导管的分级分支网络，导管能够使对流气体输送到微观肺泡室或从其输送对流气体，气体在那里发生交换。肺泡是肺正常呼吸的最重要的功能单元，是临床上最相关的，因为它是血气屏障或界面，以及表面活性剂起作用而允许空气进入并且免疫细胞、病原体和流体在急性呼吸窘迫综合征(ARDS)或感染(如肺炎)的患者中积聚的部位。
肺毛细血管和肺泡腔之间的血气屏障或组织-组织界面由紧密并列到由薄细胞外基质(ECM)分离的毛细血管内皮细胞单层上的肺泡上皮细胞单层构成，其通过胚胎中的细胞和分子自组装形成。几乎所有的肺泡-毛细血管单元的功能分析都在整个动物研究中进行，因为不可能在体外重建这种器官水平的结构。
主要挑战在于缺少可以促进多细胞和多组织器官样结构组装的实验工具，而多细胞和多组织器官样结构表现出肺泡-毛细血管单元的关键结构组织化、生理功能以及生理或病理机械活性，通常在每次呼吸循环中发生反复扩张和收缩。如果可以在体外重建这种器官水平结构并再现其生理机械微环境，则可以克服这种限制。然而，这并没有得到充分实现。
需要一种能够体外或体内使用的器官模仿装置，它能够发挥组织-组织有关功能，还允许细胞在该装置中不仅响应于化学物质而且响应于机械力自然地组织化，并允许研究模仿组织-组织生理学的通过膜的细胞行为。
发明内容
本发明涉及一种系统和方法，其中所述装置包括具有被一个或多个多孔膜分隔的中央微通道的主体。所述膜被设置成将所述中央微通道分隔成两个以上的紧邻平行的中央微通道，其中一种或多种第一流体经由第一中央微通道供应，一种或多种第二流体经由第二或多个中央微通道供应。每个多孔膜的表面可以用细胞粘附分子涂布，以支持细胞在所述膜的上下表面上的附着并促进成为组织的组织化，从而产生由相邻平行流体通道之间的多孔膜隔开的一个或多个组织-组织界面。膜可以是多孔的、柔软的、弹性的或其组合，其中孔的大小足以仅允许交换气体和小的化学物质，或大小足以允许大蛋白和整个活细胞的移动和经过通道传递。流体压力、流动特性和通道几何形状也可以变化，以向一个或两个组织层施加所需的流体剪切应力。
在一个实施方案中，向邻近中央通道的操作通道施加正或负压力，产生压力差，使膜响应于压力选择性地扩张和收缩，从而进一步生理模拟活组织-组织界面的机械力。
在另一个实施方案中，由多个平行多孔膜分隔三个以上的平行微通道，其中在中央通道中由相同的组织类型作为衬里并且在两个外部通道中在膜的相对侧上由两种不同的组织类型作为衬里。一个例子是癌症模仿装置，其中癌细胞在中央微通道中和在两个多孔膜的内表面上生长，而毛细血管内皮细胞在多孔膜的相对表面上生长，淋巴内皮细胞在第二多孔膜的相对表面上生长。这将重建肿瘤微结构，并允许研究氧气、营养物质、药物和免疫细胞经由血管的输送以及肿瘤细胞经由淋巴微通道的退出和转移。
附图说明
附图并入本说明书中并构成其一部分，显示了实施方案的一个或多个例子，与例示性实施方案的说明一起用于解释实施方案的原理和实施。在附图中：
图1显示使用根据一个实施方案的例示性器官模仿装置的系统的方块图。
图2A显示根据一个实施方案的器官模仿装置的立体图。
图2B显示根据一个实施方案的器官模仿装置的分解图。
图2C-2D显示根据一个实施方案的装置的组织-组织界面区的立体图。
图2E-2G显示根据一个或多个实施方案的装置的组织-组织界面区的俯视截面图。
图3A-3B显示根据一个实施方案的装置的组织-组织界面区的立体图。
图3C-3E显示根据一个或多个实施方案的膜的立体图。
图4A-4C显示根据一个实施方案的两通道装置的膜形成的立体图。
图4D显示根据一个实施方案的组织-组织界面装置的膜的侧视图。
图5A-5E显示形成根据一个实施方案的器官模仿装置的立体图。
图6显示使用根据一个实施方案的具有多个通道的器官模仿装置的系统的示图。
图7A-7B显示根据一个实施方案的器官模仿装置的立体图。
图7C显示根据一个实施方案的器官模仿装置的膜的侧视图。
图8和图9显示根据使用本装置进行实验随时间推移的ROS产生。
具体实施方式
本文描述的例示性实施方案是器官模仿装置及其使用和制造方法。本领域技术人员会认识到，以下说明仅是说明性的，并不意图以任何方式进行限制。其他实施方案对于本领域技术人员是显然的。下面详细参考附图中所示的例示性实施方案的实施。在附图和以下说明中相同的附图标记用于指相同或类似项。应该理解，出于简洁的缘故，短语“实施方案”包括多于一个的实施方案，因此并不仅限于一个实施方案。
根据这种公开内容，器官模仿装置(也称作“本装置”)优选用在装有传感器、计算机、显示器和利用软件、数据组件、过程步骤和/或数据结构的其他计算装置的整个系统中。针对使用器官模仿装置的计算机系统所述的组件、过程步骤和/或数据结构可以使用不同类型的操作系统、计算平台、电脑程式和/或通用机器实施。此外，本领域技术人员应认识到，也可以使用不太通用的装置如硬连线装置、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)等，而不会脱离本发明构思的范围和精神。
如果由使用下述器官模仿装置的计算机或机器执行包括一系列过程步骤的方法并且这些过程步骤可作为由机器可读存的一系列指令存储，那么它们可以存储在有形介质中(如计算机存储装置(例如，ROM(只读存储器)、PROM(可编程只读存储器)和EEPROM(电可擦除编程只读存储器)、闪存、Jump Drive等等))、磁存储介质(例如，磁带、磁盘驱动器等等)、光学存储介质(例如，光盘、DVD-ROM、纸卡、纸带等等)和其他类型的程序存储器。
本装置的实施方案可用在许多领域中，包括基本的生物科学、生命科学研究、药物发现和研发、药物安全试验、化学和生物分析以及组织和器官工程。在一个实施方案中，器官模仿装置可以用作心血管、癌症和器官特异性疾病生物学的基础研究中的微血管网络结构。此外，装置的一个或多个实施方案在肝、肾、肺、肠、骨髓和其他器官和组织的器官辅助装置方面以及在器官替代结构方面中发现应用。
可以使用结合有本装置的各种系统监测细胞对各种环境因素的反应。可以使用公知的传感器监测pH值的变化。还可以连续或定期地采样细胞，以测量基因转录的变化或细胞生物化学或结构组织化的变化。例如，可以测量作为细胞应力标记的活性氧物种(ROI)。还可以对在多孔膜上生长的“组织”进行微观分析、免疫组织化学分析、原位杂交分析或使用染色(如苏木精和曙红染色)的典型病理分析。这些分析用采样可以实时进行，或在实验后采样，或在研究或实验中的不同阶段通过采取小切片采样。
可以使在膜上生长的细胞接触其他细胞，如免疫系统细胞或细菌细胞、接触抗体或抗体导向的细胞，例如接触靶特异性细胞受体。可以使细胞接触病毒或其他粒子。为了有助于外部供给物质如细胞、病毒、粒子或蛋白的移动方向，可以使用诸如放射性或荧光标记等常规方式自然地标记它们。
细胞可以使用本装置生长、培养和分析1、2、3、4、5、6或7天，在至少1-2周之间，或甚至超过2周。例如，如下文所述，已经表明，在所述装置的一个实施方案中在多孔薄膜上将肺泡上皮细胞与肺微血管内皮细胞共培养可以生长超过两周，而没有使细胞存活率损失。
本文所述的器官模仿装置具有许多不同的应用，包括但不限于对疾病标记物的鉴定；评估抗癌疗法的功效；测试基因治疗载体；药物研发；筛选；细胞的研究，特别是干细胞和骨髓细胞；在生物转化、吸收、清除、新陈代谢和异型生物质活化方面的研究；化学和生物试剂的生物利用度和跨过上皮或内皮层输送方面的研究；生物或化学试剂跨过血脑屏障输送方面的研究；生物或化学试剂跨过肠上皮屏障输送方面的研究；化学试剂的急性基础毒性方面的研究；化学试剂的急性局部或急性器官特异性毒性方面的研究；化学试剂的慢性基础毒性方面的研究；化学试剂的慢性局部或慢性器官特异性毒性方面的研究；化学试剂的致畸性方面的研究；化学试剂的遗传毒性、致癌性和致突变性方面的研究；感染性生物试剂和生物武器的检测；有害化学试剂和化学武器的检测；传染病的研究；化学或生物试剂治疗疾病的功效方面的研究；试剂治疗疾病的最佳剂量范围方面的研究；体内器官对生物试剂的反应预测；化学或生物试剂的药代动力学预测；化学或生物试剂的药效学预测；有关遗传内容对试剂反应的影响方面的研究；基因转录响应于化学或生物试剂的研究；蛋白表达响应于化学或生物试剂的研究；新陈代谢变化响应于化学或生物试剂的研究。器官模仿装置也可用于对细胞进行筛选，从而研究细胞对材料的影响(例如，这种方式相当于药物的组织代谢)。
本装置可用于模拟从诸如心脏、肺、骨骼肌肉、骨、韧带、肌腱、软骨、平滑肌细胞、肠、肾、内皮细胞和来自其他组织的细胞等机械活性组织培养的细胞行走、跑步、呼吸、蠕动、流体或尿液流动、或心脏跳动时的机械负荷环境。不是测试静态环境中细胞的生物或生化反应，研究人员可以向培养的细胞施加一定范围的频率、振幅和时间的机械应力，包括拉伸、压缩和剪切。
本领域技术人员可以在膜的表面上植入不同类型的细胞。所述细胞包括来自多细胞结构的任何细胞类型，包括线虫、变形虫或哺乳动物如人类。在装置上植入的细胞类型取决于希望模仿的器官或器官功能类型以及包括这些器官的组织。下面讨论可在本装置的膜上植入的各种类型细胞的更详细内容。
也可以在多孔膜的一侧或两侧上共培养各种干细胞，如骨髓细胞、诱导的成体干细胞、胚胎干细胞或从成体组织中分离出的干细胞。通过在供给每个细胞层的室中使用不同的培养基，可以允许不同的分化因素到达干细胞层，从而将细胞分化为不同的细胞层。也可以在膜的同一侧上混合细胞类型，从而在没有膜分离的情况下产生不同细胞的共培养物。
使用本文描述的器官模仿装置，可以研究异型生物质的生物转化、吸收、清除、新陈代谢和活化以及给药。还可以研究化学和生物试剂穿过肠中的上皮层、血管中的内皮层和穿过血脑屏障的生物利用度和输送。还可以研究化学试剂的急性基础毒性、急性局部毒性或急性器官特异性毒性、致畸性、遗传毒性、致癌性和致突变性。还可以检测和研究传染性生物试剂、生物武器、有害化学试剂和化学武器的效果。可以研究传染病、化学和生物试剂治疗这些疾病的功效以及这些试剂的最佳剂量范围。使用本装置可以检测和研究体内器官对化学和生物试剂的响应、这些试剂的药代动力学和药效学。可以研究遗传内容对试剂反应的影响。可以确定响应于化学或生物试剂的蛋白和基因表达量。使用本装置还可以研究响应于化学或生物试剂的新陈代谢变化。
与传统的细胞培养物或组织培养物相比，器官模仿装置的优点很多。例如，当细胞器官放在器官模仿装置中时，可以发生成纤维细胞、SMC(平滑肌细胞)和EC(内皮细胞)分化，而重建接近于体内情况的限定的三维构造组织-组织关系，并且细胞对药理活性试剂或活性物质或产品的功能和反应可以在组织和器官水平进行研究。
此外，许多细胞或组织活动适于在器官模仿装置中检测，包括但不限于药物进入和通过输送流道中的层状组织的扩散速率；不同层的细胞形态、分化和分泌变化；细胞运动、生长、凋亡等等。此外，可以容易地测试各种药物对位于系统不同层上的不同类型细胞的影响。
对于药物发现，例如，使用本文描述的器官模仿装置具有两个优点：(1)器官模仿装置能够更好地体内模拟组织的层状架构，因此允许除了在细胞和组织水平之外在器官水平研究药物作用；以及(2)器官模仿装置减少了体内组织模型的使用以及使用动物进行药物筛选和毒理学研究。
除了药物发现和研发之外，本文描述的器官模仿装置也可用于基础和临床研究。例如，器官模仿装置可用于研究肿瘤发生机制。公认的是，体内癌症发展由主体和肿瘤微环境调控，包括基质细胞和细胞外基质(ECM)。例如，基质细胞被发现能够将良性上皮细胞转化为恶性细胞，从而发现ECM影响肿瘤形成。越来越多的证据表明，在限定结构中的细胞生长比单层中的细胞对于药物更耐细胞毒性。因此，器官模仿装置是模拟癌细胞的初始生长特性更好的手段，从而更好地反映体内肿瘤的真实药物敏感性。
器官模仿装置可以用在各种组织的结构工程中，包括但不限于心血管系统、肺、肠、肾、脑、骨髓、骨、牙齿和皮肤。如果该装置用合适的生物相容性和/或生物降解性材料制成，如丙交酯-乙交酯共聚物(PLGA)，则该器官模仿装置可用于体内移植或植入。此外，空间定位和控制若干细胞类型相互作用的能力提供了分级结构工程并产生生理上更正确的组织和器官类似物的机会。在限定结构中排列多类型细胞类型对细胞分化、维护和功能长寿具有有益作用。
器官模仿装置还可以允许根据细胞的需要和体内存在将不同的生长因子、化学物质、气体和营养成分添加到不同的细胞类型中。控制这些因子或蛋白的位置可以指导特定细胞的重构和运作过程，并可以为整个系统提供分子线索，从而对新组织、细胞重构、增强的分泌等带来有益的发展。
在另一方面，器官模仿装置可以用作多细胞类型的细胞微阵列，如微流体装置。使用器官模仿装置，可以维持细胞阵列的图案完整性。这些细胞微阵列可以构成未来的“芯片实验室”，尤其是当多路复用和自动化时。这些微型化的多细胞类型培养物将促进使用更快的更低噪音检测法来观察细胞动力学，具有内置的复杂性，允许细胞对阵列表现出类似体内的反应。
在另一方面，器官模仿装置可以用作生物传感器。细胞基生物传感器可以提供比其他生物传感器更多的信息，因为细胞通常对刺激具有多方面的生理反应，并且具有新机理来放大这些反应。在器官模仿装置中的所有细胞类型均可用于同时监测分析物的不同方面；器官模仿装置中的不同细胞类型可用于同时监测分析物；或者这两种监测类型的混合。从大肠杆菌(E.coli)到哺乳动物细胞系的细胞已被用作环境监测、毒素检测和生理监测应用中的传感器。
在另一方面，器官模仿装置可用于了解细胞生物学和细胞-ECM相互作用的基本过程。体内重构过程是一类型细胞和ECM之间的复杂、动态往复过程。器官模仿装置能够捕捉到这些生物系统的复杂性，使得这些系统适于进行研究，并有利于操作。此外，通过与成像工具连接，如荧光显微镜法、显微荧光测定法或光学相干断层扫描法(OCT)，使用该装置预期可以对多层状组织中的细胞行为进行实时分析。适于实时分析的细胞和组织研究的例子包括细胞分泌和信号、细胞-细胞相互作用、组织-组织相互作用、工程化的组织构造和监测、组织工程中的结构-功能研究和体外细胞重构基质的过程。
使用本装置的另一个例子是，通过将其体内植入活动物的体内，允许细胞和组织浸润该装置并建立正常的组织-组织界面而诱发组织-组织界面和复杂器官结构的形成。然后，在经由一个或多个流体管道用细胞存活所需的介质和气体灌注的同时，手术除去整个装置和包含的细胞和组织。于是，这种复杂的器官模仿可以通过连续灌注而保持体外存活，并用来研究在正常3D情况下的高度复杂的细胞和组织功能，而这种复杂程度使用任何现有的体外模型系统都是不可能的。
特别地，微通道装置可以被体内皮下植入动物内，其中该装置在通道中包含骨诱导材料，如去矿物骨粉或骨形态发生蛋白(BMP)，该通道具有朝向周围组织空间开放的一个或多个相应端口。第二通道在植入过程中通过关闭其端口或用固体可去除材料填充(如实心棒)而被关闭。由于伤口愈合，含有微毛细血管和间质干细胞的结缔组织将生长进入装置的开放通道，而且，由于存在骨诱导材料，将形成带有恢复造血前体细胞循环而形成全功能骨髓的空间的骨，如过去的研究所表明的。
一旦该过程完成，手术部位将重新开放，通过取出棒或塞子重新开放第二通道，然后与连接到流体贮槽的导管连接，从而使含有细胞生存所需的营养成分和气体的培养基可通过第二通道抽运，并穿过膜的孔进入含有形成的骨髓的第一通道。整个微通道装置可从周围组织自由切下，并利用不断流入装置的培养基，从动物取出，传递到组织培养孵化器，并利用通过第二通道的连续流体流维持在培养物中，如果需要，通过连接到其他进口和出口，额外的流体也可以加到第一通道中。微通道装置将被用来研究在受控环境中的体外完整骨髓功能。
生物相容性和生物降解性材料均可用于本装置中，以方便本装置的体内植入。也可以使用生物相容性和生物降解性涂层。例如，可以使用在金属基体上的陶瓷涂层。但是，任何类型的涂层材料和涂层可以由不同类型的材料制成：金属、陶瓷、聚合物、水凝胶或这些材料的任意组合。
生物相容性材料包括但不限于氧化物、磷酸盐、碳酸盐、氮化物或碳氮化物。在氧化物中，以下物质是优选的：氧化钽、氧化铝、氧化铱、氧化锆或氧化钛。在某些情况下，涂层也可以由随着时间推移溶解并被活组织取代的生物降解性材料制成。基体由诸如金属、陶瓷、聚合物或它们的任何组合等材料制成。诸如不锈钢、镍钛合金、钛、钛合金或铝等金属和诸如氧化锆、氧化铝或磷酸钙等陶瓷是特别感兴趣的。
生物相容性材料也可具有生物降解性，因为其随着时间推移溶解并被活组织取代。这种生物降解性材料包括但不限于乳酸-乙醇酸共聚物、聚乳酸、聚乙醇酸(PGA)、胶原或其他ECM分子、其他结缔组织蛋白、镁合金、聚己内酯、透明质酸、粘合蛋白、生物降解性聚合物、合成的生物相容性和生物降解性材料(如生物聚合物、生物玻璃、生物陶瓷、硫酸钙、磷酸钙(例如，磷酸二氢钙一水合物、磷酸二氢钙无水物、磷酸氢钙二水合物、磷酸氢钙无水物、磷酸四钙、正磷酸钙、焦磷酸钙、α-磷酸三钙、β-磷酸三钙、磷灰石(如羟基磷灰石)))或聚合物(例如聚(α-羟基酯)、聚(原酯)、聚(醚酯)、聚酸酐、聚(磷腈)、聚(富马酸丙二醇酯)、聚(酯酰胺)、聚(富马酸乙二醇酯)、聚(氨基酸)、多糖、多肽、聚(羟基丁酸酯)、聚(羟基戊酸酯)、聚氨酯、聚(苹果酸)、聚丙交酯、聚乙交酯、聚己内酯、乙交酯-三亚甲基碳酸酯共聚物、聚对二氧环己酮、这些聚合物的共聚物、三聚物或共混物)或者这些生物相容性和生物降解性材料的组合。也可以使用生物降解性玻璃以及从部分晶体生物吸收性聚合物(如聚乙交酯、聚丙交酯和/或乙交酯/丙交酯共聚物)组装的生物活性玻璃自增强的超高强度生物吸收性复合材料。
取决于植入体的几何形状，这些材料优选具有高的初始强度、适宜模量和在体内从4周至1年的强度保持时间。结晶聚合物的补强件如纤维、高分子树脂中的碳纤维和粒子填料(例如羟基磷灰石)也可以用来提供生物降解性装置的尺寸稳定性和机械性能。生物降解性材料构造中使用互穿网络(IPN)已被证实作为提高机械强度的手段。为了进一步提高IPN增强的生物降解性材料的机械性能，本装置可以使用不同的交联剂制作成在丙交酯-乙交酯共聚物85：15(PLGA)或l-丙交酯-d,l-丙交酯共聚物70：30(PLA)的主体基质内的交联聚富马酸丙二醇酯的半互穿网络(SIPN)。也可以使用Charles-Hilaire Rivard等人(Journal of Applied Biomaterials，第6卷第1期，页65-68，2004年9月1日)中记载的天然聚(羟基丁酸酯-共-9％羟基戊酸酯)的共聚酯膜。本领域技术人员也将能够根据使用该装置的应用，选择适于任何特定目的以及细胞组织类型的其他生物降解性材料。
所描述的装置当放置在体内时也可用作治疗装置。通过将该装置放置在例如动物模型中，从而允许该装置被活细胞和组织占据，然后在用介质灌流血管通道的同时取出带有活细胞的整个装置，可以重建器官模仿物，如骨髓或淋巴结。然后，可以取出该装置，并离体保持存活，用于体外或活体外研究。特别地，可以在膜的至少一侧上用一个或多个细胞层在体外涂布膜。在此实施方案中，有机体外部涂覆细胞。在一个实施例中，在膜的至少一侧上用一个或多个细胞层在体内涂布膜。可以体外处理膜的一侧和体内处理膜的另一侧。也可以初始用一类型细胞类型体外涂布一侧或两侧，然后植入装置，从而体内吸引额外的细胞层。
总体上，本发明涉及一种装置和使用方法，其中所述装置包括具有被一个或多个多孔膜分隔的中央微通道的主体。所述膜被设置成将所述中央微通道分隔成两个以上的紧邻平行的中央微通道，其中一种或多种第一流体经由第一中央微通道供应，一种或多种第二流体经由第二或多个中央微通道供应。每个多孔膜的表面可以用细胞粘附分子涂布，以支持细胞在所述膜的上下表面上的附着并促进成为组织的组织化，从而产生由相邻平行流体通道之间的多孔膜隔开的组织-组织界面。膜可以是多孔的、柔软的、弹性的或其组合，其中孔的大小足以仅允许交换气体和小的化学物质，或大小足以允许大蛋白和整个活细胞的移动和经过通道传递。流体压力、流动特性和通道几何形状也可以变化，以向一个或两个组织层施加所需的流体剪切应力。
在非限制的例示性实施方案中，该装置被设置为模仿肺的动作，肺上皮细胞自组装在ECM膜的一个表面上，肺毛细血管内皮细胞自组装在同一多孔膜的相对面上。从而使该装置允许模拟功能性肺泡-毛细血管单元的结构和功能，并可以接触生理机械应力，以模拟呼吸或气源性和血源性的化学物质、分子和细胞刺激，从而研究经由膜的孔穿过组织-组织界面的化学物质、分子和细胞的交换。该装置影响了模仿能够在生理和病理条件下分析的器官水平反应的体外肺模型的发展。该系统可用于多种应用中，包括但不限于药物筛选、药物输送、疫苗输送、生物检测、毒理学、生理学和器官/组织工程应用。
图1显示使用根据一个实施方案的本发明装置的整个系统的方块图。如图1所示，系统100包括器官模仿装置102、与装置102连接的一个或多个流体源104，104N、与流体源104和装置102连接的一个或多个任选的泵106。一个或多个CPU 110与泵106连接，并优选控制流体流入和流出装置102。CPU优选包括一个或多个处理器112和一个或多个本地/远程存储器114。显示器116与CPU 110连接，一个或多个压力源118与CPU 110和装置102连接。CPU110优选控制加压流体到装置的流量和流速。应该注意到，尽管本文显示和描述了一个界面装置102，但是可以预期的是，可以在下面所讨论的系统100内测试和分析多个界面装置102。
如下面更详细讨论的，器官模仿装置102优选包括使装置102的微通道与系统的外部组件(如流体源和压力源)连通的两个以上的端口。特别地，装置102与一个或多个流体源104N连接，其中流体源可以含有空气、血液、水、细胞、化合物、粒子和/或将要输送到装置102的任何其他介质。在一个实施方案中，流体源104向装置102的一个或多个微通道供应流体，还优选接收退出装置102的流体。可以预期的是，还可以在与流体源104分开的流体收集器或贮槽108中额外或可选择地收集退出装置102的流体。因此，单独的流体源104，104N可以向装置102分别供应流体和从其接收流体。
在一个实施方案中，退出装置102的流体可以重复使用并再导入之前进入的相同或不同的输入端口。例如，装置102可被设置成使得经过特定中央微通道的流体循环回到该装置，并经过同一中央微通道再次运行。这样在循环回到该装置时可用于例如增大分析物在流体中的浓度。在另一个例子中，装置102可被设置成使得流体经过该装置并循环回到该装置，然后经过另一个中央微通道运行。这样在经过另一个微通道运行时可用于改变流体的浓度或补充。
一个或多个泵106优选用于将流体抽运到装置102中，但是泵一般来讲对于系统是任选的。流体泵是本领域中公知的，这里没有详细讨论。如下面更详细讨论的，每个微通道部优选与其各自的进入和/或出口连通，从而每个微通道部允许流体穿过流动。
该装置中的每个微通道优选具有专用的进入和出口，它们与各自的专用流体源和/或流体收集器连接，从而允许独立地控制经过每个中央微通道的介质的流速、流量、压力、温度和其他特性。因此，还可以针对所需细胞标记物监测各种刺激对从单独流体通道采样的细胞或组织层施加的影响，如RNA或蛋白水平的基因表达的变化。
细胞注射器/去除器108组件被显示为与装置102连通，从而注射器/去除器108被设置成在装置102内的界面膜的一个或多个表面上注射、去除和/或操纵细胞，例如但不限于上皮和内皮细胞，独立于经由进口210，218导入装置的细胞。例如，含有拉动致病细胞的磁性粒子的血液可以在单独的装置中培养，从而使混合物可以后来在指定时间经由注射器导入系统，而不必经由流体源104运行混合物。在一个实施方案中，细胞注射器/去除器108被独立地控制，但是注射器/去除器108可以由CPU 110控制，如图1所示。细胞注射器/去除器108是任选的组件，不是必须的。
尽管不要求，但是可以从一个或多个压力源118施加压力，从而产生压力差而在装置102内造成机械运动。在该装置利用压力的实施方案中，由CPU 110控制压力源118，在该装置内施加压力差，从而有效地使该装置内的一个或多个膜(图3A-3B)响应于施加的压力差而扩张和/或收缩。在一个实施方案中，取决于装置的构造或应用，由压力源118施加到装置100上的压力是正压力。额外或可选择地，取决于装置的构造或应用，由压力源118施加的压力是负压力，如真空或抽吸。压力源118优选由CPU 110控制，以在设定的定时间隔或频率下向装置102施加压力，从而定时间隔可以设定为一致的或不一致的。压力源118可被控制成以定时间隔施加均匀压力或以不同间隔施加不同压力。例如，由压力源118施加的压力可以具有大的量值和/或以所需频率设定，以模仿人跑步或进行发力。压力源118也可以缓慢施加，以不规则模式施加，如模拟人的睡眠。在一个实施方案中，CPU 110操作压力源118随机改变施加压力的间隔，从而产生周期性拉伸模式，以模拟自然呼吸中的呼吸速率和潮气量的不规则性。
一个或多个传感器120可以与装置102连接，以监测装置102内的一个或多个区域，从而传感器120为CPU 110提供监测数据。一种类型的传感器120优选是压力传感器，其提供有关一个或多个操作或中央微通道装置102中的压力大小的数据。来自微通道壁相对侧的压力数据可用于计算操作和中央微通道之间的实时压力差信息。监测数据被用于由CPU110提供有关装置操作条件的信息以及细胞在特定环境中在装置102内的何种实时行为。传感器120可以是电极，具有红外、光学(例如照相机、LED)或磁性能力，或利用任何其他适宜类型的技术以提供监测数据。例如，传感器可以是一个或多个微电极，用于分析跨膜的电特性(例如电位差、电阻和短路电流)以确认形成器官化屏障及跨膜的流体/离子输送功能。应该注意到，传感器120可以在装置102的外部或者集成在装置102内。可以预期的是，CPU 110控制传感器120的操作，但不必须如此。数据优选在显示器116上显示。
图2A显示根据一个实施方案的组织界面装置的立体图。特别地，如图2A所示，装置200(也由附图标记102表示)根据一个实施方案优选包括具有分支微通道设计203的主体202。主体202可以由柔性材料制成，但是可以预期的是，主体可选择地由非柔性材料制成。应该注意到，微通道设计203仅是示例性的，不限于图2A所示的构造。主体202优选由柔性生物相容性聚合物制成，包括但不限于聚二甲基硅氧烷(PDMS)或聚酰亚胺。还可以预期的是，主体202可以由非柔性材料制成，如玻璃、硅、硬塑料等。尽管优选的是界面膜由与主体202相同的材料制成，但是可以预期的是，界面膜可以由不同于装置主体的材料制成。
图2A中的装置包括多个端口205，下面将更详细地说明。此外，分支构造203包括组织-组织界面模拟区域(图2B中的膜208)，在那里监测细胞行为和/或气体、化学物质、分子、粒子和细胞的通过。图2B显示根据一个实施方案的器官模仿装置的分解图。特别地，装置200的外主体202优选由第一外主体部204、第二外主体部206和中间多孔膜208构成，当外主体部204，206相互安装形成整个主体时，中间多孔膜208安装在第一和第二外主体部204，206之间。
图2B显示根据一个实施方案的装置的分解图。如图2B所示，第一外主体部204包括优选与位于主体202外表面上的一个或多个相应进入口211连通的一个或多个进入流体端口210。装置100优选经由进入口211与流体源104连接，其中流体从流体源104经由进入流体端口210进入装置100。
此外，第一外主体部204包括优选与主体202外表面上的一个或多个相应退出口215连通的一个或多个退出流体端口212。特别地，经过装置100的流体退出装置100经由相应退出口215进入流体收集器108或其他适宜组件。应该注意到，装置200可被设置成使得流体端口210是出口并且流体端口212是进口。尽管进入和退出口211，215被显示为在主体202的上表面上，但是一个或多个开口可以位于主体的一侧或多侧上。
在一个实施方案中，进入流体端口210和退出流体端口212与第一中央微通道250A(参见图3A)连通，使得流体可以从进入流体端口210经由第一中央微通道250A动态地运行到退出流体端口212，与第二中央微通道250B(参见图3A)无关。
还可以预期的是，在进入和退出流体端口之间经过的流体可以在中央部250A和250B之间共享。在任一种实施方案中，经过中央微通道250A的流体流动特性(如流量等)可以独立于经过中央微通道250B的流体流动特性而受到控制，反之亦然。
此外，第一外主体部204包括一个或多个压力进口214和一个或多个压力出口216，其中进口214与位于装置100外表面上的相应开口217连通。尽管进入和退出口被显示为在主体202的上表面上，但是一个或多个开口可选择地可以位于主体的一侧或多侧上。
在操作中，与压力源118(图1)连接的一个或多个压力管(图未示)经由开口217向装置提供正或负压力。此外，压力管(图未示)与装置100连接，经由开口223从出口216取出加压的流体。应该注意到，装置200可被设置成使得压力端口214是出口，压力端口216是进口。应该注意到，尽管压力开口217，223被显示为在主体202的上表面上，但是可以预期的是，一个或多个压力开口217，223可以位于主体202的一侧或多侧表面上。
参照图2B，第二外主体部206优选包括一个或多个进入流体端口218和一个或多个退出流体端口220。优选的是，进入流体端口218与开口219连通，退出流体端口220与开口221连通，从而开口219和221优选位于第二外主体部206的外表面上。尽管进入和退出口被显示为在主体202的表面上，但是一个或多个开口可选择地可以位于主体的一侧或多侧上。
象上述第一外主体部204那样，与流体源104(图1)连接的一个或多个流体管优选与开口219连接，从而经由端口218向装置100提供流体。此外，流体经由出口220和开口221退出装置100进入流体贮槽/收集器108或其他部件。应该注意到，装置200可被设置成使得流体端口218是出口和流体端口220是进口。
此外，优选的是，第二外主体部206包括一个或多个压力进口222和一个或多个压力出口224。特别地，优选的是压力进口222与开口227连通，压力出口224与开口229连通，从而开口227和229优选位于第二外主体部206的外表面上。尽管进入和退出口被显示为在主体202的下表面上，但是一个或多个开口可选择地可以位于主体的一侧或多侧上。与压力源118(图1)连接的压力管优选经由相应的开口227和229与端口222和224配合。应该注意到，装置200可被设置成使得压力端口222是出口和流体端口224是进口。
在一个实施方案中，膜208安装在第一外主体部204和第二外主体部206之间，从而膜208位于装置200的主体202内(参见图5E)。在一个实施方案中，膜208由具有多个孔或开口的材料制成，从而分子、细胞、流体或任何介质能够经由膜208中的一个或多个孔而通过膜208。如下面更详细讨论的，在一个实施方案中可以预期的是，多孔膜208可以由允许膜208响应于中央微通道250A、250B和操作微通道之间存在的压力差发生应力和/或应变的材料制成。可选择地，多孔膜208是相对无弹性的，其中在介质通过中央微通道250A，250B中的一个或多个的同时，膜208发生最少或没有移动，并且细胞经由多孔膜在中央微通道250A，250B之间器官化和移动。
图2C显示第一外主体部204沿线C-C(图2B)的组织-组织界面区的立体图。如图2C所示，组织-组织界面区207A的顶部在第一外主体部204的本体内，包括中央微通道230的顶部和邻近中央微通道230的一个或多个顶部侧操作微通道232。微通道壁234优选将中央微通道230与操作微通道232隔开，使得经过中央微通道230的流体不会进入操作微通道232。同样，通道壁234防止沿操作微通道232流过的加压流体进入中央微通道230。应该注意到，在图2C和图3A中显示出一对操作微通道232在中央微通道230的两侧上，然而可以预期的是，该装置可以包括多于两个的操作微通道232。还可以预期的是，装置200可以仅包括邻近中央微通道230的一个操作微通道232。
图2D显示第二外主体部206沿线D-D的组织界面区的立体图。如图2D所示，该组织界面区包括中央微通道240的底部和邻近中央微通道240部分的操作微通道242的至少两个底部。一对通道壁234优选将中央微通道240与操作微通道232隔开，使得经过中央微通道230的流体不会进入操作微通道232。同样，通道壁234防止沿操作微通道232流过的加压流体进入中央微通道230。
如图2C和图2D所示，中央微通道230和240的顶部和底部具有50～1000微米的宽度范围(显示为B)，优选约400微米。应该注意到，取决于装置所模仿的生理系统的类型，其他宽度范围也是可预期的。此外，操作微通道232和242的顶部和底部具有25～800微米的宽度范围(显示为A)，优选约200微米，但是其他宽度范围也是可预期的。中央和/或操作微通道的高度范围为50微米至几个厘米，优选约200微米。微通道壁234，244优选的厚度范围为5微米～50微米，但是取决于壁用的材料、利用该装置的应用等，其他宽度范围也是可预期的。
图3A显示根据一个实施方案的主体内的组织界面区的立体图。特别地，图3A显示相互配合的第一部分207A和第二部分207B，从而侧壁228和238以及通道壁234，244形成整个中央微通道250和操作微通道252。如上所述，优选的是中央微通道250和操作微通道252由壁234，244分隔开，使得流体不能在通道250，252之间通过。
膜208优选位于中央微通道250的中央，并沿着平行于图3A所示的x-y面的平面取向。应该注意到，尽管在中央微通道250中显示为一个膜208，但是如下面更详细讨论的，在中央微通道250内可以设置多于一个的膜208。除了位于中央微通道250内之外，膜208在装置的形成过程中由通道壁234，244在适当位置夹住。
膜208优选将整个中央微通道250分成两个以上的不同中央微通道250A和250B。应该注意到，尽管膜208被显示为在中间通过中央微通道250，但是膜208可选择地可以在中央微通道250内垂直偏心设置，从而使中央微通道部50A，250B之一的容积或截面比另一个微通道部大。
如下面更详细讨论的，膜208可以至少具有多孔的部分，从而允许细胞或分子经过。额外或可选择地，至少膜208的一部分可以具有弹性或韧性，从而允许操纵膜208以沿着一个或多个平面轴扩张/收缩。因此，可以预期的是，膜208的一个或多个部分可以是多孔弹性的或者多孔无弹性的。
关于多孔弹性膜，可以在装置内施加压力差，使膜208沿着x-y面相对连续地扩张/收缩。特别地，如上所述，一个或多个压力源优选沿一个或多个操作微通道252供应加压的流体(例如空气)，从而微通道252中的加压流体在微通道壁234，244上产生压力差。膜208取决于制成材料的类型可以具有弹性。如果膜208由多于一种的材料制成，则构成膜的各材料的重量比是决定弹性的因子。例如，在膜208由PDMS制成的实施方案中，杨氏模量值为12kPa-20MPa，但是其他弹性值也是可预期的。
在图3A和图3B所示的实施方案中，加压的流体是仅通过操作微通道252施加的真空或吸力。由作用在微通道壁234，244上的吸力造成的压力差使壁234，244弯曲或朝着装置228，238的侧面向外凸出(参见图3B)。考虑到膜208安装并夹在壁234，244之间，壁234，244的相对运动导致膜的相对端沿壁移动而沿膜平面伸展(显示为图3B中的208’)。这种伸展模仿例如在呼吸时肺泡中的组织-组织界面经历的机械力，从而为细胞自组装进组织结构和细胞行为提供重要规则。
当负压力不再施加(和/或向操作通道施加正压力)时，操作通道252和中央通道250之间的压力差减小，并且通道壁234，244朝着中性位置弹性回缩(如图3A)。在操作过程中，负压力以定时间隔交替施加到装置200，使膜208沿其平面连接扩张和收缩，从而在受控体外环境中模仿活器官的组织-组织界面的操作。正如将要讨论的，这种在受控环境中模仿的器官操作允许监测组织中的细胞行为，以及分子、化学物质、粒子和细胞通过膜和第一和第二微通道250A，250B。
应该注意到，本说明书中的术语压力差是指中央微通道和外部操作通道之间的特定壁的两侧上的压力差异。可以预期的是，可以多种方式产生压力差，而实现膜208的扩张和/或收缩的目标。如上所述，负压力(即抽吸或真空)可以施加到一个或多个操作通道252。可选择地，可以预期的是，膜208被预加负荷或预加应力而默认处于扩张状态，使得壁234，244已经处于弯曲配置，如图3B所示。在此实施方案中，施加到操作通道252上的正压力将产生使壁234，244朝向中央微通道(参见图3A)向内移动而收缩膜208的压力差。
在另一个实施方案中，还可以预期的是，将正和负压力的组合施加到一个或多个操作微通道252，使膜208在中央微通道中沿其平面移动。在上述任何实施方案中，优选的是，流体在一个或多个操作通道252中的压力使得事实上相对于流体在一个或多个中央微通道250A，250B中的压力产生压力差，从而导致膜208的相对扩张/收缩。例如，流体可以具有在上中央微通道250A中施加的一定压力，从而下中央微通道250B中的流体可以具有不同的压力。在这个实施方案中，施加到一个或多个操作通道252的压力必须考虑流体在中央微通道250A，250B中的一个或二者中的压力，从而确保膜208的所需扩张/收缩。
在一个实施方案中，压力差可以存在于上下微通道250A，250B之间，从而至少造成膜208的一部分除了沿x-y平面的扩张/收缩之外在z-方向上垂直扩张/收缩。
在一个实施方案中，膜208的扩张和回缩优选向贴壁细胞和ECM施加机械力，模仿可能影响化学物质、分子、粒子和/或流体或气体穿过组织-组织界面的生理机械因素，并改变细胞生理学。应该注意到，尽管在装置中产生的压力差优选使膜扩张/收缩，但是可以预期的是，机械装置，如微电机或致动器，可以被用来协助或代替压差力而造成膜上的细胞扩张/收缩，从而调控细胞生理学。
图3E和图4C显示根据一个实施方案的包括延伸的多个开口302的膜208的立体图。特别地，图3E和图4C中示出的膜包括在膜208的上表面304和下表面306之间延伸的一个或多个集成孔或开口302。
膜被设置成允许细胞、粒子、化学物质和/或介质在中央微通道部250A，250B之间经由膜208从中央微通道的一个部分移动到另一个部分，反之亦然。在图4A-4C中孔口被显示具有五边形截面形状，但是任何其他截面形状也是可预期的，包括但不限于圆形302、六边形308、正方形、椭圆形310等。孔302、308、310(通常由附图标记302表示)优选在上下表面304，306之间垂直延伸，但是可以预期的是，它们也可以在上下表面之间横向延伸，如孔312。还应该注意到，孔额外/可选择地至少沿着膜208的一部分具有狭缝或其他形状的开口，从而允许细胞、粒子、化学物质和/或流体从中央微通道的一个部分经由膜208到达另一个部分。
孔的宽度范围优选为0.5～20微米，但优选的是宽度范围为大约10微米。然而，可以预期的是，宽度范围在所述范围之外。在一些实施方案中，膜208具有大于传统分子/化学物质过滤装置的孔或开口，从而允许细胞和分子跨膜208从一个微通道部(例如250A)移动到另一个微通道部(例如250B)，反之亦然。这可用于培养响应于装置提供的微通道环境在上下中央通道中极化的细胞，从而流体和细胞动态经过连接这些微通道250A，250B的孔。
如图4B所示，膜208的厚度可以为70纳米～50微米，但优选的厚度范围为5～15微米。还可以预期的是，膜208被设计成包括比膜208中的其他区域厚度更小或更大的区域。如图3C所示，膜208被显示为具有相对于膜208的其他区域一个或多个厚度减小区域209。厚度减小区域209可以沿着膜208的整个长度或宽度延伸，或者可选择地可以仅位于膜208的某些位置。应该注意到，尽管厚度减小区域209被显示为沿着膜208的底面(即面对微通道250B)，但是可以预期的是，厚度减小区域209额外/可选择地可以在膜208的相对面上(即面对微通道250A)。还应该注意到，如图3D所示，至少膜208的一部分可以具有相对于膜的其余部分一个或多个厚度更大区域209’，并能够具有与上述厚度减小区域相同的选项。
在一个实施方案中，多孔膜208可被设计成或表面图案化包括微观和/或纳观图案，如槽和脊，从而图案的任何参数或特征可被设计成所需的尺寸、形状、厚度、填充材料等。
在一个实施方案中，膜208由聚二甲基硅氧烷(PDMS)或任何其他聚合物或材料制成，但不必须如此。例如，208膜可由以下材料制成：聚酰亚胺、聚酯、聚碳酸酯、环烯烃共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯、尼龙、聚异戊二烯、聚丁二烯、聚氯丁烯、聚异丁烯、聚(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯)、腈类、聚氨酯和有机硅聚合物。可以使用GE RTV 615，其是乙烯基-硅烷交联型硅橡胶。聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜可从Bisco Silicons(Elk Grove，Ill.)以HT-6135和HT-6240膜得到，并适用在选定应用中。材料的选择通常取决于所进行的应用需求的特定材料性能(例如，耐溶剂性、硬度、透气性和/或温度稳定性)。可用于制造微流体装置中元件的额外弹性材料记载在Unger等人(2000 Science 288：113-116)中。本装置的一些弹性体被用作隔膜，除了它们的伸展和松弛性能之外，它们的孔隙度、不渗透性、耐化学品性和它们的润湿和钝化特性也被选择。其他弹性体的热导率被选择。Micronics Parker ChomericsThermagap材料61-02-0404-F574(0.020″厚)是一种软质弹性体(<5肖氏A)，仅需要5～10psi的压力来提供1.6W/m-°K的热导率。缺乏弹性的变形膜也可用于微流体装置中。还可以使用丝状物、交联或未交联的ECM凝胶作为其他这类适宜材料，以制造所描述的装置和膜。
应该注意到，尽管中央和操作微通道250，252被显示为具有大致正方形或长方形截面，但是其他截面形状也是可预期的，如圆形、椭圆形、六边形等。还可以预期的是，根据一个实施方案，装置200可以具有多于或少于两个操作通道252和/或多于或少于两个中央微通道250A，250B。
在一个实施方案中，可以预期的是，该装置中的中央微通道至少沿其长度的一部分具有不均匀宽度范围B。图2E显示根据一个实施方案的组织界面区400的俯视截面图。如图2E所示，界面400包括中央微通道402和由微通道壁404隔开的相邻操作通道406。在图2E的实施方案中，中央微通道402被显示为宽度从宽度范围C(在端部408)到宽度范围D(在端部410)逐渐增加。在图2E的实施方案中，各操作通道406具有相应减小的宽度范围(从端部408的宽度范围E到端部410的宽度范围F)。在另一个实施方案中，如图2F所示，操作通道406’在端部408和410具有基本一致的宽度范围F。可以预期的是，膜(图未示)被放置在中央微通道402上方并安装在壁404的上表面上，从而膜具有类似于中央微通道402的锥形形状。这样，当在操作微通道406和中央微通道402之间施加压力差时，锥形膜将沿箭头方向发生不均匀的拉伸。
在另一个实施方案中，如图2G所示，中央微通道可以具有呈部分圆形截面形状的部分。特别是在图2G的实施方案中，在中央微通道502和相邻操作微通道504之间产生的压力差将使微通道壁506沿箭头表示方向移动。关于中央微通道502的圆形部分508，中央部分508的壁等轴外移(如箭头所示)使安装在壁506上面的膜(图未示)等轴拉伸。
本文描述的装置200具有多种潜在应用。例如，在一种应用中，膜208可能会受到由膜208的循环拉伸和/或生物流体(例如空气、粘液、血液)的流动产生的生理机械应变，从而再现肺泡和基本肺毛细血管的自然微环境。在一个实施方案中，膜208上的细胞培养条件可以在细胞外基质(ECM)涂层、介质灌注或循环机械应变下优化，以保持共培养的细胞的形态和功能特性，并允许它们跨膜208的直接细胞相互作用。这样，装置200允许长期细胞培养和同时在膜上生长的肺上皮或内皮细胞的相邻单层的动态机械拉伸。
在利用膜208模拟肺中的肺泡上皮和肺部内皮之间的组织-组织界面时，一种方法可以将I型肺泡上皮细胞应用到膜208面对第一部250A的那侧(以下称为膜的上侧)，以模仿上皮层。然而，可以大约7：13的比例混合类I型和类II型肺泡上皮细胞，以重构肺泡上皮的体内细胞组成。在这个示例性方法中，肺微血管内皮细胞在膜208面对第二部250B的那侧(以下称为膜的下侧)上培养。在这个示例性方法中，负压力被循环施加到装置200上，从而使膜208沿其平面不断扩张和收缩。
在这种操作中，生理肺泡-毛细血管单元可以在膜208上形成，典型的连接结构可以在膜207上形成，并且流体和离子可以跨膜208在第一部和第二部250A，250B之间输送。可以使用紧密连接蛋白如ZO-1和occludin的芯片上免疫组织化学检测来评估膜208上紧密连接的形成。额外或可选择地，对荧光标记大分子(例如不同重量的右旋糖酐)的排除可以被定量，以确定膜的渗透性并通过改变培养条件优化上皮膜屏障形成。此外，组织学、生物化学和显微荧光测定技术可以被用来证实功能性肺泡-毛细血管单元的形成，从而在膜208上再现体内对应物的关键结构组织化。
在一个例子中，可以通过将具有各自氧分压的不同流体和血液注入到第一部和第二部250A，250B来确定在膜208上自组装的组织-组织界面的气体交换功能，从而第一部250A用作肺泡室，第二部250B用作微血管室。优选在装置200内的血液-气体测量装置用于测量血液通过装置之前和之后的各部分250A，250B的血液中的氧气水平。例如，血液可以流过通道250B，而空气被注入上通道250A中，从而收集退出的空气并使用血氧仪测量来确定氧水平。血氧仪可以与现有系统集成或者作为独立单元连接到一个或多个中央微通道的出口。在一个实施方案中，空气或者含有药物或粒子的气溶胶介质可以流过该装置，从而测量这些药物或粒子经由膜到血液的输送。还可以预期的是，将病原体或细胞因子加到空气或气体介质侧，然后将免疫细胞贴到附近的毛细血管内皮上，它们与水肿流体一起从血液侧流到气道侧通道，并且病原体进入血液，对这些进行测量。
由于上皮的功能性要求构成细胞的极化，因此可以利用透射电子显微镜、免疫组织化学法、共聚焦显微镜或其他适宜手段来监测膜208的肺泡上皮细胞侧的极化，从而目视膜的结构。在肺模仿的实施方案中，可以将荧光染料涂布到第一和/或第二微通道250A，250B上，以确定在膜208上由气道上皮产生的表面活性剂。特别地，可以通过测量因荧光染料(具体而言，标记肺部表面活性剂(例如奎纳克林)的细胞内储存)吸收细胞而产生的荧光或使用特异性抗体来监测膜208上的肺泡上皮细胞。
组织界面装置200的独特能力之一允许研发体外模型，在器官水平模拟肺的炎症反应，从而允许研究免疫细胞如何从血液经由内皮迁移并进入肺泡室。实现这个目的的方法之一是通过将亲炎性因子(例如IL-1β、TNF-α、IL-8、二氧化硅微米和纳米粒子、病原体)受控和可编程地微流体输送到第一部250A并且在第二部250B中人全部血液流动或介质含有循环免疫细胞。可以监测电阻和跨膜的短路电流，以研究在炎症反应过程中的血管渗透性变化、流体的外渗和细胞通过肺泡空间。荧光显微镜法可用于目视外渗反应过程中的细胞动态能动行为。
组织界面装置200也可用于检测纳米材料对于肺组织-组织界面的行为如何。特别地，纳米材料(例如二氧化硅纳米粒子、超顺磁性纳米粒子、金纳米粒子、单壁碳纳米管)可被应用于膜208的气道表面上，以研究纳米材料对气道或膜208上生长的内皮细胞的潜在毒性作用，以及研究它们从气道进入血液通道。例如，传感器120可用于监测纳米材料通过膜208上形成的组织屏障的移动以及纳米材料引起的屏障功能变化，如气体交换和流体/离子输送。
组织界面装置200允许直接分析肺生物学和生理学的各种重要方面，包括但不限于气体交换、流体/离子输送、炎症、感染、水肿/呼吸窘迫综合症、癌症和转移发展、真菌感染、药物输送以及药物筛选、生物检测和肺部机械传导。此外，装置200允许对其他生理系统中发现的生物组织-组织界面准确地建模，如血脑屏障、肠、骨髓、肾小球和癌变肿瘤微环境。如上所述，多于一个的组织界面装置200可以复用并自动化而针对细胞和组织对于药物、化学物质、粒子、毒素、病原体或药物的其他环境刺激的反应提供高通量分析、提供毒素和疫苗筛选以及毒物学和生物检测应用。该装置可用于体外研究复杂的组织和器官生理学以及利用生物相容性或生物降解性装置的组织和器官体内工程。
在一个实施方案中，组织界面装置200可用于在其内生产人造组织层。在该实施方案中，两种以上不同类型的细胞应用于膜208的相对表面并在模仿适宜生理环境的条件下增长。额外或可选择地，可以在中央微通道和至少一个操作微通道之间施加压力差，使微通道壁移动，从而使膜208沿其平面扩张/收缩。
在另一个例子中，装置200使用多孔膜208，从而肺细胞在膜208的一侧生长，并且内皮细胞保持在膜208的另一侧。在装置200的操作过程中，这两个细胞层利用穿过膜208上的孔的化学和分子线索相互通讯。这种通讯可以被监控和分析，以了解细胞如何不同地用作组织-组织界面，有或没有生理机械模拟，并与作为孤立的单组织类型在标准组织培养系统中的成长作比较。通过监测细胞和组织的生理学变化以及化学物质、分子、粒子和细胞跨过该组织-组织界面，获得可用于生产更有效药物或治疗方法的信息，以确定以前未知的毒性，并大大缩短这些研发进程的时间表。特别地，细胞在这种受控环境中的行为允许研究人员研究在上述传统中发生的各种生理现象，而这些无法使用常规体外培养技术再现。换句话说，装置200用于在患者的身体外部并在可控的环境中创建可监测的人造血气屏障，并仍然保留肺的重要生理功能和结构。应该注意到，尽管上述装置被描述为模仿肺功能，但是该装置可以很容易地设置成模仿其他生理系统，诸如含有活微生物群的胃肠道中的蠕动和吸收、肾中的灌注和尿生产、血脑屏障的功能、机械变形对皮肤老化的影响、具有造血干细胞小生境的骨髓-微血管界面等。
在装置操作中的膜表面处理以及可应用到膜上和/或通过中央微通道250A，250B的介质类型将在下面讨论。如图4D所示，包括多孔膜的膜可以用诸如各类型细胞粘附促进物质或ECM蛋白(如纤连蛋白、层粘连蛋白或各种胶原蛋白类型或它们的组合)等物质涂布。一般地，如图4D所示，一种或多种物质608被显示为在膜的一个表面上，而另一种物质610涂布到膜604的相对表面上，或者两个表面可以用同一种物质涂布。在一些实施方案中，ECM(可以是由细胞产生的ECM，如原代细胞或胚胎干细胞)和其他组合物在无血清环境中生产。
在一个实施方案中，用细胞粘附因子和带正电荷的分子的组合涂布膜，它们结合到膜上以改善细胞附着并稳定细胞生长。带正电的分子可以选自多聚赖氨酸、壳聚糖、聚(乙烯亚胺)或者从丙烯酰胺或甲基丙烯酸聚合的并加入伯、仲或叔胺形式的带正电荷的基团或季铵盐的丙烯酸酯类。细胞粘附因子可以加到膜中，并优选是纤连蛋白、层粘连蛋白、胶原蛋白、玻璃粘连蛋白或生腱蛋白或者它们的细胞结合域的碎片或类似物。带正电荷的分子和细胞粘附因子可以共价结合到膜。在另一个实施方案中，带正电荷的分子和细胞粘附因子彼此共价结合，并且要么带正电荷的分子要么细胞粘附因子共价结合到膜。此外，带正电荷的分子或细胞粘附因子或两者可以非共价结合到膜的稳定涂层形式提供。
在一个实施方案中，细胞粘附促进物质、基质形成配方和其他组合物被消毒，以防止不希望的污染。消毒例如可以通过紫外线、过滤或热量来完成。也可以加入抗生素，特别是在培养过程中，以防止细菌、真菌和其他不需要的微生物生长。这些抗生素包括但不限于庆大霉素、链霉素、青霉素、两性霉素和环丙沙星。
在另一个实施方案中，用细胞培养物涂布膜，包括但不限于原代细胞培养物、建立的细胞系或干细胞培养物，如ESC、ECM附着物质，包括或基本由纤连蛋白或胶原蛋白构成。
在一个实施方案中，附着到膜上的原代细胞或细胞系可以是肺泡细胞、内皮细胞、肠细胞、角化细胞(包括但不限于人真皮角化细胞)或本说明书中列出的或本领域技术人员公知的任何其他类型的细胞。在其他实施方案中，原代细胞可以是成纤维细胞，包括但不限于人胎儿成纤维细胞。在一些实施方案中，干细胞培养物的干细胞是胚胎干细胞。胚胎干细胞的来源可以包括但不限于哺乳动物，包括非人灵长类动物和人类。人类胚胎干细胞的非限制例子包括细胞系BG01、BG02、BG03、BG01v、CHA-hES-1、CHA-hES-2、FCNCBS1、FCNCBS2、FCNCBS3、H1、H7、H9、H13、H14、HSF-1、H9.1、H9.2、HES-1、HES-2、HES-3、HES-4、HES-5、HES-6、hES-1-2、hES-3-0、hES-4-0、hES-5-1、hES-8-1、hES-8-2、hES-9-1、hES-9-2、hES-101、hICM8、hICM9、hICM40、hICM41、hICM42、hICM43、HSF-6、HUES-1、HUES-2、HUES-3、HUES-4、HUES-5、HUES-6、HUES-7、HUES-8、HUES-9、HUES-10、HUES-11、HUES-12、HUES-13、HUES-14、HUES-15、HUES-16、HUES-17、13、14、16、13.2、13.3、16.2、J3、J3.2、MB01、MB02、MB03、Miz-hES1、RCM-1、RLS ES 05、RLS ES 07、RLS ES 10、RLS ES 13、RLS ES 15、RLS ES 20、RLS ES21、SA01、SA02和SA03。在一个实施方案中，干细胞培养物的干细胞是诱导的多能干细胞。
在一个实施方案中，细胞培养物可以是无血清的细胞培养物，如原代细胞培养物或干细胞培养物。在这些实施方案的一些中，无血清原代细胞ECM与原代细胞无血清培养基(SFM)一起使用。适合的SFM包括但不限于(a)用限定的生长补充剂补充的无血清培养基和(b)用限定的角化细胞-SFM生长补充剂补充的限定的角化细胞-SFM，均从Gibco/Invitrogen(Carlsbad，Calif.，US)商购得到。在这些实施方案的一些中，无血清干细胞ECM与干细胞SFM一起使用。适合的SFM包括但不限于用碱性成纤维细胞生长因子和β-巯基乙醇补充的 hESC无血清培养基(SFM)、用KNOCKOUTTM.血清替代品(SR)补充的KNOCKOUTTM.D-MEM、MSC SFM和NSC SFM，均从Gibco/Invitrogen(Carlsbad，Calif.，US)商购得到。
在一个实施方案中，组合物也可以是无异源成分的。当组合物没有除了细胞所来自的动物种之外的任何其他动物衍生的物质时，组合物被称为是“无异源成分的”。在一个实施方案中，可以是诸如原代细胞培养物或干细胞培养物等细胞培养物的细胞培养物是无异源成分的。在这些实施方案中，无异源成分ECM可以是ECM，如原代细胞ECM或被专门设计成支持干细胞生长或分化的ECM。这些基质可以被专门设计成为无异源成分的。
在一个实施方案中，细胞培养物是在条件培养基中培养的原代细胞或干细胞。在其他实施方案中，培养基是无条件培养基。
在一个实施方案中，细胞培养条件完全限定。在这些实施方案中，在流体室中使用完全限定的细胞培养基。适合的培养基包括但不限于，对于原代细胞，用限定的生长补充剂补充的无血清培养基，对于干细胞，hESC SFM，均从Gibco/Invitrogen，Carlsbad，Calif.，US商购得到。
为研究药物、环境应激物、病原体、毒素等的影响，可以将它们加到适于使附着在通道中的多孔膜上的细胞生长所需的细胞培养基中。因此，可以将诸如细菌等病原体、病毒、气雾剂、各种类型的纳米粒子、毒素、气态物质等加到在室中流动而供给细胞的培养基中。
本领域技术人员也能够根据细胞的代谢活动来控制培养基pH值的平衡，从而对于任何细胞或组织类型将pH值维持在适当水平。监测和调节pH值的监测和调节系统可以插到装置中。
膜优选在一侧或两侧上用细胞、分子或其他物质涂布，从而装置提供受控环境，以沿着经由膜的微通道和/或在其之间监测细胞行为。在装置中可以使用来自多细胞生物体的任何细胞。例如，人体包含至少210种已知类型的细胞。本领域技术人员可以容易地在装置中构建有用的细胞组合。可以在装置中使用的细胞类型(例如，人类)包括但不限于外皮系统的细胞，包括但不限于角化上皮细胞、表皮角化细胞(分化的表皮细胞)、表皮基底细胞(干细胞)、手指甲和脚趾甲的角化细胞、甲床基底细胞(干细胞)、髓样毛干细胞、皮层毛干细胞、表皮毛干细胞、表皮发根鞘细胞、Huxley层的发根鞘细胞、Henle层的发根鞘细胞、外发根鞘细胞、发基质细胞(干细胞)、湿分层屏障上皮细胞(如角膜、舌、口腔、食道、肛管、远端尿道和阴道的分层鳞状上皮的表面上皮细胞)、角膜、舌、口腔、食道、肛管、远端尿道和阴道的上皮的基底细胞(干细胞)、尿道上皮细胞(内衬尿道膀胱和尿道管)；外分泌上皮细胞，如唾液腺粘液细胞(富多糖分泌)、唾液腺浆液细胞(富糖蛋白酶分泌)、舌的Von Ebner腺细胞(冲刷味蕾)、乳腺细胞(乳汁分泌)、泪腺细胞(泪液分泌)、耳的Ceruminous腺细胞(蜡分泌)、外分泌汗腺暗细胞(糖蛋白分泌)、外分泌汗腺亮细胞(小分子分泌)、顶泌汗腺细胞(性激素敏感的体味分泌)、眼睑的Moll腺细胞(特殊汗腺)、皮脂腺细胞(富脂质的皮脂分泌)、鼻的Bowman腺细胞(冲刷嗅觉上皮细胞)、十二指肠的Brunner腺细胞(酶和碱性粘液)、精液泡细胞(分泌精液成分，包括精子游动所需的果糖)、前列腺细胞(分泌精液成分)、尿道球部腺细胞(粘液分泌)、前庭大腺细胞(阴道润滑特制分泌)、Littre腺细胞(粘液分泌)、子宫内膜细胞(碳水化合物分泌)、气道和消化道的孤立杯状细胞(粘液分泌)、胃膜粘液细胞(粘液分泌)、胃腺酶源细胞(胃蛋白酶原分泌)、胃腺泌酸细胞(盐酸分泌)、胰腺腺泡细胞(碳酸氢盐和消化酶分泌)、胰内分泌细胞、小肠的Paneth细胞(溶菌酶分泌)、肠上皮细胞、肺的I和II型肺泡壁细胞(表面活性物制分泌)和/或肺的Clara细胞。
也可以用激素分泌细胞涂布膜，如胰腺的Langerhands胰岛的内分泌细胞、垂体前叶细胞、生长素细胞、促乳素細胞、促甲状腺激素细胞、促性腺激素细胞、促肾上腺皮质激素细胞、垂体中叶细胞、分泌黑色素细胞刺激素；和大细胞性神经分泌细胞分泌的催产素或加压素；肠道和气道细胞分泌的血清素、内啡呔、生长抑素、胃泌素、分泌素、胆囊收缩素、胰岛素、胰高血糖素、蛙皮素；甲状腺细胞，如甲状腺上皮细胞、滤泡旁细胞、甲状旁腺细胞、甲状旁腺主细胞、嗜酸性细胞、肾上腺细胞、嗜铬细胞分泌的类固醇激素(盐皮质激素和糖皮质激素)、睾丸分泌睾酮的睾丸间质细胞、卵泡分泌雌激素的卵泡内膜细胞、破裂卵泡分泌孕激素的黄体细胞、粒子黄体细胞、泡膜黄体细胞、肾小球旁细胞(肾素分泌)、肾致密斑细胞、肾极周细胞和/或肾的系膜细胞。
额外或可选择地，可以用代谢和储存细胞处理膜的至少一侧，如肝实质细胞(肝细胞)、白脂肪细胞、褐脂肪细胞、肝脂肪细胞。也可以使用屏障功能细胞(肺、肠、外分泌腺和泌尿生殖道)或肾细胞如肾小球壁细胞、肾小球足细胞、肾近端小管刷状缘细胞、Henle环细段细胞、肾远端小管细胞和/或肾集合管细胞。
在装置中可以使用的其他细胞包括I型肺泡壁细胞(肺里的空气空间)、胰管细胞(泡心细胞)、非纹状管细胞(汗腺、唾液腺、乳腺等的)、主细胞、插层细胞、导管细胞(精囊、前列腺等的)、肠刷状缘细胞(带微绒毛)、外分泌腺纹状管细胞、胆囊上皮细胞、输精小管无纤毛细胞、附睾的主细胞和/或附睾基底细胞。
也可以使用上皮细胞衬封闭的内部体腔，如血管和淋巴管内皮有孔细胞、血管和淋巴管内皮连续细胞、血管和淋巴管内皮脾细胞、滑膜细胞(衬关节腔、透明质酸分泌)、浆膜细胞(衬腹膜、胸膜和心包腔)、鳞状细胞(衬耳淋巴空间)、鳞状细胞(衬耳内淋巴空间)、带微绒毛的内淋巴囊柱状细胞(衬耳内淋巴空间)、无微绒毛的内淋巴囊柱状细胞(衬耳内淋巴空间)、暗细胞(衬耳内淋巴空间)、前庭膜细胞(衬耳内淋巴空间)、血管纹基底细胞(衬耳内淋巴空间)、血管纹边缘细胞(衬耳内淋巴空间)、Claudius细胞(衬耳内淋巴空间)、Boettcher细胞(衬耳内淋巴空间)、脉络丛细胞(脑脊髓液分泌)、柔脑膜鳞状细胞、睫状体色素上皮细胞、睫状体无色素上皮细胞和/或角膜内皮细胞。
通过加到培养基中膜的表面，以下细胞可以用在装置中。这些细胞包括以下细胞，如带推进功能的纤毛细胞，如呼吸道纤毛细胞、输卵管纤毛细胞(雌性)、子宫内膜纤毛细胞(雌性)、睾丸细胞纤毛(雄性)、输精小管纤毛细胞(雄性)和/或中枢神经系统的纤毛室管膜细胞(衬脑腔)。
也可以涂覆分泌特殊ECM的细胞，如成釉细胞上皮细胞(牙釉质分泌)、耳的前庭器的Planum semilunatum上皮细胞(蛋白多糖分泌)、Corti器的齿间上皮细胞(分泌覆盖毛细胞的盖膜)上皮细胞、疏松结缔组织成纤维细胞、角膜成纤维细胞(角膜角化细胞)、肌腱成纤维细胞、骨髓网状组织成纤维细胞、其他非上皮成纤维细胞、周细胞、椎间盘的髓核细胞、成牙骨质细胞/牙骨质细胞(齿根骨样牙骨质分泌)、成牙质细胞/牙质细胞(牙本质分泌)、透明软骨软骨细胞、纤维软骨软骨细胞、弹性软骨软骨细胞、成骨细胞/骨细胞、骨祖细胞(成骨细胞的干细胞)、眼的玻璃体的玻璃体细胞、耳的外淋巴隙的星状细胞、肝星状细胞(Ito细胞)和/或胰腺星状细胞。
额外或可选择地，在本装置中可以使用收缩性细胞，如骨骼肌肉细胞、红骨骼肌细胞(慢)、白骨骼肌细胞(快)、中级骨骼肌细胞、肌梭核袋细胞、肌梭核链细胞、卫星细胞(干细胞)、心肌细胞、平常心肌细胞、节点心肌细胞、Purkinje纤维细胞、平滑肌细胞(各种类型)、虹膜肌上皮细胞、外分泌腺肌上皮细胞。
下面的细胞也可用在本装置中：血液和免疫系统细胞，如红血球(红血细胞)、巨核细胞(血小板前体)、单核细胞、结缔组织巨噬细胞(各种类型)、表皮Langerhans细胞、破骨细胞(骨中)、树突状细胞(在淋巴组织中)、小胶质细胞(在中枢神经系统中)、嗜中性粒细胞、嗜酸性粒细胞、嗜碱性粒细胞、肥大细胞、辅助性T细胞、抑制性T细胞、细胞毒性T细胞、自然杀伤T细胞、B细胞、自然杀伤细胞、网状细胞、干细胞及血液和免疫系统的定向祖细胞(各种类型)。可以使用这些细胞作为单一细胞类型或混合物，以确定免疫细胞在组织培养系统中的影响。
也可以用以下细胞处理膜：一种或多种神经系统细胞、感官变换细胞(如Corti器的听觉内毛细胞、Corti器的听觉外毛细胞、嗅觉上皮的基底细胞(嗅神经的干细胞)、冷敏感的初级感觉神经元、热敏感的初级感觉神经元、表皮的Merkel细胞(接触传感器)、嗅觉受体神经元、疼痛敏感的初级感觉神经元(各种类型))；眼的视网膜感光细胞，包括感光杆细胞、眼的感光蓝敏感锥细胞、眼的感光绿敏感锥细胞、眼的感光红敏感锥细胞、本体感受的初级感觉神经元(各种类型)；触摸敏感的初级感觉神经元(各种类型)；I型颈动脉体细胞(血液pH传感器)；II型颈动脉体细胞(血液pH传感器)；耳的前庭器的I型毛细胞(加速度和重力)；耳的前庭器的II型毛细胞(加速度和重力)；和/或I型味蕾细胞。
在本装置中还可以使用自主神经元细胞，如胆碱能神经细胞(各种类型)、肾上腺素能神经细胞(各种类型)、肽能神经细胞(各种类型)。此外，也可以使用支持细胞的感觉器官和外围神经元。这些包括例如Corti器的内柱细胞、Corti器的外柱细胞、Corti器的内指骨细胞、Corti器的外指骨细胞、Corti器的边缘细胞、Corti器的Hensen细胞、支持细胞的前庭器、支持细胞的I型味蕾、支持细胞的嗅上皮、Schwann细胞、卫星细胞(封装周围神经细胞体)和/或肠道神经胶质细胞。在一些实施方案中，也可以使用中枢神经系统神经元细胞和神经胶质细胞，如星形胶质细胞(各种类型)、神经元细胞(各种类型，仍然缺乏分类)、少突胶质和主轴神经元。
诸如前晶状体上皮细胞和含有晶体的晶状体纤维细胞等晶状体细胞也可以用在本装置中。此外，可以使用色素细胞，如黑素细胞和视网膜色素上皮细胞；和生殖细胞，如卵原细胞/卵母细胞、精子细胞、精母细胞、精原细胞(精母的干细胞)和精子。
在一些实施方案中，可以向膜中加入护理细胞、卵泡细胞、支持细胞(在睾丸中)、胸腺上皮细胞。也可以使用间质细胞，如肾间质细胞。
在一个实施方案中，可以用上皮细胞涂布膜的至少一侧。上皮是由在整个身体的体腔和结构表面上作衬里的细胞组成的组织。许多腺体也由上皮组织形成。它位于结缔组织的上部，并且两层由基底膜隔开。在人类中，上皮分类作为初级身体组织，其他组织是结缔组织、肌肉组织和神经组织。上皮通常由粘附分子e-钙粘蛋白的表达定义(而不是n-钙粘蛋白，它被神经元和结缔组织的细胞使用)。
上皮细胞的功能包括分泌、选择性吸收、保护、跨细胞输送和感觉检测，因此它们普遍存在广阔的心尖-基底极性(例如表达的不同膜蛋白)和专门化。上皮细胞的例子包括具有薄平板外观的鳞状细胞。它们密切地装在组织中，提供液体能够在其上容易移动的光滑、低摩擦表面。核的形状通常对应于细胞形态并帮助确定上皮细胞的类型。由于细胞的薄扁平形态的原因，鳞状细胞往往具有水平平坦的椭圆形核。传统上，鳞状上皮细胞被发现利用简单的被动扩散作为表面衬里，如在肺的肺泡上皮中。专门的鳞状上皮细胞也形成腔的衬里，如血管(内皮)和心脏(间皮)和体内发现的主要腔。
上皮细胞的另一例子是立方形细胞。立方形细胞大致呈立方状，横截面为方形。每个细胞在中心都具有球形核。立方形上皮常见于分泌性或吸收性组织：例如(分泌性)外分泌腺、胰腺和肾小管的(吸收性)衬里以及腺体导管中。它们也构成生殖上皮，在女性卵巢中产生卵子细胞，在男性睾丸中产生精子细胞。
另一种类型的上皮细胞是被拉长并呈柱状的柱状上皮细胞。它们的核被拉长，并且通常位于细胞底部附近。柱状上皮形成胃和肠的衬里。有些柱状细胞专门用于感觉接收，如在鼻子、耳朵和舌的味蕾中。杯状细胞(单细胞腺)被发现在十二指肠的柱状上皮细胞之间。它们分泌粘液，用作润滑剂。
上皮细胞的另一个例子是假复层细胞。这些是简单的柱状上皮细胞，其核出现在不同的高度，给出在横截面上看细胞时上皮分层的误导(因此“假”)印象。假复层上皮也可以拥有它们的顶(腔)膜的细毛样扩展，称为纤毛。在这种情况下，上皮被描述为“纤毛状”假复层上皮。纤毛能够在一定方向上通过细胞骨架微管和连接结构蛋白和酶的相互作用而能量依赖性地脉冲跳动。产生的飘荡效应导致由杯状细胞局部分泌的粘液(润滑和捕获病原体和粒子)在该方向上流动(通常流出身体)。纤毛上皮发现在气道中(鼻子、支气管)，但也发现在女性的子宫和输卵管中，其中纤毛推动卵子到子宫。
上皮作为外部(外皮)和内部腔和体腔的衬里。皮肤的最外层由死分层鳞状角化的上皮细胞构成。
作为口腔、食道和部分直肠内部衬里的组织由非角化的分层鳞状上皮组成。将体腔与外部环境分离的其他表面由简单的鳞状、柱状或假复层上皮细胞作为衬里。其他上皮细胞作为肺、胃肠道、生殖和泌尿道内部的衬里，并构成外分泌和内分泌腺体。角膜的外表面用快速生长的易于再生的上皮细胞覆盖。内皮(血管、心脏和淋巴管的内衬)是一种特殊形式的上皮。另一种类型的间皮形成心包、胸膜和腹膜的壁。
因此，可以通过在多孔膜上涂覆适用的细胞类型并施加适用的真空而在细胞上提供生理或人造机械力以模仿生理力(如皮肤上的张力或肺上的机械应变)，在所述的细胞培养装置中再造这些组织。在一个实施方案中，膜的一侧用上皮细胞涂布，另一侧用内皮细胞涂布。
内皮是细胞的薄层，作为血管内表面的衬里，在管腔的循环血液和血管壁的其余部分之间形成界面。内皮细胞作为整个循环系统从心脏到最小毛细血管的衬里。这些细胞减少了血液流体的紊流，从而允许流体被抽运的更远。内皮组织是一种特殊类型的上皮组织(动物的生物组织中的四种类型之一)。更具体地说，它是简单的鳞状上皮。
解剖学的基本模型基于细胞所来自的组织在内皮细胞和上皮细胞之间产生区别，并表明波形蛋白而不是角蛋白纤维的存在使这些细胞与上皮细胞分离。心室内表面的内皮被称为心内膜。血液和淋巴毛细血管均由被称为单层的内皮细胞的单层组成。内皮细胞参与血管生物学的许多方面，包括：血管收缩和血管舒张，因此血压的控制；血液凝血(血栓及纤维蛋白溶解)；动脉粥样硬化；新血管的形成(血管生成)；炎症和屏障功能-内皮用作血管腔和周围组织之间的选择性屏障，控制材料的通过并使白细胞流入和流出血液流。内皮单层渗透性的过度或长期增大，例如在慢性炎症的情况下，可能导致组织水肿/肿胀。在一些器官中，存在高度分化的内皮细胞，以进行专门的'过滤'功能。这种独特的内皮结构的例子包括肾小球和血脑屏障。
在一个实施方案中，含有培养的内皮细胞的膜侧可以接触到不同的测试物质以及白血细胞或特异性免疫系统细胞，从而研究测试试剂对免疫系统细胞功能在组织水平的影响。
下面讨论如何形成根据一个实施方案的组织界面装置200的详细内容。PDMS膜的制备优选包括分阶段组装的多个部件的并行处理。图4A显示根据一个实施方案的主板600的立体图，其最终用于制造多孔膜208。如图4A所示，主板600优选通过在硅衬底上将光致抗蚀剂图案化到所需形状和尺寸来形成。
应该注意到，柱子602取决于膜208的预期设计可以设计成任何所需的阵列。例如，柱子602可以排列成圆形图案，以相应形成膜208中的孔的圆形图案组。应该注意到，如上文讨论的，柱子602可以具有五边形之外的任何其他截面形状，以在膜中制造相应的孔。还应该注意到，主板600可以含有不同高度的脊部，从而产生非平面膜。
此后，如图4B所示，主板600优选用PDMS旋涂，形成旋涂层604。此后，旋涂层604以规定时间和温度固化(例如110℃下15分钟)，并剥离掉主板600，而产生具有五边形通孔606的阵列的PDMS膜604，如图4C所示。显示的例子描述了制造10μm厚的PDMS膜，但是其他厚度值也是可以预期的。
尽管可以使用其他材料，但是PDMS具有有用的生物特性，它是中等硬度的弹性体(1MPa)，无毒，并且对于300nm是光学透明的。PDMS固有是非常疏水性，但可以通过用等离子体处理而转化为亲水性形式。膜604可被工程设计而用于多种用途，有些在上面讨论过。例如，膜604上的孔606可以用ECM分子或凝胶涂布或填充，如MATRIGEL、层粘连蛋白、胶原蛋白、纤连蛋白、纤维蛋白、弹性蛋白等，这是本领域技术人员已知的。可以通过在膜604的每一侧上培养不同类型的细胞来涂布组织-组织界面，如图4D所示。特别地，如图4D所示，一种类型的细胞608涂布在膜604的一侧，而另一种类型的细胞610涂布在膜604的另一侧。
图5A和图5B显示如何形成根据一个实施方案的第一外主体部202、第二外主体部204的过程。第一外主体部202和第二外主体部204优选使用软光刻技术形成，但是本领域中公知的其他技术也是可以预期的。在一个实施方案中，在一个衬底上形成光致抗蚀剂(图未示)，其中光致抗蚀剂具有阳性凸特征，其与第一外主体部中所需的分支结构成镜像。相似地，在另一个衬底上形成第二光致抗蚀剂(图未示)，其中第二光致抗蚀剂具有相应的阳性凸特征，其与第二外主体部204中的分支结构成镜像。通过在各主板上优选浇注PDMS或其他适当材料优选产生微通道以及连通的端口和端口开口。一旦形成第一外主体部202和第二外主体部204，优选使用开口形成构件或冲头穿过PDMS片制造用作端口开口的通孔。
如图5C所示，然后将已经形成的PDMS膜208夹在第一外主体部202和第二外主体部204之间，从而使用适宜制造设备和技术将微通道壁234，244以及外壁238，248对齐。此后，使用适宜粘合剂或环氧树脂将微通道壁234，244和外壁优选粘到膜208上。此外，外主体部202，204的其余部分使用适宜粘合剂或环氧树脂永久粘合，从而形成整个装置。
随后，如图5D所示，将PDMS蚀刻液引入操作通道，蚀刻掉操作通道中的PDMS膜段。这样导致产生没有膜的两个侧操作通道252，但是膜仍保留在中央微通道中，如图5E所示。优选使用软光刻技术形成，详细内容记载在“Soft Lithography in Biology andBiochemistry”，Whitesides等人著，Annual Review，Biomed Engineering出版，3.335-3.373(2001)以及“An Ultra-Thin PDMS Membrane As A Bio/Micro-Nano Interface:Fabrication And Characterization”，Thangawng等人著，Biomed Microdevices，第9卷，第4期，2007，页587-95中，本文并入它们作为参考。
图6显示根据一个实施方案的具有多个组织界面装置的系统的示图。特别地，如图6所示，系统700包括与一个或多个流体源704和压力源(图未示)连接的一个或多个CPU702，从而流体源与三个所示的组织界面装置706A、706B和706C连接。应该注意到，尽管在此实施方案中显示了三个装置706，但是少于或多于三个装置706也是可以预期的。在系统700中，三个装置中的二个(即706A和706B)相对于流体源704并联连接，装置706A和706C相对于流体源704串联连接。应该注意到，显示的结构仅是一个例子，取决于应用可以利用任何其他类型的连接模式。
在所示的例子中，流体从流体源704直接供应到装置706A和706B的流体进口。随着流体经过装置706A，它的出口直接进入装置706B和706C的流体进口。此外，从装置706B出来的流体与装置706A的出口相结合，进入装置706C。通过多个装置操作，使用传感器数据可以监测在流体已经通过另一个受控环境后，细胞在流体或膜中的行为如何。因此，该系统允许多个独立的“阶段”被建立，可以使用装置706在模拟生理条件下监测每个阶段中的细胞行为。串联连接的一个或多个装置可以提供研究细胞之间的化学通讯的用途。例如，一种类型的细胞可以响应于接触特定流体而分泌蛋白A，从而含有分泌的蛋白A的流体退出一个装置，然后接触另一个装置中特定图案化的另一类型细胞类型，从而可以监测在另一个装置中流体与蛋白A与另一类型细胞的相互作用(例如旁分泌信号)。对于并联配置，并联连接的一个或多个装置的优点在于可以提高分析一次跨多个装置的细胞行为的效率，而不是分析单独地通过单个装置的细胞行为。
图7A显示根据一个实施方案的器官模仿装置的立体图，其包含由两个多孔膜分隔的三个平行微通道。如图7A所示，器官模仿装置800包括操作微通道802和位于操作微通道802之间的整体中央微通道804。整体中央微通道804包括沿着各平行的x-y平面设置的多个膜806A，806B，将微通道804分成三个不同的中央微通道804A、804B和804C。膜806A和806B可以是多孔的、弹性的或其组合。正和/或负加压的介质可以经由操作通道802供应，产生压力差，从而使膜806A，806B沿其各自的平面平行地扩张和收缩。
图7B显示根据一个实施方案的器官模仿装置的立体图。如图7B所示，组织界面装置900包括操作微通道902A、902B和位于微通道902之间的中央微通道904。中央微通道904包括沿着各平行的x-y平面设置的多个膜906A，906B。此外，壁910将中央微通道分成两个不同的中央微通道，具有各自部分，从而壁910与膜906A和906B一起限定微通道904A、904B、904C和904D。膜906A和906B是至少部分多孔的、弹性的或其组合。
图7B中的装置与图7A中的装置不同之外在于，操作微通道902A和902B由壁908隔开，从而分离施加到微通道902A和902B上的压力，使它们的各自膜906A和906B扩张或收缩。特别地，正和/或负压力可以经由操作微通道902A施加，使膜906A沿其平面扩张和收缩，同时不同的正和/或负压力经由操作微通道902B施加，使膜906B沿其平面以不同的频率和/或幅度扩张和收缩。当然，一组操作微通道可以经历压力，而另一组未经历压力，从而仅造成一个膜开动。应该注意到，尽管在装置800和900中显示了两个膜，但是多于两个膜也是可以预期的，并且可以在装置中配置。
在图7C所示的例子中，包括图7A中所示三个通道的装置具有两个膜806A和806B，它们被涂布以确定血管肿瘤的细胞行为。特别地，膜806A在其上表面805A上用淋巴内皮细胞涂布并且在其下表面上用基质细胞涂布，基质细胞也涂布在第二多孔膜805B的上表面上，并且血管内皮细胞涂布在其下表面805C上。肿瘤细胞被放置在被部分804B中的上下膜的表面上的基质细胞层上下包围的中央微通道中。流体如细胞培养基或血液进入部分804C中的血管通道。流体如细胞培养基或淋巴液进入部分804A中的淋巴通道。装置800的这种结构允许研究人员在癌症转移过程中模仿和研究肿瘤生长和入侵血液和淋巴液管。在这个例子中，一个或多个膜806A，806B可以响应于经过操作微通道的压力而扩张/收缩。额外或可选择地，膜是不可以开动的，而可以是多孔的或具有沟槽以允许细胞通过膜。
已经在实验中监测了本装置的独特能力，针对生理机械力诱导的工程纳米材料的急性毒性和肺外易位。该装置已被用于建立肺部炎症模型，它可以精确地重建并直接可视化具有跨肺泡-毛细血管屏障移动的细胞因子和血源性免疫细胞的肺部组织的复杂相互影响。利用该模型，该装置揭示了模仿的肺对纳米材料的明显炎症反应。最后，该装置用来模拟肺部细菌感染及其通过嗜中性粒细胞募集和噬菌作用的清除。
该装置已经用在一个实验中，从而导致发现了生理机械力可以诱发和加剧肺中的工程纳米材料的毒性，并可以促进其进入全身循环的移动。此外，已经研发了模拟肺炎的体外模型，能够直接观察循环血源性免疫细胞对发炎内皮细胞的附着以及跨过肺泡-毛细血管屏障的移动。基于该模型，已经揭露了工程纳米粒子的明显促炎活性。基于该证据，可以建立肺部感染模型，并可以重建肺对细菌的先天免疫反应，这种细菌由嗜中性粒细胞浸润进入肺泡和细菌吞噬作用介导。
本装置用在多种实验中，从而该装置用来模拟活体肺。下面说明利用本装置的观察和研究结果。在真实肺的正常吸气中，胸腔由于膈肌收缩和肋骨笼扩张而扩大，因此，肺泡外部的胸膜腔内压降低。穿过肺泡壁的压力差增大造成肺泡扩大并迫使空气进入肺，从而在周围毛细血管中造成肺泡上皮和内皮的拉伸。肺泡上皮细胞与多孔薄膜上的肺部微血管内皮细胞共培养，而产生模仿肺泡上皮和肺部内皮之间界面的两个相对组织层。微通道的隔离配置使其容易独立地操纵上皮和内皮的流体环境，并施加生理机械应变。
在该实验中，人源肺泡上皮细胞和原发性肺微血管内皮细胞的共培养研发两周，而没有存活率损失。微流体培养导致形成具有结构完整性的紧密肺泡-毛细血管屏障，这可由上皮和内皮层中存在的典型复合连接体证明。微流体装置集成有计算机控制的真空，使得循环膜/细胞以可编程方式在不同的应变频率和水平下拉伸。据认为，施加的真空跨过宽的中央微通道产生单向张力。同时，发现这种张力被贴壁细胞感知，并导致它们伸展，增大它们的投影表面积。此外，机械应变有效地施加到细胞上通过表现出内皮细胞的拉伸诱导的排列和瞬时钙反应而证实。
基于芯片上生产肺部组织提供的独特功能和自然微环境的忠实再现，该装置用来评估纳米材料的潜在不利影响。尽管工程纳米材料具有广泛用途，但仍然有许多关于它们的健康和环境风险的教训。现有的毒理学方法依靠过分简单化的体外模型或冗长、昂贵的动物试验，往往对细胞水平的机理研究带来挑战。为了弥合细胞培养研究和动物模型之间的差距，该装置已被用于允许对纳米材料在严格控制的仿生微环境中的毒性进行更逼真、准确的评价。
在该实验中，在装置中制备的肺泡上皮组织暴露于各种纳米材料中，并且通过使用显微荧光测定法测量细胞内生产活性氧物种(ROS)而检测氧化应激。通过对胶体二氧化硅纳米粒子和量子点的测试，发现生理机械应变能够显著提高纳米粒子产生的氧化应激并在肺部上皮中诱导早期毒性反应。例如，当细胞暴露于12nm的二氧化硅纳米粒子中并在0.2Hz下施加10％应变的循环拉伸以模拟正常呼吸时，在两小时后ROS的产量提高超过五倍，而纳米粒子或机械应变在实验期间单独不会造成任何可测量的反应(参见图8)。用羧化量子点处理的细胞的反应表现出类似趋势(参见图9)。应该指出，ROS增加的类似水平在暴露于二氧化硅纳米粒子24小时后实现，如图9所示。
还发现，循环应变单独并不具有任何重大影响，不论其持续时间如何，如图9所示。综上，这些观察表明，生理力与纳米粒子协同地在肺中发挥早期毒性作用或加剧纳米粒子毒性。对纳米粒子这种拉伸诱导的ROS反应取决于应变水平和上皮细胞的诱导凋亡，这可通过半胱天冬酶活性来检测。当在纳米粒子接触中用临床使用的自由基清除剂N-乙酰基半胱氨酸(NAC)处理后，这些细胞被从氧化应激完全救出，大概是由于NAC的抗氧化剂活性导致细胞内谷胱甘肽增加。还指出，由纳米材料和应变的综合效应所产生的氧化应激随纳米材料的类型显著变化。例如，在同等条件下暴露于50nm超顺磁性铁纳米粒子仅导致氧化压激的瞬时增加。在其他纳米材料的测试中没有观察到这种独特的ROS反应，包括单壁碳纳米管、金纳米粒子、聚苯乙烯纳米粒子和用聚乙二醇涂布的量子点，如下表1所示。
表1
为了解生理力对组织-纳米材料相互作用的影响，共聚焦显微镜法用来分析在1小时暴露后100nm荧光纳米粒子进入上皮细胞的内部化。然而，在细胞内室中检测到的粒子或其聚集体的数量在机械应变存在下明显更大，并且超过80％的细胞被发现已经吸收了纳米粒子，而纳米粒子的吸收程度在缺乏应变下明显更小。这些结果表明，生理机械力可以促进纳米材料的细胞吸收，从而允许它们与亚细胞成分相互作用，因而使它们潜在地更为有害。
此外，该装置提供了机会来研究纳米材料从肺泡空间到微血管系统的肺外易位。增加的体内证据表明，肺泡中的纳米材料有能力跨越肺泡-毛细血管屏障并进入肺部循环，潜在地影响其他器官。为了研究这种情况，将20nm荧光纳米粒子引到上皮侧，并利用通过连续流体流进行的计数低血管通道的粒子数量来监测纳米粒子易位。该模型揭示出与跨过松弛的静态组织屏障的输送相比，在10％循环应变的生理条件下纳米粒子进入血管室的迁移率显著增加。这些发现提供了体外证据，表明活肺的固有机械活性可以允许纳米材料从肺泡空间转移进入血液流。实验数据也支持了在动物研究中观察到吸入纳米材料的全身分布和积累，并且可以有助于描述这种过程的机制，以及为研究这种反应提供一种替代模型系统。
为了进一步证明装置的重构肺中的整合器官-水平反应的能力，研发了更复杂的模型，纳入了循环血液源免疫细胞并复制肺炎症的关键步骤。一般来说，肺的炎症反应涉及上皮生产和早期反应细胞因子的释放、血管内皮的活化(通过上调白细胞粘附分子并随后白细胞从肺微循环浸润肺泡空间)的高度协调的多级级联。为了模拟这一过程，肺泡上皮的顶面首先用肿瘤坏死因子-α(TNF-α)刺激，其是一种强效的促炎介体，并通过测量细胞间粘附分子-1(ICAM-1)的表达来检测内皮活化。响应于肺泡组织的5小时TNF-α刺激，膜另一侧上的内皮细胞显著增加了ICAM-1的表面表达。此外，活化的内皮支持血管微通道中流动的人类嗜中性粒细胞的捕捉和牢固粘附，在缺乏细胞因子暴露的情况下不会粘附。用低剂量的TNF-α处理上皮细胞导致内皮的弱活化，造成捕捉的嗜中性粒细胞在流动方向不断滚动，而没有被捕获。直接显微镜可视化揭示出，粘附的嗜中性粒细胞从牢固粘附的位置到遥远的位置变成平坦和爬行的，在遥远的位置处它们通过内皮溢出并在几分钟的时间内经由膜孔跨过肺泡-毛细血管屏障转移。然后，转移的嗜中性粒细胞优先通过细胞旁连接移居到肺泡上皮的顶面上，尽管流体流动和循环拉伸也保留在上皮层上。这些连续事件成功地复制了从微血管系统到肺泡室的嗜中性粒细胞募集的全过程，这是肺部炎症的标志。
使用该装置，研究了胶体二氧化硅纳米粒子对肺的促炎性作用。经肺泡上皮细胞暴露于12nm二氧化硅纳米粒子5小时后，微血管内皮细胞变得活化，并表现出高水平的ICAM-1表达。应该注意，施加10％循环应变连同纳米粒子协同上调ICAM-1的内皮表达。在血管通道中循环的人类嗜中性粒细胞被观察到牢固地粘附到发炎的内皮，跨越组织屏障转移，并在上皮表面上积累。这些观察证实了这些二氧化硅纳米粒子的明显促炎活性，这可能会由于在肺中引发急性炎症的生理力而更加明显。
在一个实验中，本装置被配置成模仿对细菌来源的肺部感染的先天免疫反应。为模仿患有细菌感染的肺，用构成性表达绿色荧光蛋白(GFP)的大肠杆菌(E.coli)顶部刺激肺泡上皮细胞达5小时。当其后允许人类嗜中性粒细胞在血管微通道中流动时，它们附着在内皮细胞上并跨组织发生血球渗出，表明上皮的细菌刺激引起内皮活化。经到达上皮表面，嗜中性粒细胞显示出朝向GFP-标记细菌的定向运动并吞噬它们，这可通过用荧光标记的移动嗜中性粒细胞检测吞噬的细菌来说明。还观察到，嗜中性粒细胞在短时间内能够摄入超过一种细菌并且它们的吞噬能力持续，直到从观察区中清除了大部分的细菌。这些结果清楚地证实了在3D生理器官方面这种模型体外重建对微生物感染的综合免疫反应的全过程的能力。
虽然已经显示并描述了各实施方案和应用，但对于本领域技术人员显而易见的是，经阅读本文披露内容，可以做出许多上述之外的改进，而不会背离本发明的构思。因此，各实施方案仅在所附权利要求书的精神范围内受到限制。
在以下按字母顺序排列的段落中限定了本发明的主题：
[A]一种器官模仿装置，包括：
内部具有中央微通道的主体；和
在所述中央微通道内并沿平面设置的至少部分多孔的膜，所述膜被设置成分隔所述中央微通道，形成第一中央微通道和第二中央微通道，其中第一流体经由第一中央微通道供应，第二流体经由第二中央微通道供应，所述膜用支持多个活细胞附着的至少一种粘附分子涂布。
[B]如[A]所述的装置，其中所述多孔膜是至少部分柔性的，所述装置还包括：
邻近第一和第二中央微通道的所述主体的第一室壁，其中所述膜安装在第一室壁上；和
在第一室壁的相对侧上的邻近第一和第二中央微通道的第一操作通道，其中在第一操作通道和所述中央微通道之间施加的压力差使第一室壁在第一所需方向上弯曲，从而在第一和第二中央微通道内沿所述平面扩张或收缩。
[C]如[A]或[B]的所述装置，还包括：
邻近第一和第二中央微通道的所述主体的第二室壁，其中所述膜的相对端部安装在第二室壁上；和
在第二室壁的相对侧上的邻近所述中央微通道的第二操作通道，其中在第二操作通道和所述中央微通道之间施加的压力差使第二室壁在第二所需方向上弯曲，从而在第一和第二中央微通道内沿所述平面扩张或收缩。
[D]如以上段落中任一项或全部所述的装置，其中所述膜中的至少一个孔口沿宽度范围为0.5～20微米。
[E]如以上段落中任一项或全部所述的装置，其中所述膜还包括位于所述中央微通道内的第一膜和第二膜，其中第二膜平行于第一膜，在其间形成第三中央微通道。
[F]如以上段落中任一项或全部所述的装置，其中所述膜含有PDMS。
[G]如以上段落中任一项或全部所述的装置，其中所述膜用一个或多个细胞层涂布，其中所述一个或多个细胞层涂布在所述膜的表面上。
[H]如以上段落中任一项或全部所述的装置，其中所述膜的一侧或两侧用一个或多个细胞层涂布，其中所述一个或多个细胞层含有选自后生动物、哺乳动物和人类细胞的细胞。
[I]如以上段落中任一项或全部所述的装置，其中所述细胞选自上皮、内皮、间质、肌肉、免疫、神经和造血细胞。
[J]如以上段落中任一项或全部所述的装置，其中所述膜的一侧用上皮细胞涂布，所述膜的另一侧用内皮细胞涂布。
[K]如以上段落中任一项或全部所述的装置，其中所述装置的主体和所述膜由生物相容性或生物降解性材料制成。
[L]如以上段落中任一项或全部所述的装置，其中所述装置进一步植入到活生物体中。
[M]如以上段落中任一项或全部所述的装置，其中所述活生物体是人。
[N]如以上段落中任一项或全部所述的装置，其中所述膜用所述一个或多个细胞层体外涂布。
[O]如以上段落中任一项或全部所述的装置，其中所述至少一个膜用所述一个或多个细胞层体内涂布。
[P]如以上段落中任一项或全部所述的装置，其中所述膜用促进所述至少一个细胞层附着在所述膜上的生物相容性试剂涂布。
[Q]如以上段落中任一项或全部所述的装置，其中所述生物相容性试剂是细胞外基质，包括胶原蛋白、纤连蛋白和/或粘连蛋白。
[R]如以上段落中任一项或全部所述的装置，其中所述生物相容性材料选自胶原蛋白、粘连蛋白、蛋白多糖、玻璃粘连蛋白、纤连蛋白、多聚赖氨酸和多糖。
[S]如以上段落中任一项或全部所述的装置，其中第一流体含有白血细胞。
[T]一种方法，包括：
选择具有主体的器官模仿装置，所述主体包括在中央微通道内并沿平面设置的至少部分多孔的膜，用于将所述中央微通道分隔成第一中央微通道和第二中央微通道，所述膜用支持多个活细胞附着的至少一种粘附分子涂布；
经由第一中央微通道供应第一流体；
经由第二中央微通道供应第二流体；和
监测细胞相对于第一和第二中央微通道之间的膜的行为。
[U]如以上段落中任一项或全部所述的方法，其中所述膜是至少部分弹性的，所述主体包括邻近第一和第二中央微通道的至少一个操作通道，所述方法还包括：
调节所述中央微通道和所述至少一个操作通道之间的压力差，其中所述膜响应于所述压力差沿所述平面伸展。
[V]如以上段落中任一项或全部所述的方法，其中所述压力差的调节还包括：
增大压力差，使得所述膜的一侧或多侧在所需方向上沿所述平面移动；和
减小压力差，使得所述膜的一侧或多侧在相反方向上沿所述平面移动。
[W]如以上段落中任一项或全部所述的方法，其中所述膜中的至少一个孔口沿宽度范围为0.5～20微米。
[X]如以上段落中任一项或全部所述的方法，还包括用一个或多个细胞层处理所述膜，其中所述一个或多个细胞层涂布在所述膜的表面上。
[Y]如以上段落中任一项或全部所述的方法，还包括在所述膜的一侧或两侧上涂布一个或多个细胞层，其中所述一个或多个细胞层含有选自后生动物、哺乳动物和人类细胞的细胞。
[Z]如以上段落中任一项或全部所述的方法，其中所述细胞选自上皮、内皮、间质、肌肉、免疫、神经和造血细胞。
[AA]如以上段落中任一项或全部所述的方法，其中所述膜的一侧用上皮细胞处理，所述膜的另一侧用内皮细胞处理。
[BB]如以上段落中任一项或全部所述的方法，其中所述装置的主体和所述膜由生物相容性或生物降解性材料制成。
[CC]如以上段落中任一项或全部所述的方法，其中所述装置进一步植入到活生物体中。
[DD]如以上段落中任一项或全部所述的方法，其中所述活生物体是人。
[EE]如以上段落中任一项或全部所述的方法，中所述膜用所述一个或多个细胞层体外涂布。
[FF]如以上段落中任一项或全部所述的方法，其中所述至少一个膜用所述一个或多个细胞层体内涂布。
[GG]如以上段落中任一项或全部所述的方法，其中所述膜用促进所述至少一个细胞层附着在所述膜上的生物相容性试剂涂布。
[HH]如以上段落中任一项或全部所述的方法，其中所述生物相容性试剂是细胞外基质，包括胶原蛋白、纤连蛋白和/或粘连蛋白。
[II]如以上段落中任一项或全部所述的方法，其中所述生物相容性材料选自胶原蛋白、粘连蛋白、蛋白多糖、玻璃粘连蛋白、纤连蛋白、多聚赖氨酸和多糖。
[JJ]如以上段落中任一项或全部所述的方法，其中第一流体含有白血细胞。
[KK]一种确定至少一种试剂对施加生理或病理机械力的组织系统的影响的方法，所述方法包括：
选择具有主体的装置，所述主体包括在中央微通道内并沿平面设置的至少部分多孔的膜，用于将所述中央微通道分隔成第一中央微通道和第二中央微通道；
使所述膜与所述膜第一侧上的至少一层细胞和所述膜第二侧上的至少一层细胞接触，从而形成包括至少两种不同类型细胞的组织结构；
使所述包括至少两种不同类型细胞的组织结构与所述至少一种试剂在适宜的细胞培养基中接触；
在所述细胞上施加均匀或不均匀的力一段时间；和
测量所述包括至少两种不同类型细胞的组织结构中的细胞的响应，从而确定所述至少一种试剂对所述细胞的影响。
[LL]如以上段落中任一项或全部所述的方法，其中所述适宜的细胞培养基用白血细胞补充。
[MM]如以上段落中任一项或全部所述的方法，其中使用真空施加所述均匀或不均匀的力。
[NN]如以上段落中任一项或全部所述的方法，其中所述包括至少两种不同类型细胞的组织结构包括在所述多孔膜第一侧上的肺泡上皮细胞和在所述多孔膜第二侧上的肺部微血管细胞。
[OO]如以上段落中任一项或全部所述的方法，其中所述试剂选自纳米粒子、环境毒素或污染物、香烟烟雾、化妆品中使用的化学物质或粒子、药物或候选药物、气溶胶、包括花粉在内的天然粒子、化学武器、单链或双链核酸、病毒、细菌和单细胞生物体。
[PP]如以上段落中任一项或全部所述的方法，其中通过测量活性氧物种的表达来进行响应的测量。
[QQ]如以上段落中任一项或全部所述的方法，其中使用组织染色进行响应的测量。
[RR]如以上段落中任一项或全部所述的方法，还包括在测量所述试剂的影响之前，对具有包括至少两种不同类型细胞的组织结构的膜进行活检，其中所述活检被染色。
[SS]如以上段落中任一项或全部所述的方法，其中从与膜形式的包括至少两种不同类型细胞的组织结构的第一侧或第二侧或两侧接触的细胞培养基样品进行响应的测量。
[TT]如以上段落中任一项或全部所述的方法，还包括将所述试剂的影响与相似平行装置系统中的另一种试剂的影响或没有试剂的对照进行比较。
[UU]如以上段落中任一项或全部所述的方法，还包括使所述膜与至少两种试剂接触的步骤，其中首先接触第一试剂，从而对所述包括至少两种不同类型细胞的组织结构产生影响，然后接触至少第二试剂一段时间，以测试第二试剂对已受第一试剂影响的包括至少两种不同类型细胞的组织结构的影响。
[VV]一种器官模仿装置，包括：
具有中央微通道的主体；和
在所述中央微通道内并沿平行平面设置的多个膜，其中所述多个膜中的至少一个是至少部分多孔的，所述多个膜被设置成将所述中央微通道分隔成多个中央微通道。

Claims (50)

1.一种用于模仿组织的功能或反应的装置，包括：
第一微通道；
第二微通道；和
位于第一微通道和第二微通道之间的界面区的膜，所述膜包括朝向第一微通道的第一侧和朝向第二微通道的第二侧，第一侧具有粘附到其上的第一类型细胞，第二侧具有粘附到其上的第二类型细胞，所述膜允许细胞、粒子、化学物质、分子、流体、液体和气体中的至少一种从所述膜的第一侧到所述膜的第二侧的迁移，所述膜在第一微通道中存在第一流体和第二微通道中存在第二流体的同时沿着所述膜的平面可控地伸展。
2.如权利要求1所述的装置，还包括邻近第一微通道和第二微通道的具有微通道壁的主体，所述微通道壁结合到所述膜上并可移动，从而允许所述膜沿着所述膜的平面可控地伸展。
3.如权利要求2所述的装置，其中所述主体还包括通过所述微通道壁与第一微通道和第二微通道中的至少一个隔开的第一操作通道，所述微通道壁响应于第一操作通道与第一微通道和第二微通道中的至少一个之间的压力差进行移动。
4.如权利要求1所述的装置，还包括使所述膜扩张/收缩的电机。
5.如权利要求1所述的装置，还包括使所述膜扩张/收缩的机械致动件。
6.如权利要求1所述的装置，其中第一微通道具有与第二微通道不同的断面尺寸。
7.如权利要求6所述的装置，其中所述膜将所述装置的主体内的主通道分成第一微通道和第二微通道，所述膜从所述主通道的中心垂直地偏移以形成不同的断面尺寸。
8.如权利要求1所述的装置，还包括至少由第一外主体部和第二外主体部限定的主体，所述膜是位于所述第一外主体部和所述第二外主体部之间的膜层，第一微通道由所述第一外主体部和所述膜层限定，第二微通道由所述第二外主体部和所述膜层限定。
9.如权利要求8所述的装置，其中所述第一外主体部、所述第二外主体部和所述膜层通过粘结工艺结合在一起。
10.如权利要求1所述的装置，还包括由第一外主体部和第二外主体部限定的主体，其中所述第一外主体部和所述第二外主体部通过将材料引入分别在所述第一外主体部和所述第二外主体部中形成第一微通道和第二微通道的主板中来制成。
11.如权利要求1所述的装置，其中第一微通道具有与第二微通道相同的断面尺寸。
12.如权利要求1所述的装置，其中第一微通道和第二微通道部分地由弯曲的微通道壁限定。
13.如权利要求1所述的装置，其中所述膜以进行周期性移动模式的方式可控地伸展。
14.如权利要求1所述的装置，其中所述膜以进行不规则移动模式的方式可控地伸展。
15.如权利要求1所述的装置，其中第一流体和第二流体是相同的流体。
16.如权利要求1所述的装置，其中第一流体和第二流体中的至少一种是气态流体。
17.如权利要求1所述的装置，其中第一流体和第二流体中的至少一种是液体。
18.一种在具有位于第一微通道和第二微通道之间的界面区的膜的装置中模仿组织的功能或反应的方法，所述膜的第一侧暴露到第一微通道并具有粘附到其上的第一类型细胞，所述方法包括：
经由第一微通道移动第一流体；
经由第二微通道移动第二流体；以及
在(i)第一流体邻近第一微通道内的第一种活细胞和(ii)第二流体在第二微通道内的同时，使所述膜沿着所述膜的平面伸展以引起粘附到所述膜的第一侧上的第一种活细胞的动态拉伸。
19.如权利要求18所述的方法，其中所述膜的第二侧具有粘附到其上的第二种活细胞，所述膜允许细胞、粒子、化学物质、分子、流体、液体和气体中的至少一种在第一类型细胞和第二类型细胞之间的迁移。
20.如权利要求18所述的方法，其中所述伸展包括移动结合到所述膜上的微通道壁。
21.如权利要求18所述的方法，其中所述伸展包括使用使所述膜扩张/收缩的电机。
22.如权利要求18所述的方法，其中所述伸展包括使用使所述膜扩张/收缩的机械致动件。
23.如权利要求18所述的方法，还包括，在所述伸展之后，使所述膜回缩以解除施加到第一种活细胞上的力。
24.如权利要求23所述的方法，还包括，重复(i)使所述膜伸展和(ii)使所述膜回缩，以向第一种活细胞施加重复的力。
25.如权利要求24所述的方法，其中以周期性的模式施加重复的力。
26.如权利要求24所述的方法，其中以不一致的模式施加重复的力。
27.如权利要求24所述的方法，其中重复的力具有不同的持续时间。
28.如权利要求18所述的方法，其中第一流体和第二流体中的至少一种是气态流体。
29.如权利要求18所述的方法，其中所述移动第一流体还包括控制第一流体在第一微通道内的流动和浓度。
30.如权利要求29所述的方法，还包括将试剂引入第一微通道内的第一流体中和测量第一种活细胞对所述试剂的反应。
31.如权利要求30所述的方法，其中测量第一种活细胞对所述试剂的反应在施加力的同时发生。
32.如权利要求18所述的方法，其中使所述膜伸展引起粘附到所述膜的第一侧上的第一种活细胞的拉伸诱导的排列。
33.如权利要求18所述的方法，其中第一流体和第二流体中的至少一种是液态流体。
34.如权利要求18所述的方法，其中在第一流体和第二流体中的至少一种分别在第一微通道和第二微通道中移动的同时发生所述伸展。
35.如权利要求18所述的方法，其中第一流体和第二流体是相同的流体。
36.一种用于模仿组织的功能或反应的装置，包括：
具有微通道的主体；和
通常在跨越所述微通道的平面内延伸并将所述微通道分隔成第一微通道和第二微通道的膜，所述膜结合到所述主体上，所述膜包括朝向第一微通道的第一侧和朝向第二微通道的第二侧，第一侧具有粘附到其上的第一类型细胞；
其中在第一微通道中存在第一流体并且在第二微通道中存在第二流体的同时，所述膜沿着所述膜的平面可控地伸展和回缩。
37.如权利要求36所述的装置，其中所述主体包括邻近所述微通道的微通道壁，所述微通道壁结合到所述膜上，所述微通道壁使所述膜在所需方向上可控地伸展和回缩。
38.如权利要求37所述的装置，其中所述微通道壁将第一操作通道与所述微通道隔开，所述微通道壁响应于第一操作通道和所述微通道之间的压力差进行移动。
39.如权利要求36所述的装置，还包括使所述膜在所需方向上扩张/收缩的电机。
40.如权利要求36所述的装置，还包括使所述膜在所需方向上扩张/收缩的机械致动件。
41.如权利要求36所述的装置，其中所述膜的第二侧具有粘附到其上的第二种活细胞，所述膜允许细胞、粒子、化学物质、分子、流体和气体中的至少一种在第一类型细胞和第二类型细胞之间的迁移。
42.如权利要求36所述的装置，其中第一流体和第二流体中的至少一种是液态流体。
43.如权利要求36所述的装置，其中第一流体和第二流体中的至少一种是气态流体。
44.如权利要求36所述的装置，其中在第一流体和第二流体中的至少一种分别在第一微通道和第二微通道中移动的同时发生所述伸展和回缩。
45.如权利要求36所述的装置，其中第一流体和第二流体是相同的流体。
46.一种用于模仿组织的功能或反应的装置，包括：
具有第一微通道和第二微通道的主体，第一微通道中具有第一流体，第二微通道中具有第二流体；和
位于第一微通道和第二微通道之间的界面区的膜，所述膜包括朝向第一微通道的第一侧和朝向第二微通道的第二侧，第一侧至少具有粘附到其上的第一类型细胞，第二侧至少具有粘附到其上的第二类型细胞，所述膜允许第一类型细胞和第二类型细胞之间的细胞通讯，所述膜在第一微通道中存在第一流体和第二微通道中存在第二流体的同时沿着所述膜的平面可控地伸展。
47.如权利要求46所述的装置，还包括使所述膜扩张/收缩的电机。
48.如权利要求46所述的装置，其中第一流体和第二流体中的至少一种是液态流体。
49.如权利要求46所述的装置，其中第一流体和第二流体是相同的流体。
50.如权利要求46所述的装置，其中第一流体和第二流体中的至少一种是气态流体。
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