CN107980057A - 用于体外3d细胞培养实验的微流控装置 - Google Patents

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Abstract

用于体外3D细胞培养实验的微流控装置，包括主体，在该主体中设置有细胞培养腔室，该细胞培养腔室中至少部分地填充有用于保持细胞培养物的支架物质。主体中设置有与细胞培养腔室连通用于沿着支架物质引导流体流的流体路径。在支架物质上方，培养腔室通向设置在主体外顶表面处以直接抵近支架物质的接入端口。支架物质形成将流体路径与接入端口分开的流体流动屏障。

Description

用于体外3D细胞培养实验的微流控装置
本发明涉及用于体外3D细胞培养实验的微流控装置，该微流控装置包括主体，主体中设置有细胞培养腔室和流体路径，细胞培养腔室中至少部分地填充有用于保持细胞培养物的支架物质(scaffolding substance)，流体路径与细胞培养腔室连通用于沿着支架物质引导流体流。本发明还涉及使用本发明的微流控装置进行体外3D细胞培养实验的方法，包括复杂活体组织重建。
体外细胞培养实验在生物学和医学科学中是重要的，用于允许研究单个细胞的或作为较大细胞培养物的一部分的细胞的细胞行为。例如，对细胞摄取生物分子进行的研究可使得提高对这种生物分子对细胞、组织、器官和受试者层面的影响的认知和理解，这反过来可引领例如个性化医药学的发展。当前，对药物候选的药代动力学和毒理学评估很大程度上依赖于昂贵的、劳动密集的、耗时的和伦理上质疑的动物测试系统，其对临床功效和毒性仅显示非常有限的预测价值。
因此，开发了用于体外培养、扩增和分化细胞的许多方法和装置。传统和仍经常使用的方法是在合适的生长表面(诸如，填充有液体或凝胶状培养基的细胞培养皿)上生长和保持细胞或细胞培养物。培养基可包括以所需的方式影响细胞或细胞培养物的生长和保持的特定成分。然而，由于生理学环境的损失，这些二维的(2D)细胞培养模型对于一些应用的预测价值可能仍然是非常有限的。
利用3D支架(例如，装入诸如水凝胶的支架物质中的细胞)，可实现类组织连接，但在控制细胞培养条件方面存在限制。3D模型大多缺乏药代动力学研究所需的复杂性。对于这样的模型中的许多应用，供应至细胞培养物的营养物有限，并且存在可能混淆对药物的细胞反应的代谢废物产品的积累。3D模型也无法模拟体内中存在的时空生物化学梯度，并不能提供诸如流动、灌注、压力、机械应力的机械诱因。此外，对于实时成像也是有问题的，并且由于反应扩散现象可能很难在活体细胞中执行生物化学分析。此外，设计将多个器官/组织模拟物与活性血管导管和屏障组织集成在一起的工程师微系统可能是不容易做到的。
微流控装置(诸如，微流控芯片(chip))允许解决这些限制。利用微流控装置，可以在精确限定的几何形状中以微米和纳升的尺度控制流体流动。由于微观的几何尺寸，流体的流动是层状的，并且以非常小的量来布置流体体积是可能的。对流体流动精确地定时的能力允许对微环境进行精确的化学和物理控制。对于微流控装置中的细胞培养物，递送到细胞的剂量可以以纳升或更小来测量，这代表着精度的显著提高。流体的小体积效应比以较大体积培养的细胞更适于模拟组织中细胞或细胞群体的生理条件。微流控系统还允许详细分析社会背景中的细胞迁移。控制微环境的时空诱因和使所培养的细胞的几何形状成形的能力例如允许在微流控芯片中研究原代神经元细胞和细胞系。
微流控与3D支架系统的集成使得可在生物化学和生物力学两个方面调节培养条件(诸如，创建动力学3D结构)，以及提供允许从培养的细胞形成人造组织的微环境。微流控细胞培养装置允许在给定面积或体积中精确控制细胞数量和细胞密度，以及可将细胞排成复杂的几何形状。因为在微流控装置中，细胞可在支架物质(诸如，水凝胶)中组织成三维几何形状，所以可以培养呈与组织中的细胞类似的3D结构的细胞。微流控装置中可实现同型组织培养模型及异型组织培养模型，其中，异型组织培养模型从组织学和生理学两个方面以及从功能角度上相近地模拟相应组织。这允许例如高通量的药理学研究，并且可能使得使用微流控细胞培养系统也用于再生目的。
微流控细胞培养装置中的空间分开的微流控室的小尺寸允许在单个装置上组装大量可在腔室中单独控制的细胞培养物。这有利于实现高的实验并行度、高的样品和反应吞吐量并且由此提高再现性，及降低试剂成本。
由于上面提及的优点，微流控对于单个细胞动力学的分析变得尤其重要。借助于微流控装置，可直接观察细胞生长和细胞尺寸的调节，以及可追踪几代单个细胞的系谱。在分子水平上，微流控允许在单个细胞中表征转录因子和基因表达动力学，从而基本上增加我们对生物系统的功能的理解。
目前可获得的用于体外3D细胞培养实验的微流控装置包括封闭的系统以保护细胞培养物和培养条件免受可能的外部影响，并且提供对装置的培养腔室中生长的细胞培养物的有限的抵近。因此，已知的装置使得对培养的细胞的同时操作和分析相当困难，特别是以高的空间和时间分辨率监测呈复杂几何形状的细胞以及在实验期间或之后对它们各个进行提取。
因此，需要改进的用于细胞培养研究的微流控系统，其可特别应用于药物研究、疫苗开发和其它类型的医学研究中。因此，本发明提供了用于细胞培养研究的新装置和方法，利用该装置和方法，可以在体外单个地或以组织和器官的功能单元研究所有类型的细胞，诸如血管细胞和器官细胞。本发明的这些和其它方面在所附的权利要求书和下文的说明书中显而易见。
发明内容
在本发明的一方面，提供了用于体外复杂活体组织重建的微流控装置。提出了通过本发明的流控装置重建的体外复杂活体组织相近地模拟诸如植物或动物等活体多细胞生物的体内组织。因此，根据前文，本发明提供了用于体外3D细胞培养实验的微流控装置，该微流控装置的特征在于：在支架物质上方，培养腔室通向设置在主体的外顶表面处的接入端口用于供直接抵近支架物质，支架物质形成将流体路径与接入端口分开的流体流动屏障。根据本发明的装置中的接入端口提供了对下方的培养腔室的直接抵近。因此，可以通过接入端口方便地将支架物质提供到培养腔室中，并且可以经由接入端口容易地操控在该装置中培养的细胞或者培养腔室中的条件。例如，接入端口允许在培养腔室中容易地植入或提取细胞。
如果需要，可以通过在接入端口上放置合适的盖或盖子而将微流控装置中的细胞培养环境与外部环境隔绝。盖或盖子可以是微流控装置的组成部分，或者是独立的主体。优选地，盖或盖子与微流控装置的主体可拆卸地连接，这使得可以根据需要在任何时间关闭或打开接入端口。
如本文中所使用的，术语“流体流动屏障”是指对流体流动形成限制的任何机构。可以使用流体流动屏障来将流体的自由流动以一定程度重定向。流体流动屏障可以是完全限制：不允许流体从此流动经过；或者可以是部分限制：一些流体可从才流动经过。流体流动屏障可以在任何情况下允许流体或流体的部分(例如，流体中的物质、颗粒或其它组分)通过扩散的方式流动经过流体流动屏障。由于在微流控装置的培养腔室内提供了支架物质(其形成将流体路径与接入端口分开的流体流动屏障)，因此流动经过微流控装置中的流体路径的任何流体较大部分沿着培养腔室被引导，从而防止通过培养腔室的流体出现强流。因此，只有在支架物质的外部暴露的细胞将可能在表面上经受剪切应力，而对于在支架物质中捕获的细胞培养物来说，不会或几乎不会出现剪切应力。
提供流体流动屏障可以用于模拟有助于控制组织(如肺、骨、关节软骨和血管组织)的架构的机械力。重要的是，包括纤维细胞、平滑肌细胞、骨细胞和软骨细胞的许多细胞类型存在于三维环境中并且暴露于间质液力。生理性间质流动是流体通过组织的细胞外基质(通常在血管与毛细淋巴管之间)的运动。它提供了通过间质空间递送大蛋白所必需的对流，并构成微循环的重要部分。间质流也为间质中的细胞提供特定的机械环境，这可在确定间质组织和架构中起重要作用。因此，根据本发明的微流控装置可以采用在流体流动路径与培养腔室之间形成流体流动屏障的支架物质，其允许流体从流体流动路径流动经过支架物质，从而模拟间质流的流动，以便使支架物质内的培养细胞暴露于间质液力并为细胞提供必需或预期的营养物和/或其它生物分子。在组织中形成单层以形成内腔或表面并暴露于跨越表面的剪切应力的类型的细胞(例如，内皮细胞和上皮细胞)可被种植在支架物质的外部，以暴露于流体的经过装置的流体流动路径的流体流。
根据优选的实施方式，本发明的微流控装置的特征在于，主体包括一组流体路径，每一流体路径与细胞培养腔室连通以用于沿着支架物质引导相应的流体流，其中支架物质将相应的流体路径分开。在根据本发明的微流控装置中，由两个、三个、四个、五个或更多流体路径组成的一组流体路径允许在支架物质的不同位置处将流体或流体的组分供应到培养腔室，因此模拟供应管(诸如，组织的血管和毛细管淋巴通道)的网络。不同的或相同的流体可以流动经过每一流体路径，以便向培养腔室内的细胞培养物供应感兴趣的组分，诸如，营养物、化学物质、信号蛋白和/或其它生物分子和因子。
根据另一优选的实施方式，本发明的微流控装置的特征在于，接入端口设置在细胞培养腔室的正上方。由于这样设置的接入端口位于细胞培养腔室正上方，因此接入端口提供了观看细胞培养腔室的无障碍视野。因此，可以以高空间和时间分辨率监测培养腔室中的呈复杂的几何形状的细胞。此外，通过在支架物质顶部上的接入端口中提供诸如流体的介质，介质压力被施加在支架物质上，从而刺激流体灌注经过支架物质。
本发明的微流控装置的具体实施方式在这方面的特征在于，接入端口具有在主体的外顶表面与培养腔室的开口之间延伸的高度尺寸，该高度尺寸大于每个通道的进入开口在主体的外表面与相应的通道的底部之间延伸的高度尺寸。例如，接入端口可以在主体的外顶表面(该表面相对于主体的设置有通道的进入端口的外表面是升高的)处敞开。主体的设置有通道的进入开口的外表面可以是主体的比主体的该外顶表面低的任何表面，例如，主体的下水平表面、凹表面、成角度或竖直侧表面等。因此，接入端口中施加的流体的柱高可不同于施加在装置的流体通道中的每一流体的柱高。结果，通过在接入端口中施加更少或更多的流体，可以根据需要来控制从流体通道到培养腔室的流体或流体组分的扩散和/或灌注速率。
在进一步优选的实施方式中，根据本发明的微流控装置的特征在于，流体路径是主体中的通道，每个通道在主体的外表面处的相应进入开口与主体的外表面处的退出开口之间延伸。通道可以以微量的流体将流体从进入开口沿着支架物质引导到退出开口，从而允许精确地控制供应到培养腔室中的细胞培养物的流体或流体组分的量。
根据本发明的微流控装置的进一步优选的实施方式的特征在于，主体包括在接入端口与培养腔室之间的限制壁，限制壁包括至少一个通路开口。限制壁提供了将施加到接入端口中的物质引导到培养腔室的工具，同时提供了对其下方的支架物质和细胞培养物的一些保护。例如，接入端口的尺寸可以设计成使得注射工具(例如，注射器或移液管)的顶端可以引入到限制壁，从而防止这种注射工具影响培养腔室中支架物质的完整性。优选地，这种接入端口将注射工具引导到通路开口，以促进将物质或材料供应到培养腔室。在这方面，本发明特定实施方式中的微流控装置的特征在于，限制壁限定了接入端口的圆锥形状。
进一步优选地，接入端口与培养腔室之间的限制壁位于支架物质的上方，在支架物质的整个上表面的上方留下自由空间。
因此，当接入端口填充有流体以向支架物质施加流体压力时，流体将通过支架物质上表面上方的自由空间中的限制壁中的至少一个通路开口积聚，以向其整个表面供应流体或流体的组分以及在其整个表面上施加至少几乎相等的流体压力。如本文中使用的，术语“限制壁”是指这样的任何工具，利用该工具，主体中由接入端口和培养腔室限定的空间的截面大小局部地受到限制，以在接入端口和培养物之间限定限制开口。这种工具可以包括主体的面对由接入端口和培养腔室限定的空间并在所述空间内向内延伸的整体部分。该工具可以可选地或另外地包括由接入端口和培养腔室限定的、设置在主体中的空间中的单独工具。
微流控装置的接入端口和培养腔室在宽度尺寸上可以相同，也可以在宽度上不同。具体地，接入端口的宽度可以比培养腔室的宽度窄或大。宽度大于培养腔室的接入端口可以通过限制壁与培养腔室分开，该限制壁包括宽度尺寸近似等于培养腔室的宽度的通路开口。因此，通过通路开口，可在其整个宽度上直接抵近培养腔室，从而允许填充和排空整个培养腔室；而较宽的接入端口允许容易地将填充材料引导到通路开口并提供观看通路开口下方的培养腔室的无障碍视角。
微流控装置的培养腔室和流体路径可以是任何形状，以及也可以相对于彼此有不同的形状。例如，在根据本发明的微流控装置的优选实施方式中，与另一流体路径相比，一个或多个流体路径具有较小的或较大的尺寸，从而允许不同量的流体被引导到培养腔室并沿着支架物质以模拟不同的供应通道，诸如，不同大小的血管和/或毛细淋巴管。
在进一步优选的实施方式中，根据本发明的微流控装置的特征在于，支架物质保留在主体的与外顶表面相对的底部部分上。因此，支架物质在被提供到培养腔室中之后，可以简单地通过保留在底部部分而保持在培养腔室中。
根据本发明的微流控装置的进一步优选的实施方式的特征在于，流体路径在培养腔室的旁侧(lateral side)处与支架物质连通。沿着支架物质的旁侧流动经过流体路径的流体中的营养物或其它物质将在支架物质中扩散，具体地，沿着培养腔室的宽度方向在整个支架物质中形成梯度。因此，在支架物质中培养的细胞将被提供不同量的这样的营养物或其它物质，具体取决于它们在培养腔室中在宽度维度上的位置。通过接入端口可以容易地从上方看到这种梯度对所得到的细胞培养物的影响。
流体路径可以设计为在支架物质的整个高度上与支架物质连通，例如，限定流体路径的每个通道的高度可以与培养腔室中的支架物质的高度相同，或者可以与培养腔室的高度相同。可替代地，流体路径还可以配置为与支架物质的一部分连通，例如仅在培养腔室中的支架物质的总高度的一部分上连通。限定流体路径的通道的高度可以小于支架物质的总高度，或者通道的高度可以与支架物质的高度近似相似，且通道与培养腔室之间设置有限制元件以限制流体路径与支架物质之间的连通表面。限制元件可以是微流控装置的主体的另一限制壁，或柱状部分或其它形状的部分。具体地，限制元件是主体的在培养腔室与通道之间延伸并且在它们之间限定连通开口的竖直取向的壁，其中，连通开口允许相应的流体路径与支架物质之间的流体连通。
在进一步优选的实施方式中，根据本发明的微流控装置的特征在于，相应的流体路径在主体的底部部分与外顶表面之间的相互不同的高度处与支架物质连通。因此，不同的流体路径可以为不同高度处的支架物质提供营养物或其它物质，从而在支架物质中产生这种营养物或其它物质的第三维度梯度，以允许研究这种第三维度中的这种梯度和对细胞培养物的相应影响。
根据另一优选实施方式，本发明的微流控装置的特征在于，至少一个流体路径与支架物质的连通面积大于另一流体路径与支架物质的连通面积。在流体路径与支架物质之间具有较大的连通面积的情况下，可以向细胞提供更多的流体或其组分，而较小的连通面积可以用于局部更精确地供应这种流体或其组分。
根据具体实施方式，本发明的微流控装置的特征在于，主体包括至少三个流体路径。在进一步的具体实施方式中，根据本发明的微流控装置的特征在于，三个流体路径在培养腔室的旁侧处以约120度的间隔与支架物质连通。根据本发明的微流控装置的进一步的具体实施方式的特征在于，所述至少三个流体路径中的至少一个在培养腔室的与上侧相对的下侧处与支架物质连通。在该实施方式中，培养腔室中的支架物质的所有几何侧，即支架物质的上侧、下侧和旁侧可以提供有流动经过每个流体路径的流体中的营养物或其它物质，并设置在接入端口中以创建细胞的复杂3D网络，该细胞的复杂3D网络模拟体内组织的细胞的复杂3D网络。
在进一步优选的实施方式中，根据本发明的微流控装置的特征在于，流体路径由主体的壁沿着主体的至少一部分而分开，该壁具有接近培养腔室并形成支架物质的支撑结构的壁端。壁端可形成支架物质的边界，其防止支架物质从培养腔室逸到流体路径中并可完全阻挡任何流体流动。在进一步优选的实施方式中，根据本发明的微流控装置的特征在于，主体的壁的至少壁端是疏水性材料。因此，支架物质可以是在疏水的壁端之间保持在培养腔室中的亲水性材料(诸如，亲水性液体，特别是适合于细胞培养的亲水性液体)的液滴。
根据另一优选的实施方式，本发明的微流控装置的特征在于，将相应流动路径分开的相应壁的至少两个壁端彼此相对定位，以限定培养腔室的假想周界，支架物质由假想周界界定。假想周界可以是任何形状。
根据具体实施方式，本发明的微流控装置的特征在于，主体是微流控芯片。根据本发明的微流控装置的进一步优选的实施方式的特征在于，微流控芯片包括多个培养腔室和相应的接入端口和流体路径。多个培养腔室和相应的接入端口及流体路径形成分开的实验单元，这允许微流控芯片用于多个和/或并行的实验。虽然芯片是根据本发明的微流控装置的主体的便利实施方式，并且可例如方便地将其大小设置为约75×25×1mm的标准显微镜载玻片，以方便通过显微镜的方式视觉观察培养腔室中的细胞培养物，主体可以可替代地定尺寸为多孔板或微板的一部分或设置在多孔板或微板(例如，385孔板)的孔中。在根据本发明的微流控装置的主体的这种实施方式中，可以在孔板的每个孔的底部附近设置培养腔室、流体路径和接入端口。每个孔的高度的至少一部分或优选地完整的高度可用于在支架物质上提供具有流体压力的流体柱，借此可控制支架物质中的灌注速率。
根据本发明的微流控装置的进一步优选的实施方式的特征在于，流体路径中的至少一些在连续的培养腔室之间被共享。因此，连续的培养腔室通过共享的流体路径相互连接，因此可以用来模拟由分开的元素组成或包含分开的元素的组织或器官，例如由人的淋巴系统中的毛细淋巴管相互连接的淋巴结。
在进一步优选的实施方式中，根据本发明的微流控装置的特征在于，主体包括具有外顶表面的顶板和具有底部部分的单独的底板，这些板彼此粘附。在包括流体路径、培养腔室和接入端口的主体中的开放式空间可以在两个板中的每一个或一个的外表面中设置为凹槽或凹部，使得可以通过简单地将板粘附在一起而形成主体。在具体实施方式中，根据本发明的微流控装置的特征在于，底板至少几乎完全平坦。因此，开放式空间设置在顶板中，而几乎完全平坦的底板是相对容易制造的部件，通过将底板和顶板彼此粘附，可以将开放空间封闭。
通过附图和下文描述的构成本申请的一部分的相应实施方式进一步阐述本发明的这些和其它方面。除非清楚地且明确地指出，否则这些附图不以任何方式反映对本发明的范围的限制。
图1示出根据本发明的可用于体外3D细胞培养实验的微流控装置的实施方式的俯视图。
图2示出在图1中示出的根据本发明的微流控装置的实施方式的截面的侧视图。
图3示出由如图1和图2中示出的根据本发明的微流控装置的实施方式的主体的端壁限定的培养腔室的放大示意图。
图4a示出根据本发明的另一实施方式中的一组微流控装置。
图4b至图4d示出图4a的根据实施方式的微流控装置的详细视图，分别为装置的中央部分的俯视图、仰视图和放大视图。
根据本发明的微流控装置可配置为多单元的芯片上器官(organ-on-a-chip)。如图1至图3中所示，微流控装置包括基本上由PDMS形成的主体1，其中，多个单元中的每一个都包括配置为通道的三个流体路径10、20、30，每个通道在出口端口12、22、32与位于主体2的外表面处的相应进入端口11、21、31之间延伸。通道在主体1中的中央培养腔室3中聚集。培养腔室3设置有呈凝胶块(图2中的培养腔室3中的阴影块)形式的支架物质(scaffoldingsubstance)。凝胶块保持在置于主体的底板2上的培养腔室3中。凝胶块的旁侧由主体的将通道10、20、30彼此分开的壁13、23、33(图1和图3)的端部界定。凝胶块与通道连通以用于通过扩散或灌注(diffusion)从流动经过通道的流体摄取营养物、代谢物或其它组分或化合物。然而，流体是从每个通道的每个进入开口沿着凝胶块引导到每个通道的每个退出开口，其中，凝胶块形成防止流体直接流动到培养腔室3中的流体流动屏障。培养腔室3在上侧通向主体1的接入端口5，该接入端口在主体1的外顶表面处敞开。接入端口5设置在培养腔室3的正上方，使得可从外部通过接入端口直接抵近培养腔室。接入端口5与培养腔室3之间存在限制壁(图2)，该限制壁限定培养腔室3与接入端口5之间的开口，该开口的截面大小小于培养腔室3和接入端口5任一者的截面大小。
利用该装置，可解决在明确限定的条件下的肠组织设计(诸如，不同的2-D和3-D细胞类型的共培养)的挑战。例如，人类小肠的内腔-血液屏障存在2-D细胞类型(诸如，血液/淋巴内皮或肠上皮细胞)和3-D细胞类型(诸如，肠间质的不同粘附和迁移细胞(诸如，(肌)成纤维细胞、神经细胞和免疫细胞))。就此而言，流体路径10、20、30与本实施方式的开放式接入培养腔室3的支架物质的直接接触允许∶1)在明确限定的条件下在与特定流体路径连通的支架表面上进行血液内皮细胞、淋巴内皮细胞和肠上皮细胞进行2-D细胞培养；2)在开放式接入腔室中的支架物质内进行3-D细胞培养；3)所有2-D单层与3-D细胞填充的支架直接相互接触，包括自分泌和旁分泌细胞信号和通信；4)通过底部透明板2和/或位于正上方的开放式接入端口5直接进行细胞自分泌和旁分泌通信的直接实时成像，从而与培养腔室3一致；5)通过培养腔室上方的开放式接入端口直接抵近3-D细胞填充的支架及从3-D细胞填充的支架取样。
作为示例，人类小肠的肠上皮的完全分化的隐窝-绒毛(crypt-villus)单元可以到达1.5mm高度。根据此实施方式，与主体的较小流体路径10、30相比，较大流体路径20由于其3mm宽度和0.35mm高度而允许隐窝-绒毛单元在微流控装置中在平行于平面线方向上进行完全的3-D扩增和分化。
通过不同通道10、20、30以剪切应力、压力和生物化学刺激对培养的细胞的生物力学和生物化学刺激允许体外模拟一些复杂情况，例如，血浆从毛细血管通过间质进入淋巴管的动力学运动；间质内不同化合物(如氧、不同信号的分子和代谢物)的生物化学梯度；以及从毛细管、肠腔间质进入淋巴系统中的细胞迁移。分开的流体路径为从不同的流体路径对介质(上清液)进行采样提供了极好的机会。
在图4a至图4d中，示出根据本发明的微流控装置(具体地，芯片)的实施方式，其与图1至图3的实施方式大部分相似，但主要不同之处在于，主体包括与居上地位于主体中的培养腔室连通的四个流体路径，而不是三个流体路径。如图4a中具体所示，微流控装置包括形成单独的实验单元的多个培养腔室以及相应的接入端口和流体路径。因此，微流控芯片可用于多个和/或并行实验。该四个流体路径配置成在约90度间隔的四个不同侧处与培养腔室连通。流体路径的进入开口和退出开口全部沿着其横向端设置在主体的外顶表面中。接入端口定位在更中央，并且相对于彼此对齐。该微流控装置可以根据前述描述使用。
在一个微流控装置中(例如，在诸如芯片的一个主体中)，本实施方式的几个单元的互连允许使用仅一个这样的微流控芯片来创建更复杂的系统，例如，人类消化系统(例如，口-胃-肠)或人体(例如，肠-肝-心脏)。根据本发明的微流控装置的该实施方式的性能可以帮助不仅解决组织和微流控设计中的挑战，而且解决系统生物学中的挑战。体外模型提供了以单个芯片上器官的尺度学习生物系统的通信和控制的实验。该复杂的、强大的、集成的系统允许复现人体胃肠道的器官间和器官内的信号传输和动力学。
除非另有定义，否则本文中使用的所有技术术语和科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。本文中描述了用于本发明的方法和材料。然而，还可使用本领域已知的其它合适的方法和材料。除非如此说明，否则材料和示例仅是说明性的而非旨在进行限制。除非另有描述，否则使用以下定义。
如本文中所使用的，术语“微流控装置”是指允许精确控制和操作几何界定到小(典型地，亚毫米)尺度的流体的并且适合于对细胞培养物(具体地，3D细胞培养物)进行实验的任何装置。该装置是允许对细胞环境进行控制的器具。如本文中所使用的，微流控装置的具体实施方式为微流控芯片。微流控装置(例如，尤其是微流控芯片)优选地由材料Si02、玻璃和合成聚合物中的一种或多种制成。作为合成聚合物，聚硅氧烷是优选的，并且尤其是聚二甲硅氧烷(PDMS)，尽管可使用其它聚合物，诸如聚碳酸酯(PC)、聚苯乙烯(PS)、聚四氟乙烯(PTFE)或环烯烃共聚物(COC)。特别地，作为用于微流控装置的材料，PDMS允许容易地实现所需几何结构，并且由于PDMS相对透明且具有稳定的光学特征(尤其是低水平的自发荧光)，因此提供了优异的实时细胞成像条件。因此，由PDMS制成的微流控细胞培养装置允许使用荧光进行实时细胞成像，从而提供对单个细胞及群体级别的大量细胞反应的有力表征。聚二甲基硅氧烷(PDMS)的软光刻(soft lithography)是用于制造用于细胞培养应用的微流控装置的便利方法。利用该技术，由硬质模具将具有微米分辨率的结构模塑成PDMS。这样的微流控装置允许对流体流动的精确空间和时间控制以及向活体细胞输送介质、药物和信号因子。
尽管上述材料的两种或更多种的混合物可以用于该装置或该装置的部分，但是优选地，微流控装置至多包括几种不同的材料，并且优选地，至少几乎完全由单种材料(例如，提供对主体的变形的高抵抗性的COC)制成。
如本文中所使用的，术语“3D细胞培养物”是指具有在三维(即，宽度、深度和高度)上彼此相对定位的细胞的细胞培养物。对于大多数细胞，这种3D细胞培养物更好地模拟组织、器官和受试者中的细胞到细胞的环境。根据本发明的微流控装置特别适用于培养这种3D细胞培养物，但也可用于2D细胞培养物。
如本文中所使用的，术语“支架物质”是指能够保持活体细胞在多维(优选地，3维)中的空间关系的任何物质。支架物质可以是液体、凝胶或固体。根据本发明，用于微流控装置的支架物质的非限制性示例为水、水凝胶、琼脂凝胶、微孔支架、微纤维支架、膜和中空纤维。
如本文中所使用的，术语“流体”是指在施加的剪切应力下连续流动的任何物质。本文中使用的流体可以包括液体、气体和血浆。
如本文中所使用的，术语“流体路径”是指一定量的流体可以流过的任何空间，诸如室、通道、腔室或腔。
出于清楚和简要描述的目的，本文中将特征描述为相同的或分开的方面和优选实施方式的一部分，然而，将理解，本发明的范围可包括具有所描述的特征的全部或部分的组合的实施方式。

Claims (22)

1.用于体外3D细胞培养实验的微流控装置，包括主体，所述主体中设置有：
细胞培养腔室，至少部分地填充有用于保持细胞培养物的支架物质；以及
流体路径，与所述细胞培养腔室连通，用于沿着所述支架物质引导流体流；
其特征在于，在所述支架物质上方，所述培养腔室通向设置在所述主体的外顶表面处的接入端口以直接抵近所述支架物质，所述支架物质形成将所述流体路径与所述接入端口分开的流体流动屏障。
2.根据权利要求1所述的微流控装置，其特征在于，所述主体包括一组流体路径，每一流体路径与所述细胞培养腔室连通用于沿着所述支架物质引导相应流体流，所述支架物质将相应的所述流体路径分开。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的微流控装置，其特征在于，所述接入端口设置在所述细胞培养腔室正上方。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的微流控装置，其特征在于，所述流体路径是处于所述主体中的通道，每个通道在所述主体的外表面处的进入开口与所述主体的外表面处的退出开口之间延伸。
5.根据权利要求4所述的微流控装置，其特征在于，所述接入端口具有在所述主体的外顶表面与所述培养腔室的开口之间延伸的高度尺寸，所述高度尺寸大于每个通道的进入开口在所述主体的外表面与所述相应通道的底部之间延伸的高度尺寸。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的微流控装置，其特征在于，所述主体包括处于所述接入端口与所述培养腔室之间的限制壁，所述限制壁包括至少一个通路开口。
7.根据权利要求6所述的微流控装置，其特征在于，所述限制壁限定圆锥形状的接入端口。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的微流控装置，其特征在于，所述支架物质安置在所述主体的与所述外顶表面相对的底部部分上。
9.根据权利要求8所述的微流控装置，其特征在于，所述流体路径在所述培养腔室的旁侧处与所述支架物质连通。
10.根据权利要求9所述的微流控装置，其特征在于，所述相应流体路径在所述主体的底部部分与所述外顶表面之间以相互不同的高度与所述支架物质连通。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的微流控装置，其特征在于，所述流体路径中的至少之一与所述支架物质连通的面积比所述流体路径中的另一个与所述支架物质连通的面积大。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的微流控装置，其特征在于，所述主体包括至少三个流体路径。
13.根据权利要求12所述的微流控装置，其特征在于，所述三个流体路径在所述培养腔室的相应旁侧处以约120度的间隔与所述支架物质连通。
14.根据权利要求12所述的微流控装置，其特征在于，在所述培养腔室的与所述上侧相对的下侧处，所述三个流体路径中的至少之一与所述支架物质连通。
15.根据前述权利要求中的任一项所述的微流控装置，其特征在于，所述流体路径通过所述主体的壁沿着所述主体的至少一部分隔开，所述壁具有接近所述培养腔室并形成所述支架物质的支撑结构的壁端。
16.根据权利要求15所述的微流控装置，其特征在于，所述主体的壁的至少所述壁端是疏水性材料。
17.根据权利要求15或16所述的微流控装置，其特征在于，将相应流动路径分开的相应壁的至少两个壁端定位成彼此相对，以限定所述培养腔室的假想周界，并且所述支架物质由所述假想周界界定。
18.根据前述权利要求中的任一项所述的微流控装置，其特征在于，所述主体为微流控芯片。
19.根据权利要求18所述的微流控装置，其特征在于，所述芯片包括多个培养腔室和相应的接入端口和流体路径。
20.根据权利要求19所述的微流控装置，其特征在于，所述流体路径中的至少一部分在连续的培养腔室之间被共享。
21.根据前述权利要求中的任一项所述的微流控装置，其特征在于，所述主体包括具有所述外顶表面的顶板和具有所述底部部分的单独的底板，所述顶板和所述底板彼此粘附。
22.根据权利要求21所述的微流控装置，其特征在于，所述底板至少几乎完全平坦。
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