CN108350606A - 细胞培养、运输和探究 - Google Patents

Abstract

本文提供了一种细胞培养模块，用于在形成于该细胞培养模块中的腔室阵列中培养一个或多个细胞。在一些情况下，该细胞培养模块还可以包括一个或多个传感器。在一些情况下，该细胞培养模块还可以包括一个或多个电极。

Description

细胞培养、运输和探究

交叉引用

本申请要求提交于2015年7月17日的英国专利申请号1512600.6的优先权，该英国专利申请通过引用而整体并入本文。

背景技术

细胞培养总体用于医学研究和生命科学。传统的细胞培养使用诸如培养皿或多孔板等简单的容器作为细胞培养的器皿。然而，本领域认识到，这样的简单方法为细胞提供的环境与细胞在体内所经历的环境大不不同。

发明内容

本公开内容的一个方面提供了一种细胞培养模块。所述细胞培养模块可以包括(a)包含多个腔室的阵列，所述多个腔室中的每个腔室可以被配置用于容纳一个或多个细胞并且可以通过相应细胞引入通路可操作地耦合至相应细胞引入端口；以及(b)至少一个灌注通道，其可以流体耦合至所述多个腔室中的腔室。在一些实施方式中，所述腔室阵列可以为至少3个腔室。在一些实施方式中，所述多个腔室中的每个腔室的容积可以至少约为4500立方微米(μm³)。在一些实施方式中，所述多个腔室和多个细胞引入通路可以至少部分地形成于所述细胞培养模块的整料衬底中。在一些实施方式中，所述细胞培养模块还可以包括所述细胞培养模块的上部区域和下部区域。所述阵列可以形成于所述下部区域中，而多个细胞引入端口可以形成于所述上部区域中。在一些实施方式中，所述至少一个灌注通道可以是以堆叠阵列布置的多个灌注通道。在一些实施方式中，所述堆叠阵列可以形成于所述下部区域、所述上部区域或其组合中。在一些实施方式中，所述至少一个灌注通道可以大致绕所述下部区域与所述上部区域之间的交界而安设。在一些实施方式中，所述至少一个灌注通道可以与至少一个相关联的灌注端口流体耦合以形成导管。所述导管可以从所述至少一个相关联的灌注端口朝向与所述至少一个灌注通道流体耦合的腔室向下倾斜。在一些实施方式中，所述导管相对于所述腔室阵列的水平轴的角度可以约小于50度。在一些实施方式中，所述堆叠阵列中的一组所述多个灌注通道可以安设在相对于所述阵列的相同水平高度处。所述组可以流体耦合至共同的灌注端口。在一些实施方式中，所述相应细胞引入通路可以包括狭缩部。在一些实施方式中，所述狭缩部可以相对于所述腔室阵列的水平轴横向定向。在一些实施方式中，所述狭缩部可以邻近所述多个腔室中的腔室的进口安设。

在一些实施方式中，所述细胞培养模块还可以包括可移动阻塞元件。所述可移动阻塞元件可以被配置成在所述狭缩部处可移动成阻塞配置，以防止细胞离开所述多个腔室中的腔室。在一些实施方式中，所述可移动阻塞元件可以被配置成可从所述阻塞配置移动成非阻塞配置。在一些实施方式中，所述可移动阻塞元件可以为珠粒。在一些实施方式中，所述珠粒向阻塞配置或非阻塞配置的移动可以通过重力、施加的磁场、施加的电场、施加的流体流动、机械力或其任意组合来引导。在一些实施方式中，所述细胞培养模块还可以包括至少一个旁路通道，该至少一个旁路通道将(a)所述多个腔室中的所述腔室流体耦合至所述相应细胞引入通路，将(b)所述多个腔室中的所述腔室流体耦合至所述至少一个灌注通道，或者(c)其组合。在一些实施方式中，当所述可移动阻塞元件可以处于所述阻塞配置时，所述至少一个旁路通道可以容许(a)所述多个腔室中的所述腔室与所述相应的胞引入通路或所述至少一个灌注通道之间的流体交换，(b)所述细胞的至少一部分从所述多个腔室中的所述腔室向所述相应细胞引入通路或所述至少一个灌注通道中长出，或者(c)其组合。

在一些实施方式中，所述相应细胞引入端口的末端可以安设于所述细胞培养模块的上部区域的上表面处。在一些实施方式中，对于所述多个腔室中的每个腔室而言，可以从安设于所述上表面处的所述相应细胞引入端口的末端到相应腔室的底部内表面形成线性视线。

在一些实施方式中，所述细胞培养模块还可以包括至少一个电极。在一些实施方式中，所述至少一个电极可以包括支撑部分和头部部分。在一些实施方式中，所述支撑部分可以可操作地耦合至外部电路。在一些实施方式中，所述头部部分可以包括比所述支撑部分具有更大横向宽度的圆形形状。在一些实施方式中，所述头部部分可以包括多个突起、多个凹口或其组合。在一些实施方式中，所述至少一个电极可以形成于所述细胞培养模块的衬底上。所述整料衬底可以包围所述衬底上的所述至少一个电极的至少一部分。在一些实施方式中，所述至少一个电极可以包括至少一个突起、至少一个凹口或其组合。在一些实施方式中，所述至少一个电极可以包括所述至少一个突起，并且所述至少一个突起可以为半球形突起。在一些实施方式中，所述至少一个电极可以包括所述至少一个凹口，并且所述至少一个凹口可以为半球形凹口。在一些实施方式中，所述至少一个电极可以包括至少约100个突起、至少约100个凹口或其任意组合。在一些实施方式中，所述至少一个电极可以包括的多个突起的表面密度至少约为0.05个突起每平方微米(pro/μm²)、可以包括的多个凹口的表面密度至少约为0.05个凹口每平方微米(rec/μm²)，或者其任意组合。在一些实施方式中，所述至少一个电极可以包括从约10纳米(nm)至约100nm的表面粗糙度。在一些实施方式中，所述至少一个电极的宽度可以为从约2微米(μm)至约20μm。在一些实施方式中，所述至少一个电极的形状可以为蘑菇形状。

在一些实施方式中，所述细胞培养模块还可以包括一个或多个传感器。在一些实施方式中，所述一个或多个传感器可以包括温度传感器、pH传感器、气体传感器、葡萄糖传感器、水平传感器或其任意组合。在一些实施方式中，所述气体传感器可以为O₂传感器、CO₂传感器或其组合。在一些实施方式中，所述一个或多个传感器可以包括光学传感器、电化学传感器、光电传感器、压电传感器、生物传感器或其任意组合。在一些实施方式中，所述多个腔室中的每个腔室可以包括至少一个传感器。在一些实施方式中，所述细胞培养模块还可以包括控制系统以指导所述一个或多个传感器对所述一个或多个传感器各自的度量作出一次或多次测量。

在一些实施方式中，所述细胞培养模块还可以包括至少一个光导，该至少一个光导被配置用于将光从外部光源导向所述多个腔室中的所述腔室的一部分。在一些实施方式中，所述至少一个光导可以为多个光导。所述多个光导中的每一个可以被配置成单独地与所述多个腔室中的每一个相对应。

在一些实施方式中，所述多个腔室中的腔室可以填充有至少两个细胞。在一些实施方式中，所述细胞培养模块还可以包括屏障布置，该屏障布置被配置用于将所述至少一个灌注通道与附加腔室隔开，该附加腔室用于容纳至少两个细胞。所述屏障布置可以包括多个孔以选择性地容许部分在所述至少一个灌注通道与所述附加腔室之间经过。在一些实施方式中，所述屏障布置可以适于模拟血脑屏障布置。在一些实施方式中，所述多个孔的孔径可以小于约5微米(μm)。在一些实施方式中，所述多个孔的孔径可以小于约100纳米(nm)。在一些实施方式中，所述屏障布置的渗透性可以是基于尺寸的或基于电荷的。在一些实施方式中，所述部分可以为气体、趋化因子、细胞因子、小分子、蛋白质、核酸或其任意组合。

本公开内容的另一方面提供了一种细胞培养系统，其包括所述细胞培养模块。所述细胞培养系统还可以包括至少一个温度传感器，该至少一个温度传感器被配置用于感测所述细胞培养模块的至少一部分的温度。所述细胞培养系统还可以包括至少一个加热元件，该至少一个加热元件被配置用于加热所述细胞培养模块的至少一部分。所述细胞培养系统还可以包括流体递送系统，该流体递送系统被配置用于向所述细胞培养模块递送流体。所述细胞培养系统还可以包括控制系统，该控制系统被配置用于控制所述加热元件、所述流体递送系统、所述至少一个温度传感器或其任意组合。所述细胞培养系统可以包括所述至少一个温度传感器、所述至少一个加热元件、所述流体递送系统或所述控制系统的任意组合。在一些实施方式中，所述流体递送系统可以包括泵。在一些实施方式中，所述泵可以为正排量泵、脉冲泵、速度泵、重力泵、蒸汽泵或无阀泵。在一些实施方式中，所述细胞培养系统还可以包括(a)基座单元，其被配置用于保留所述流体递送系统和所述控制系统；以及(b)接收区域，其安设于所述细胞培养模块上，用于将所述细胞培养模块可释放地固定至所述基座单元，并用于将所述细胞培养模块可操作地耦合至所述流体递送系统和所述控制系统。在一些实施方式中，所述控制系统可以将热量供应从所述至少一个加热元件引导至所述细胞培养模块，使得可以匹配设定温度。在一些实施方式中，所述设定温度可以由用户输入到所述控制系统。

本公开内容的另一方面提供了一种用一个或多个细胞填充细胞培养模块的方法。在一些实施方式中，所述方法可以包括经由相应细胞引入通路将所述一个或多个细胞插入多个腔室中的每个腔室中。在一些实施方式中，所述方法还可以包括用所述可移动阻塞元件阻塞所述相应细胞引入通路。

本公开内容的另一方面提供了一种用一个或多个细胞填充细胞培养模块的方法。所述方法可以包括对所述至少一个电极的表面的至少一部分进行修饰；以及经由所述相应细胞引入通路将所述一个或多个细胞插入所述多个腔室中的每个腔室中。在一些实施方式中，所述一个或多个细胞可以接触所述至少一个电极的至少一部分。在一些实施方式中，所述修饰可以包括将部分添加到所述表面的所述部分。在一些实施方式中，所述修饰可以包括增加所述表面的所述部分上的表面粗糙度。在一些实施方式中，所述修饰可以包括邻近所述表面的所述部分添加至少一个突起、至少一个凹口或其组合。在一些实施方式中，所述方法还可以包括经由所述至少一个灌注通道将流体灌注至所述多个腔室中的腔室。

本公开内容的另一方面提供了一种检查所述细胞培养模块的至少一个细胞的方法。在一些实施方式中，所述细胞可以位于所述多个腔室中的腔室中。所述方法可以包括使所述细胞采用显微镜经由所述细胞培养模块的上表面而可视化。

本公开内容的另一方面提供了一种方法，其包括：将化合物应用于包含在所述细胞培养模块中的所述一个或多个细胞。在一些实施方式中，所述方法还可以包括将所述化合物添加至所述至少一个灌注通道和/或所述相应细胞引入通路。在一些实施方式中，所述方法还可以包括测量所述一个或多个细胞对所述化合物的反应。在一些实施方式中，所述测量可以包括采用传感器来测量所述反应。

本公开内容的另一方面提供了一种制造所述细胞培养模块的方法。所述方法可以包括对所述细胞培养模块的至少一部分进行3D打印。

在一些实施方式中，所述至少一个灌注通道可以被配置用于向所述腔室引入流体或从其移除流体。在一些实施方式中，所述流体可以包括气体、细胞培养基或其组合。在一些实施方式中，所述流体可以包含化合物。在一些实施方式中，所述一个或多个细胞可以包括从受试者分离的神经元。在一些实施方式中，所述一个或多个细胞可以获自脑组织、脊髓组织、脑脊液或其任意组合。在一些实施方式中，所述至少一个灌注通道可以包括约小于5微米(μm)的内部通道宽度。在一些实施方式中，所述至少一个灌注通道的内部通道宽度可以沿着其长度而变化。在一些实施方式中，所述相应细胞引入通路的内部宽度可以沿着其长度而变化。在一些实施方式中，所述可移动阻塞元件的宽度可以等于沿着所述相应细胞引入通路的长度的最小内部宽度。在一些实施方式中，所述至少一个灌注通道可以流体耦合至所述多个腔室中的每个腔室。在一些实施方式中，所述至少一个灌注通道可以包括多个流体分支。在一些实施方式中，所述细胞培养模块的外部长度和外部宽度可以约小于6英寸。在一些实施方式中，所述导管的长度可以约大于1毫米(mm)。在一些实施方式中，所述多个腔室中的每个腔室的容积可以为从约0.5立方毫米(mm³)至约90mm³。

在一些实施方式中，所述细胞培养系统可以经由通信介质传送从所述细胞培养模块获得的结果。在一些实施方式中，所述通信介质可以为个人计算机、蜂窝电话、平板装置或其组合。

在一些实施方式中，所述细胞培养模块可以包括包含多个腔室的阵列，所述多个腔室中的每个腔室可以被配置用于容纳一个或多个细胞并且可以通过相应细胞引入通路可操作地耦合至相应细胞引入端口；以及至少一个灌注通道，其可以流体耦合至所述多个腔室中的腔室。

在一些实施方式中，所述细胞培养模块可以包括包含多个腔室的阵列，所述多个腔室中的每个腔室可以被配置用于容纳一个或多个细胞并且可以通过其自己的细胞引入通路可操作地耦合至其自己的细胞引入端口；以及至少一个灌注通道，其可以流体耦合至所述多个腔室中的腔室。

迄今为止，本领域的工作显示了对复杂系统开发的兴趣，以便更紧密地在体外模仿细胞在体内的行为。例如，这允许在所述细胞上测试候选药物化合物，以便以与在多孔板中的分离细胞上进行的简单测试相比改进的方式评估疗效和毒性(举例而言)。

用于药物开发、生物标志物研究或理解人类病理学的最合适平台是人类系统或其最近似的系统。为了开发这种最接近的系统，研究人员面临着重大挑战，这些挑战常常影响生产力、增加成本并可能由于可能需要的资源的跨学科性质而产生较差结果。这些困难包括但不限于组织获取和干细胞系的均匀分化、监管问题、陡峭的学习曲线、劳动力、资金、材料和时间成本、数据提取和解释等。

为了解决上述问题中的至少一个，已经对本公开内容进行了设计。优选地，本公开内容减少、改善、避免或克服了上述问题中的至少一个。

因此，在第一优选方面，本公开内容提供了一种细胞培养模块，其可配置为定向成具有上部区域和下部区域，所述模块包括：处于所述下部区域中的腔室阵列，每个腔室用于容纳一个或多个细胞；针对每个腔室的相应细胞引入通路和相应细胞引入端口，所述细胞引入端口位于所述上部区域中并经由所述细胞引入通路链接到所述腔室；至少一个灌注通道，其用于将细胞培养基导向和导离所述腔室中的细胞，其中至少所述腔室和所述细胞导入通路至少部分地形成于整料衬底中。

在第二优选方面，本公开内容提供了一种细胞培养系统，其包括根据第一方面的细胞培养模块，所述系统还包括：至少一个温度传感器，其适于感测所述细胞培养模块的至少一部分的温度；至少一个加热元件，其适于加热所述细胞培养模块的至少一部分；流体递送系统(如递送细胞培养基的系统)，其适于向所述细胞培养模块递送培养基；以及控制系统，其适于控制所述加热元件和/或所述流体递送系统。流体递送系统可以包括递送细胞培养基。流体递送系统可以包括递送气体，如氧气或二氧化碳。流体递送系统可以包括递送试剂，如抗体、蛋白质、酶、小分子、核酸、细胞因子、趋化因子、适配子或其任意组合。

在第三优选方面，本公开内容提供了一种填充根据第一方面的细胞培养模块的方法，其包括以下步骤：经由所述细胞引入通路将至少一个细胞插入所述细胞培养模块的至少一个腔室中；阻塞所述细胞引入通路以便使所述细胞保留于所述腔室中；以及经由所述灌注通道将细胞培养基灌注至所述细胞。

在第四优选方面，本公开内容提供了一种对化合物进行测试的方法，其包括以下步骤：提供根据第一方面的填充有细胞的细胞培养模块；经由所述灌注通道和/或所述细胞引入通路将所述化合物导向所述细胞；以及评估所述细胞中的至少一个对所述化合物的反应。

在第五优选方面，本公开内容提供了一种制造根据第一方面的细胞培养模块的方法，其包括对所述整料衬底进行3D打印以便形成所述腔室和所述细胞引入通路的步骤。

在第六优选方面，本公开内容提供了一种检查至少一个细胞的方法，所述细胞位于根据第一方面的模块的腔室中，该方法包括经由所述模块的上表面对所述腔室实施光学显微术。

本公开内容的第一、第二、第三、第四、第五和/或第六方面可以具有以下可选特征的任一个或任意组合(在它们可相容的情况下)。

优选地，所述模块还包括多个所述灌注通道。这允许细胞培养基通过所述模块向所述腔室灌注以及离开所述腔室。所述灌注通道可以从所述模块的所述下部区域到所述上部区域以堆叠阵列布置。这至少允许处于或接近所述模块的所述下部区域的通道保持装填有培养，从而确保覆盖所述腔室中的所述细胞。例如，为了便于设计和制造，当所述模块被定向为具有上部区域和下部区域时，所述灌注通道中的至少一些可以跨所述模块大致水平延伸。然而，如下文所阐释，例如在所述灌注通道的结构基于生理学模拟的情况下，所述灌注通道可能未以规则和/或线性的阵列形成。

每个灌注通道可以具有至少一个相关联的灌注端口，从而提供从所述模块的外部与所述相应灌注通道流体连通的导管，其中，在沿着所述导管从所述灌注端口到所述灌注通道的方向上，所述导管向下倾斜。每个灌注通道可以具有不止一个相关联的灌注端口，如2、3、4个或更多个相关联的灌注端口。在灌注通道的所述堆叠阵列中，可以提供彼此处于相同水平位置而提供的各组灌注通道，每组灌注通道具有共同的至少一个所述相关联的灌注端口。这建立了灌注端口的堆叠阵列(例如，在外观上类似于鳃型系统)，其中所述导管的斜度有助于将细胞培养基保留在所述模块的所述灌注通道中。以这种方式，所述模块设有流体保持系统。与相对较小直径的灌注通道连通的灌注端口堆叠阵列的成角度设置提供了一系列对流体流出的堆叠式抗性。这样的对流体流出的抗性在所述模块在运输到所述系统的基座单元之后调换位置时尤为重要。

所述细胞引入通路可以包括狭缩部，如至少一个横向尺寸上的狭缩部。狭缩部可以是周向狭缩部。细胞引入通路可以包括一个或多个狭缩部。细胞引入通路可以包括至少两个狭缩部。细胞引入通路可以包括至少三个狭缩部。狭缩部可以包括所述细胞引入通路的内部宽度的变窄。狭缩部可以相对于所述腔室阵列的水平轴横向定向。狭缩部可以大致邻近于腔室的进口而安设。狭缩部可以安设在腔室与细胞引入通路之间的交界处，所述腔室与细胞引入通路在该交界处流体耦合。在所述模块还包括可移动阻塞元件的情况下这特别有用。该元件可以适于在所述狭缩部处可移动成阻塞配置，以便阻止所述腔室中的细胞离开所述腔室。此外，所述可移动阻塞元件可以适于可从所述阻塞配置移动成非阻塞配置。例如，所述可移动阻塞元件可以是能够在施加的磁场和/或电场的影响下移动的珠粒。

可移动阻塞元件的移动可以由控制系统或用户或其组合来控制。可以通过采用磁场、电场、重力、周向限制力、横向力或垂直力或者其任意组合来将所述可移动阻塞元件的移动从阻塞位置引导至非阻塞位置，或反之亦然。

可移动阻塞元件可以为珠粒。可移动阻塞元件可以为阀。可移动阻塞元件可以为平面片材，如可滑动平面片材。可移动阻塞元件可以是能够狭缩和扩张以缩小和扩大腔室开口、通道或细胞引入通路的内径的狭缩环。可移动阻塞元件可以为柱阵列。

优选地，提供了至少一个旁路通道，从而在可移动阻塞元件处于阻塞配置时，容许从腔室到细胞引入通路或灌注通道的流体流动和/或细胞的长出。优选将旁路通道的尺寸被设定成用于防止所述腔室中的细胞沿着所述旁路通道穿过。

旁路通道的内部通道宽度可以约小于20微米(μm)。旁路通道的内部通道宽度可以约小于10μm。旁路通道的内部通道宽度可以约小于5μm。旁路通道的内部通道宽度可以约小于1μm。旁路通道的内部通道宽度可以约小于0.5μm。旁路通道的内部通道宽度可以约小于0.1μm。旁路通道的内部通道宽度可以约小于0.05μm。旁路通道的内部通道宽度可以约小于0.01μm。

旁路通道的内部通道宽度可以沿着其长度而变化。旁路通道的内部通道宽度可以沿着其长度大致相同。

所述细胞引入端口通常设在所述模块的上表面处，在所述模块的上部区域中，所述细胞引入通路向下倾斜至所述腔室。这一倾斜有助于细胞向所述腔室中的引入，并且有助于其在所述腔室中的保留。

优选地，对于至少一个腔室而言，存在从所述模块的上表面到所述腔室而不与所述细胞引入通路相交的垂直视线。这容许对所述腔室中的细胞的显微镜研究。

优选地，所述腔室包括至少一个电极，该至少一个电极被形成用于与所述细胞相互作用。所述电极可以具有支撑部分和头部部分，所述支撑部分连接至外部电路或可与其连接，所述头部部分具有横向宽度比所述支撑部分更大的圆形形状。所述电极的头部部分可以包括形成于所述圆形形状处的附加突起和/或凹陷，从而与单独的所述圆形形状相比提供了附加的可用表面积。

优选地，所述电极形成于衬底上，所述整料基体形成于所述衬底上以便将所述电极封闭在所述腔室中。所述模块还可以包括至少一个光导，该至少一个光导适于将光从外部光源导向所述腔室。可以提供光导阵列，其对应于所述腔室阵列的至少一部分。

在优选实施方式中，所述腔室填充有一个或多个细胞。

可以刻意地将所述细胞引入通路的壁形成有粗糙度、台阶或倒刺，或者以其他方式形成为锯齿状的。这可以提供方向性，使得通过一些压力插入的细胞可能难以沿着该通路从所述腔室移出。另外地或备选地，可以对细胞引入通路的壁进行化学功能化，例如以防止细胞沿着所述细胞引入通路生长。

另外可以提供屏障布置，该屏障布置使与所述腔室链接的灌注通道与至少一个次级腔室分开。所述次级腔室可以用于容纳优选不同于所述腔室中的细胞的一个或多个细胞。所述屏障布置优选包括孔阵列，以允许所述灌注通道与所述次级腔室之间的选择性连通。

优选地，所述屏障布置适于模拟血脑屏障。

在所述系统中，优选地提供了基座单元，其保留所述流体递送系统和所述控制系统并且具有细胞培养模块接收区域，该细胞培养模块接收区域用于可释放地保留所述细胞培养模块并使所述细胞培养模块与所述流体递送系统以及所述控制系统连通。

在其中仅示出和描述了本公开内容的说明性实施方式的以下详细描述中，对本领域技术人员而言本公开内容的其他方面和优点将变得显而易见。应当认识到，本公开内容能够具有其他不同的实施方式，并且能够在各个明显的方面对其若干细节进行修改，所有这些都不脱离本公开内容。因此，实际上应将附图和说明书视为是说明性而非限制性的。

援引并入

本说明书中所提及的所有出版物、专利和专利申请都通过引用并入本文，其程度犹如具体地且单个地指出每一单个出版物、专利或专利申请通过引用而并入。在通过引用并入的出版物和专利或专利申请与本说明书中所包含的公开内容相矛盾时，本说明书旨在取代和/或优先于任何这样的矛盾的材料。

附图说明

本发明的新颖特征在所附权利要求书中具体阐明。通过参考对利用到本发明原理的说明性实施方式加以阐述的以下详细描述和附图(本文中也称为“图”和“FIG.”)，将会对本发明的特征和优点获得更好的理解，附图中：

图1-图17示出了根据本发明实施方式的细胞培养模块的示意图，其中在不同的附图中指示出了该模块的不同特征。

图18示出了根据本发明实施方式的细胞培养模块的横截面示意图。

图19示出了根据本发明实施方式的细胞培养模块的一部分的示意性内部透视图。

图20示出了根据本发明实施方式的细胞培养模块的纵向截面示意图。

图21示出了根据本发明另一实施方式的细胞培养模块的纵向截面示意图。

图22A和图22B示出了用于本发明实施方式的电极结构的截面示意图。

图23A和图23B示出了用于本发明实施方式的电极结构的示意图。

图24A和图24B示出了用于本发明实施方式的用于容纳细胞的腔室的放大示意图。

图25示出了用于本发明实施方式的腔室、锁定珠粒和长出/灌注通路的截面示意图。

图26-图30示出了用于本发明实施方式的在衬底上制造电极的步骤。

图31示出了被编程或以其他方式被配置用于实现本文所提供的方法的计算机控制系统。

具体实施方式

虽然本文已示出并描述了本发明的各个实施方式，但对于本领域技术人员显而易见的是，此类实施方式仅以示例的方式提供。本领域技术人员在不脱离本发明的情况下可以想到众多变化、改变和替代。应当理解，可以采用本文中描述的本发明实施方式的各种替代方案。

术语“约”可以是提及数值指示加上或减去该提及数值指示的15％。

如本文所使用，术语“细胞”通常是指一个或多个细胞。细胞可以从受试者获得或分离。受试者可以是动物，如人类、小鼠、大鼠、猪、狗、兔、绵羊、马、鸡或其他动物。细胞可以是神经元。神经元可以是中枢神经元、外周神经元、感觉神经元、中间神经元、运动神经元、多极神经元、双极神经元或假单极神经元。细胞可以是支持神经元的细胞，如神经膜细胞。细胞可以是血脑屏障系统中的细胞的一种。细胞可以是细胞系，如神经元细胞系。细胞可以是原代细胞，如从受试者的脑部获得的细胞。细胞可以是可从受试者分离的细胞群体，如组织活检物、细胞学样本、血液样品、细针抽吸(FNA)样品或其任意组合。细胞可以获自体液，如尿液、乳汁、汗液、淋巴液、血液、痰、羊水、房水、玻璃体液、胆汁、脑脊液、乳糜、食糜、渗出液、内淋巴液、外淋巴液、胃酸、粘液、心包液、腹膜液、胸膜液、脓液、稀粘液、唾液、皮脂、浆液、包皮垢、痰、泪液、呕吐物或其他体液。细胞可以包括癌细胞、非癌细胞、肿瘤细胞、非肿瘤细胞、健康细胞或其任意组合。

如本文所使用，术语“组织”通常是指任何组织样品。组织可以是疑似或确认患有疾病或病况的样品。组织可以是经基因修饰的样品。组织可以是健康的、良性的或其他没有疾病的样品。组织可以是从受试者移除的样品，如组织活检物、组织切除物、抽吸物(如细针抽吸物)、组织洗涤液、细胞学样本、体液或其任意组合。组织可以包括癌细胞、肿瘤细胞、非癌细胞或其组合。组织可以包括神经元。组织可以包括脑组织、脊髓组织或其组合。组织可以包括代表血脑屏障的细胞。组织可以包括乳腺组织、膀胱组织、肾组织、肝组织、结肠组织、甲状腺组织、宫颈组织、前列腺组织、肺组织、心脏组织、肌肉组织、胰腺组织、肛门组织、胆管组织、骨组织、子宫组织、卵巢组织、子宫内膜组织、阴道组织、外阴组织、胃组织、眼组织、鼻组织、窦组织、阴茎组织、唾液腺组织、肠道组织、胆囊组织、胃肠组织、膀胱组织、脑组织、脊髓组织、血液样品或其任意组合。

如本文所使用，术语“化合物”通常是指可以产生改变的细胞反应的组合物。化合物可以是药物或药物组合物或其盐。化合物可以是蛋白质、肽、核酸、抗体、适配子、小分子。化合物可以是细胞或细胞片段。化合物可以是组织或组织片段。化合物可以是天然来源的组合物或合成的组合物。

如本文所使用，术语“表面粗糙度”通常是指表面纹理，或表面上引出物的丰富度和/或呈现率。引出物可以是突起和/或凹口。引出物可以形成规律图案，或者可以是随机图案。

本公开内容的优选实施方式提供了包含或旨在包含活细胞的细胞培养模块。这些细胞可以来自任何合适的来源。例如，它们可以是模拟的、合成的或天然的。该模块可以旨在为细胞提供生命支持，能够维持适合这些细胞的环境，包括温度控制以及将营养物和其他物质递送给细胞。因此，该模块可以与其他系统组合用于活细胞的运输，而不中断正常的生理功能。本公开内容的优选实施方式提供了用于与细胞相互作用的电极，以便监测生电信号。本公开内容的优选实施方式还允许向细胞递送药物或化合物并监测细胞反应。本公开内容的优选实施方式还可以支持成像模式以监测细胞反应或功能。

在一些实施方式中，本公开内容提供了一种完全自主的、生理学上逼真的多器官芯片上装置。这样的装置可以能够以先进的细胞寻址、细胞膜或屏障模拟以及改善的生电细胞信噪比来支持生电细胞。

总的来说，本公开内容的优选实施方式的细胞培养模块提供了可以容纳细胞的结构(其可以被视为衬底(在x，y，z坐标中))，该相同结构提供了用于向细胞灌注营养物、生长介质、生长因子、化合物等的布置。

细胞培养模块旨在形成基座单元的一部分，从而提供气体递送系统，该气体递送系统驱使细胞培养基通过该细胞培养模块的灌注。此外，细胞培养系统包括加热元件，用于维持细胞培养模块中的生命支持。在闭合回路中还包括各种传感器，用来监测温度、pH、气体种类、颗粒分析等。

除了上述传感器之外，还可以提供其他传感器，例如，适合于感测特定蛋白质或离子分子的存在的传感器。这样的传感器和检测器可以以次级方式与细胞培养模块相接，以提供基因组学、蛋白质组学、蛋白质印迹分析和其他芯片实验腔室装置的分析读数。

现在参照图1-图17，这些附图示出了根据本公开内容实施方式的细胞培养模块的示意性透视图。每个附图均示出了不同的特征或特征的组合，以便提供对这一相对复杂模块的结构的理解。在这些附图中，相同的特征用相同的参考数字指示，并且可能没有针对每个附图来详细讨论不同附图之间的对应特征，应当理解，对相同特征的重复解释是不必要的。

在图1中，细胞培养模块通常由附图标记10表示。其具有大体细长的棱柱形状，该棱柱形状具有由上表面12界定的上部区域和由下表面14界定的下部区域。还提供了竖直侧表面16、18。前部区域20设有用于将该模块集成到稍后描述的细胞培养系统中的轮廓表面。此外，接近该模块上部区域的后部形成了切口22。该模块的前后形状为挂钩系统提供了牢靠的抓握点，以便挂钩系统能够拾取该模块并将其放置在基座单元(未示出)中。

可以通过3D打印或类似的微制作技术来制造该模块。这稍后会更详细地描述。鉴于目前需要能够形成用于细胞定位、细胞培养基灌注的复杂互连通路和空间，以及根据需要的细胞长出通道，因此这样的制作技术是令人感兴趣的。这些稍后会更详细地描述。

在图1中，示出了腔室30，其位于模块的下部区域中。腔室30旨在容纳一个或多个细胞(未示出)。腔室30具有相应的细胞引入通路32，引自模块的上表面12处的细胞引入端口34。如可在图1中看出，细胞引入通路从上部区域大体向下倾斜并弯曲到下部区域中的腔室。这容许一个或多个细胞经由端口34和通路32引入腔室30中，从而提供关于包含于腔室30中的细胞的数目和类型的确定性。

细胞培养模块的外部长度可以约小于12英寸。细胞培养模块的外部长度可以约小于11英寸。细胞培养模块的外部长度可以约小于10英寸。细胞培养模块的外部长度可以约小于9英寸。细胞培养模块的外部长度可以约小于8英寸。细胞培养模块的外部长度可以约小于7英寸。细胞培养模块的外部长度可以约小于6英寸。细胞培养模块的外部长度可以约小于5英寸。细胞培养模块的外部长度可以约小于4英寸。细胞培养模块的外部长度可以约小于3英寸。细胞培养模块的外部长度可以约小于2英寸。细胞培养模块的外部长度可以约小于1英寸。细胞培养模块的外部长度可以约小于0.5英寸。

细胞培养模块的外部宽度可以约小于12英寸。细胞培养模块的外部宽度可以约小于11英寸。细胞培养模块的外部宽度可以约小于10英寸。细胞培养模块的外部宽度可以约小于9英寸。细胞培养模块的外部宽度可以约小于8英寸。细胞培养模块的外部宽度可以约小于7英寸。细胞培养模块的外部宽度可以约小于6英寸。细胞培养模块的外部宽度可以约小于5英寸。细胞培养模块的外部宽度可以约小于4英寸。细胞培养模块的外部宽度可以约小于3英寸。细胞培养模块的外部宽度可以约小于2英寸。细胞培养模块的外部宽度可以约小于1英寸。细胞培养模块的外部宽度可以约小于0.5英寸。

腔室容积可以至少约为4立方微米(μm³)。腔室容积可以约小于4立方微米(μm³)。腔室容积可以至少约为10μm³。腔室容积可以约小于10μm³。腔室容积可以至少约为50μm³。腔室容积可以约小于50μm³。腔室容积可以至少约为100μm³。腔室容积可以约小于100μm³。腔室容积可以至少约为250μm³。腔室容积可以约小于250μm³。腔室容积可以至少约为500μm³。腔室容积可以约小于500μm³。腔室容积可以至少约为1000μm³。腔室容积可以约小于1000μm³。腔室容积可以至少约为2000μm³。腔室容积可以约小于2000μm³。腔室容积可以至少约为3000μm³。腔室容积可以约小于3000μm³。腔室容积可以至少约为4000μm³。腔室容积可以约小于4000μm³。腔室容积可以至少约为5000μm³。腔室容积可以约小于5000μm³。腔室容积可以约小于10,000μm³。腔室容积可以至少约为10,000μm³。腔室容积可以约小于14,000μm³。腔室容积可以至少约为14,000μm³。腔室容积可以约小于15,000μm³。腔室容积可以至少约为15,000μm³。腔室容积可以约小于20,000μm³。腔室容积可以至少约为20,000μm³。腔室容积可以约小于25,000μm³。腔室容积可以至少约为25,000μm³。腔室容积可以约小于30,000μm³。腔室容积可以至少约为30,000μm³。腔室容积可以至少为约33,500μm³。腔室容积可以约小于33,000μm³。

腔室容积可以至少约为0.01、0.05、0.1、0.5、1、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85或90立方毫米(mm³)。腔室容积可以约小于90mm³。腔室容积可以约小于80mm³。腔室容积可以约小于70mm³。腔室容积可以约小于60mm³。腔室容积可以约小于50mm³。腔室容积可以约小于40mm³。腔室容积可以约小于30mm³。

腔室容积可以为从约0.5至约90mm³。腔室容积可以为从约0.5至约80mm³。腔室容积可以为从约0.5至约70mm³。腔室容积可以为从约0.5至约60mm³。腔室容积可以为从约0.5至约50mm³。腔室容积可以为从约0.5至约40mm³。腔室容积可以为从约0.5至约30mm³。腔室容积可以为从约0.01至约10mm³。腔室容积可以为从约0.01至约1mm³。腔室容积可以为从约1至约30mm³。

腔室容积可以约与单个细胞的体积成比例。腔室容积可以约与2个细胞的体积成比例。腔室容积可以约与5个细胞的体积成比例。腔室容积可以约与10个细胞的体积成比例。腔室容积可以约与15个细胞的体积成比例。腔室容积可以约与20个细胞的体积成比例。腔室容积可以约与25个细胞的体积成比例。腔室容积可以约与30个细胞的体积成比例。腔室容积可以约与40个细胞的体积成比例。腔室容积可以约与50个细胞的体积成比例。腔室容积可以约与60个细胞的体积成比例。腔室容积可以约与80个细胞的体积成比例。腔室容积可以约与100个细胞的体积成比例。腔室容积可以约与2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、100个细胞或更多个细胞的体积成比例。

腔室容积可以与从约1个细胞至约5个细胞的细胞体积成比例。腔室容积可以与从约1个细胞至约10个细胞的细胞体积成比例。腔室容积可以与从约1个细胞至约20个细胞的细胞体积成比例。腔室容积可以与从约1个细胞至约50个细胞的细胞体积成比例。

腔室容积可以适应单个细胞的1次细胞分裂。腔室容积可以适应单个细胞的2次细胞分裂。腔室容积可以适应单个细胞的3次细胞分裂。腔室容积可以适应单个细胞的4次细胞分裂。腔室容积可以适应单个细胞的5次细胞分裂。腔室容积可以适应单个细胞的6次细胞分裂。腔室容积可以适应单个细胞的7次细胞分裂。腔室容积可以适应单个细胞的8次细胞分裂。

腔室容积可以适应两个细胞的1次细胞分裂。腔室容积可以适应两个细胞的2次细胞分裂。腔室容积可以适应两个细胞的3次细胞分裂。腔室容积可以适应两个细胞的4次细胞分裂。腔室容积可以适应两个细胞的5次细胞分裂。腔室容积可以适应两个细胞的6次细胞分裂。腔室容积可以适应两个细胞的7次细胞分裂。腔室容积可以适应两个细胞的8次细胞分裂。

腔室可以包含一个或多个细胞。腔室可以包含一个或多个珠粒，如一个或多个磁珠粒。腔室可以包含一个或多个细胞、一个或多个珠粒、一个或多个细菌、一个或多个酵母、一个或多个病毒或其任意组合。

导管斜度可以被定义为导管相对于细胞培养模块下部区域中的腔室阵列的角度。导管斜度可以约为5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80或85度。导管斜度可以约为20度。导管斜度可以约为25度。导管斜度可以约为30度。导管斜度可以约为35度。导管斜度可以约为40度。导管斜度可以约为45度。导管斜度可以约为50度。导管斜度可以约为55度。导管斜度可以约为60度。导管斜度可以约为65度。导管斜度可以约为70度。导管斜度可以约为75度。导管斜度可以约为80度。

导管斜度可以约小于5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80或85度。导管斜度可以约小于20度。导管斜度可以约小于25度。导管斜度可以约小于30度。导管斜度可以约小于35度。导管斜度可以约小于40度。导管斜度可以约小于45度。导管斜度可以约小于50度。导管斜度可以约小于55度。导管斜度可以约小于60度。导管斜度可以约小于65度。导管斜度可以约小于70度。导管斜度可以约小于75度。导管斜度可以约小于80度。

导管斜度可以为从约5至约80度。导管斜度可以为从约5至约55度。导管斜度可以为从约30至约80度。导管斜度可以为从约30至约55度。导管斜度可以为从约55至约80度。导管斜度可以为从约20至约40度。导管斜度可以为从约40至60度。导管斜度可以从为约60至约80度。

导管的长度可以约大于0.01毫米(mm)。导管的长度可以约大于0.1mm。导管的长度可以约大于0.5mm。导管的长度可以约大于1mm。导管的长度可以约大于2mm。导管的长度可以约大于5mm。导管的长度可以约大于10mm。导管的长度可以约大于20mm。导管的长度可以约大于30mm。导管的长度可以约大于50mm。导管的长度可以为从约1mm至约10mm。导管的长度可以为从约0.5mm至约5mm。导管的长度可以为从约0.1mm至约5mm。导管的长度可以为从约0.1mm至约1mm。

如图2中所示，腔室30是在模块10下部区域中形成的腔室阵列中的一个腔室。在该实施方式中，阵列为10x6阵列。尽管为了清楚起见，图2中仅示出了一个细胞引入通路32，但每个腔室30均具有相应的细胞引入端口34和相应细胞引入通路32。因此，可以看出，将一个或多个细胞沿着对应的细胞引入通路32引入到一个细胞引入端口34中导致所述一个或多个细胞定位于相应的腔室中，而不存在使该一个或多个细胞定位于不同的腔室30中的风险。

腔室阵列可以为2个或更多个腔室。腔室阵列可以为5个或更多个腔室。腔室阵列可以为10个或更多个腔室。腔室阵列可以为20个或更多个腔室。腔室阵列可以为50个或更多个腔室。腔室阵列可以为100个或更多个腔室。腔室阵列可以为200个或更多个腔室。腔室阵列可以为500个或更多个腔室。腔室阵列可以为3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、25、30、35、40、45、50、100、150、200、250、300、350、400、450、500个或更多个腔室。

腔室阵列可以少于500个腔室。腔室阵列可以少于200个腔室。腔室阵列可以少于100个腔室。腔室阵列可以少于50个腔室。腔室阵列可以少于20个腔室。腔室阵列可以少于10个腔室。腔室阵列可以少于5个腔室。

腔室阵列可以为从2至500个腔室。腔室阵列可以为从2至400个腔室。腔室阵列可以为从2至300个腔室。腔室阵列可以为从2至200个腔室。腔室阵列可以为从2至100个腔室。腔室阵列可以为从2至50个腔室。腔室阵列可以为从2至20个腔室。腔室阵列可以为从2至10个腔室。腔室阵列可以为从2至5个腔室。

多个腔室可以为2个或更多个腔室。多个腔室可以为5个或更多个腔室。多个腔室可以为10个或更多个腔室。多个腔室可以为20个或更多个腔室。多个腔室可以为50个或更多个腔室。多个腔室可以为100个或更多个腔室。多个腔室可以为200个或更多个腔室。多个腔室可以为500个或更多个腔室。多个腔室可以为3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、25、30、35、40、45、50、100、150、200、250、300、350、400、450、500个或更多个腔室。

多个腔室可以为少于500个腔室。多个腔室可以为少于200个腔室。多个腔室可以为少于100个腔室。多个腔室可以为少于50个腔室。多个腔室可以为少于20个腔室。多个腔室可以为少于10个腔室。多个腔室可以为少于5个腔室。

多个腔室可以为从2至500个腔室。多个腔室可以为从2至400个腔室。多个腔室可以为从2至300个腔室。多个腔室可以为从2至200个腔室。多个腔室可以为从2至100个腔室。多个腔室可以为从2至50个腔室。多个腔室可以为从2至20个腔室。多个腔室可以为从2至10个腔室。多个腔室可以为从2至5个腔室。

阵列密度可以约为0.2、0.15、0.1、0.09、0.08、0.07、0.06、0.05、0.04、0.03、0.02、0.01腔室每微米(腔室/μm)。阵列密度可以约为0.1个腔室/μm或更小。阵列密度可以约为0.15个腔室/μm或更小。阵列密度可以约为0.2个腔室/μm或更小。阵列密度可以约为0.25个腔室/μm或更小。阵列密度可以约为0.3个腔室/μm或更小。阵列密度可以约为0.35个腔室/μm或更小。阵列密度可以约为0.4个腔室/μm或更小。在一些情况下，诸如神经元细胞等细胞从腔室向灌注通道中的长出决定了阵列密度。

腔室形状可以是均匀形状，如球体、立方体、灯泡状形状或梨状形状。腔室形状可以是非均匀形状或者包括不规则形状。腔室形状可以模仿生物结构或体内组织结构。腔室形状可以模仿神经元突触。腔室形状可以模仿轴突末端。腔室形状可以模仿突触前细胞。

腔室可以包含珠粒、细胞或其组合。腔室可以包含不止一个珠粒。珠粒可以附着于细胞，并从而在该细胞引入到腔室中时被引入到该腔室中。珠粒可以与腔室的一部分相关联，如结合于内表面上。珠粒可以与腔室相关联，如占据腔室内的某一容积。珠粒可以被配置用于阻塞细胞离开腔室，如可移动进出腔室出口端口的珠粒。珠粒可以结合于细胞、腔室的一部分或其组合上。珠粒可以是特有的珠粒，如包含特有标识器的珠粒。珠粒可以是已知的珠粒，如包含已知标识器的珠粒。珠粒可以标识细胞。珠粒可以标识腔室。

细胞培养模块的一个或多个腔室可以涂覆有衬底。腔室的一部分可以涂覆有衬底。衬底可以促进细胞附着。衬底可以减少或防止细胞附着。例如，腔室的靠近开口或细胞引入通路的部分可以涂覆有防止细胞附着的衬底，用来防止细胞从该腔室移出。衬底可以促进腔室的温度维持。例如，衬底可以包含导电材料。衬底可以促进腔室内的光学观察。例如，衬底可以是透明的或半透明的，或者容许光线无畸变地穿过。诸如细胞引入通路等通道可以涂覆有衬底，如减少或防止细胞附着的衬底。

腔室可以被配置成包括衬底，细胞在该衬底上培养并且该衬底被配置用于在细胞培养模块的一个或多个外部组件与细胞之间提供电气相互作用。衬底可以被配置用于促进捕获来自细胞的产物和/或将该产物输出给细胞培养模块的外部组件。例如，衬底可以包括用于从细胞捕获电气信号的电极。衬底可以被配置用于将刺激从外部组件传输或传导给细胞。例如，衬底可以被配置用于通过向表面衬底提供外部加热元件来维持细胞的温度。衬底可以包括一个或多个传感器。衬底可以包括表面粗糙度。

可以向细胞培养系统的一个或多个腔室添加一个或多个生物样品。添加到腔室的生物样品可以是单个细胞。生物样品可以是两个细胞。生物样品可以是3、4、5、10、20、50、100、200、500或更多个细胞。生物样品可以是组织切片、活检物、组织切除物、体液或组织抽吸物。生物样品可以是细胞器或3D细胞培养样品。生物样品可以包括同质的细胞群体。生物样品可以包括异质的细胞群体。生物样品可以包括已知的群体，如单个神经元。生物样品可以包括未确定的群体，如来自受试者的组织活检物。

添加到腔室的生物样品可以在细胞培养系统中培养长达约至少1天并保持活力且保留其表型特性。例如，添加到腔室的产胰岛素细胞可以保持活力并继续在细胞培养系统中产生胰岛素长达约至少1天。例如，添加到腔室的表达GABA的神经元可以保持活力并继续在细胞培养系统中表达GABA长达约至少1天。

生物样品可以保持活力长达约至少1、2、3、4、5、6、7、14、28、30、60、100、150、200、250、350、365天或更多天。细胞培养系统中培养的生物样品可以保持活力长达约至少7天。细胞培养系统中培养的生物样品可以保持活力长达约至少14天。细胞培养系统中培养的生物样品可以保持活力长达约至少28天。细胞培养系统中培养的生物样品可以保持活力长达至少60天。细胞培养系统中培养的生物样品可以保持活力长达至少90天。细胞培养系统中培养的生物样品可以保持活力长达至少120天。

生物样品可以保留其表型特性长达约至少1、2、3、4、5、6、7、14、28、30、60、100、150、200、250、350、365天或更多天。细胞培养系统中培养的生物样品可以保留其表型特性长达约至少7天。细胞培养系统中培养的生物样品可以保留其表型特性长达约至少14天。细胞培养系统中培养的生物样品可以保留其表型特性长达约至少28天。细胞培养系统中培养的生物样品可以保留其表型特性长达至少60天。细胞培养系统中培养的生物样品可以保留其表型特性长达至少90天。细胞培养系统中培养的生物样品可以保留其表型特性长达至少120天。

图2中图示的初级细胞引入阵列允许细胞以限定的方式插入到模块中，使得位置或地址是已知的并且细胞被锁定在该位置。可以使用磁场、电场、化学涂层、重力或任何合适的组合来协助细胞到达腔室。

整料优选是透明的整料。可以通过当前的光刻技术或者通过使用在3D空间中操纵的光进行多光子光刻法来完成装置的制造。可以采用标准扫描仪、全息技术或者其他空间或时间的光调制技术、微镜阵列技术或相关方法来完成光操纵。将透明材料用于整料衬底特别有利，这是因为其允许使用激光扫描技术从模块侧面的顶部观察细胞，以评估细胞的健康、反应等。

细胞引入通路32的具体结构稍后将会更详细地描述。显然，其应当具有适合于允许引入期望的一个或多个细胞的直径。根据旨在使细胞容纳于腔室30中的性质，可以相应地设计腔室30的大小、细胞引入端口34的直径和细胞引入通路32的直径。

图3示意性地图示了与腔室30流体连通的一组灌注通道。为了便于绘图，将这些灌注通道显示为笔直的且彼此正交。然而，灌注通道可以呈任何合适的形式，并且特别是可以基于生理模拟的形状，因此，它们可以是弯曲的而非笔直的，并且可以在与所图示方向不同的方向上延伸。

灌注通道的内部通道宽度可以约为0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06、0.07、0.08、0.09、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、2、3、4、5、6、7、8、10、15、20微米(μm)。灌注通道的内部通道宽度可以约小于5μm。灌注通道的内部通道宽度可以约小于1μm。灌注通道的内部通道宽度可以约小于0.5μm。灌注通道的内部通道宽度可以约小于0.1μm。灌注通道的内部通道宽度可以小于可移动阻塞元件的外部宽度。灌注通道的内部通道宽度可以小于细胞引入通路的内部宽度。

多个灌注通道可以布置成堆叠阵列。堆叠阵列可以是垂直堆叠的阵列、水平堆叠的阵列或其组合。

在图3中，示出了垂直灌注通道40、横向灌注通道42和纵向灌注通道44。垂直灌注通道40与腔室30直接流体连通。横向灌注通道42与垂直灌注通道40流体连通。类似地，纵向灌注通道44与垂直灌注通道40流体连通。如将会理解，灌注通道可以具有不同的布置。

灌注通道具有足够小的尺寸以防止存在于腔室30中的细胞沿着该灌注通道移动。例如，与腔室30直接流体连通的灌注通道的直径优选为旨在定位于腔室30中的细胞的细胞直径的至多50％。

图4示出了对应于图3结合图2的视图。

图5示出了具有一个横切(“transverse”)灌注通道42的模块。图6示出了具有横切灌注通道42的阵列的模块。如将会理解的，并没有示出存在横切、纵向和垂直灌注通道的阵列的视图，这是因为这样绘图将变得太密集而不可理解。

在图7中，示出了模块具有通往次级腔室52的次级细胞引入端口50，次级细胞引入端口50在附图中示出为具有大体为长方体的形状，但本公开内容未必限于此，也未必限于所示的朝向。次级储器54邻近次级腔室52安设并位于其后方，旨在为细胞培养基提供储器。

如图8中所示，次级腔室52与次级储器54之间提供了膜结构51，膜结构51具有开口，开口的大小小于包含于次级腔室中的细胞的大小，以容许流体在次级腔室52与次级储器54之间流动。

图9示出了对应于图7中所示的视图但具有形成于次级腔室52前侧的屏障布置60的视图。屏障布置60由敞开通向次级腔室52中的孔的阵列构成。在图9中，孔阵列被示出为规则阵列，但这未必需要。

屏障布置可以包括多个孔。孔直径可以约小于10、9、8、7、6、5、4、3、2、1微米(μm)。孔直径可以约小于1、0.5、0.1、0.05、0.01μm。孔直径可以约小于5μm。孔直径可以约小于1μm。孔直径可以约小于0.5μm。孔直径可以约小于0.1μm。屏障布置的渗透性可以是(a)基于大小的，如基于孔大小；(b)基于电荷的，如基于总净电荷；或者(c)其组合。屏障布置可以选择性地容许部分(moiety)穿过该屏障布置的孔。部分可以包括气体分子、趋化因子、细胞因子、小分子、蛋白质或其片段、核酸、细胞或其片段或者其任意组合。细胞培养模块可以包括一个或多个屏障布置。细胞培养模块可以包括用于多个腔室中的每个腔室的屏障布置。屏障布置可以将灌注通道与腔室隔开，以便选择性地容许部分在灌注通道与腔室之间经过。

图10示出了屏障布置的一部分，为一系列孔62。

图11示出了与图7相似的视图。

次级插入端口50提供通向次级腔室52的入口。至于初级细胞插入阵列，可以通过使用外部系统对所需位置进行寻址并引入选择的细胞来进入。尤其是对于细胞器、切片、活检样品或全脑细胞器，也可以手动进行相同的操作。

初级细胞插入阵列允许形成细胞网络，而次级腔室允许形成单层或选择的其他配置。

可以提供附加的次级细胞插入端口。次级腔室中的细胞允许灵活地观察与另一组细胞的产物相关的其他细胞。例如，在初级细胞腔室中使用脊髓神经元或皮层神经元的情况下，可以在次级腔室中使用肌肉细胞。这允许用户观察电气信号或者经由例如显微术等其他方法对反应进行监测。

次级腔室允许采用次级聚合物对腔室的壁进行功能化。该壁可以是屏障布置。

图12和图13示出了与细胞培养基的灌注有关的更多细节。在图12中，分别在模块的侧面16、18提供了侧面端口70、72。侧面端口70、72提供了与灌注导管74的流体连通。如图13中所示，灌注导管74采取细长狭槽的形式，该细长狭槽从灌注端口70平缓向下倾斜。该倾斜旨在相对于重力而帮助将细胞培养基保留于模块中。

图14示出了具有已经描述的灌注通道40、42和44的模块。

图15示出了灌注导管74与横向灌注通道42之间的流体连通。进而，横向灌注通道42与垂直灌注通道40流体连通。进而，垂直灌注通道40与纵向灌注通道44流体连通。进而，纵向灌注通道44通向屏障布置60。

为了支持细胞生长，应当用生长培养基灌注活细胞。因此，灌注通道网络允许流体围绕该系统移动。用气体对进入和离开整料的流体进行预处理，并在进给到模块中之前控制温度、pH、化学含量、溶解的蛋白质。还在灌注后对培养基产物进行分析。

图12和图13中示出的灌注导管的布置形成了水平的鳃系统，鳃系统有助于确保细胞在运输期间由细胞培养基安全地覆盖。鳃系统之间的灌注通道的布置提供了某种对流体流动的抗性，从而另外用来保留和控制流体流动。

在图16中，示出了具有光导80阵列的模块，光导80阵列从位于模块后端面处的光端口82延伸到模块中。如图17中所示，光导80纵向延伸到模块中，到达储器54。

图18示出了模块10的横截面示意图。示出了附接在模块的侧表面16、18的灌注端口70、72。这里更加清楚地示出了灌注导管74，其朝向灌注通道网络平缓向下倾斜，通常指示为46。

图19示出了模块的一部分的示意性内部透视图，旨在示出灌注通道与屏障布置之间的相互作用。屏障布置60被示出为纵向延伸通过模块的衬底壁64的圆柱形孔62的阵列。在图19中，屏障布置60的右侧是次级腔室52。在图19中，屏障布置60的左侧是与纵向灌注通道44流体连通的空隙66。因此，细胞腔室30经由灌注通道与空隙66间接流体连通。在使用模块时，如下文更详细解释的，调整屏障64以便提供生理相关血脑屏障模型。这在腔室30中的细胞与刻意引入次级腔室52中的化合物之间呈现出屏障。以这种方式，可以在考虑到血脑屏障的情况下评估血流中候选化合物对(例如)神经细胞的影响。

用于次级腔室中的细胞包括可以形成血脑屏障、胃肠道系统、反射弧、肌肉骨骼系统或其他多细胞系统的细胞。

例如放置于腔室30中的神经元可以长出穿过纵向延伸的灌注通道。可以在屏障布置的左侧表面上形成单层细胞。可以在屏障布置的次级腔室侧面上形成另一单层细胞。该系统还可用来锚固骨骼细胞。

图20示出了模块的一部分的纵向截面示意图。在该图中，细胞通路32被示出为以倾斜、弯曲的布置大体向下延伸，通向细胞腔室30。在该实施方式中，腔室30的基座由稍后更详细描述的衬底90提供。

如图20中可看出，每个细胞引入通路32均具有自其相应的细胞引入端口(图20中未示出)大体渐减的直径，从而在敞开到腔室30中之前到达狭缩区域36。可以使用下文更详细描述的阻塞元件来阻塞狭缩区域36，以防止腔室30中的细胞的不期望逸出。

图20大体图示了与腔室30相关联的灌注通道的阵列。此外，次级储器54和次级腔室52连同次级引入端口50一起示出。

图21中示出的视图对应于图20中示出的视图，除了未示出次级细胞引入端口50、次级腔室52和次级储器54之外。

图22A和图22B示出了适合用于本公开内容实施方式的电极结构的截面示意图。在图22A中，电极结构具有大体球形的形状，立于柱状支撑件100上。球体表面102具有圆形突起104的阵列。在图22B中，除了突起104由凹陷106取代之外，电极具有对应的形式。这种电极结构的效果是提供附加的表面积和表面特征，以便与可以提供生电信号的细胞相互作用。

图23A和图23B对应于图22A和图22B，分别示出了具有突起或凹陷的合适电极结构的主视图。

图24A示出了腔室30的示意图，电极108位于其中，细胞引入通路32在狭缩部36处被阻塞珠粒110阻塞。阻塞珠粒110例如可以是利用施加的磁场移动到位的磁珠粒。这阻塞了细胞在腔室30中的出口路线。

在图24B中示出了改进的实施方式，其中细胞腔室30a由细胞引入通路在两个狭缩部36a和36b之间的部分提供。细胞腔室30a再一次设有电极108。如图24B中所示，阻塞珠粒110a沿着细胞引入通路位于腔室30a的下游，并具有比位于腔室30a上游的狭缩部36b中的阻塞珠粒110b更小的直径。狭缩部36b具有比狭缩部36a更大的直径，这容许阻塞珠粒110a穿过狭缩部36b到达狭缩部36a。

图25示出了细胞腔室30，其具有电极108和位于细胞通路32中的狭缩部36处的阻塞珠粒110。在图25中，示出了灌注通道45、47和49。它们不具有上述实施方式中所示的规则、笔直和正交的形态。相反，图25旨在说明，可以对灌注通道以及更普遍地对形成于模块中的开口的结构进行塑形，以便更接近地模拟细胞在体内所见的生理学和环境。通道45、47和49不仅提供了灌注通道，而且还提供了细胞长出通道，细胞外结构可以沿着这些通道生长和延伸。应当理解，可以通过对细胞及其环境进行体内扫描来设计模块的内部结构所需的形状。使用将此类扫描的结果来反向打印体内所遇到的形状，以便在细胞培养模块中模仿活体内结构。

在一些情况下，细胞的一部分保留于腔室中，而该细胞的一部分延伸到腔室外部，如延伸到细胞长出通道中。例如，细胞核可以保留于腔室中，而细胞突起或延伸部可以生长到邻近的通道中，如细胞长出通道、旁路通道、灌注通道等中。细胞突起可以包括疱、皱褶、丝状伪足或片状伪足。细胞突起可以包括胞足体。细胞突起可以包括伪足延伸部。细胞突起可以包括树突、树突棘、轴突、生长锥或其组合。

容纳于一个腔室中的细胞可以通过细胞间通讯与容纳于不同腔室中的细胞通讯。容纳于一个腔室中的细胞可以与容纳于两个不同腔室中的至少两个细胞通讯。容纳于一个腔室中的细胞可以与容纳于细胞培养模块的多个不同腔室中的每个细胞通讯。细胞间通讯可以通过旁分泌信号传导而发生。例如，从细胞分泌的趋化因子或细胞因子扩散到容纳于邻近腔室中的细胞。细胞间通讯可以通过直接的物理接触，例如，粘附接触或细胞连接而发生。本公开内容的细胞培养模块容许如轴突等细胞突起从腔室生长出来到旁路通道或灌注通道或其组合中，使得可以与容纳于邻近或远端的腔室中的细胞一起形成突触。

在将珠粒添加到细胞引入通路之前将细胞引入到腔室中。在添加细胞后滚入珠粒。珠粒锁定到位证实了细胞已经到达腔室。

细胞接触电极或至少部分地将其包裹，并且它们从所允许的出口生长出来。如上所讨论，出口的形貌可以是来自体内已知位置的载体的生长模式的拷贝，或者它们可以是直线或曲线。

现在将参照细胞培养系统更详细地描述所述模块的目的和功能，该模块旨在形成该细胞培养系统的一部分。

细胞培养系统包括基座单元(未示出)，细胞培养模块可释放地附接到该基座单元中。细胞培养系统为要提供给该模块和从该模块提取出的细胞培养基提供储器。使用常规类型的现场可编程门阵列(FPGA)来控制细胞培养系统，该现场可编程门阵列无需在此处赘述。细胞培养系统经由温度传感器、气体感测(例如，经由O₂传感器、CO₂传感器等)、葡萄糖感测和pH感测来提供温度感测。合适的传感器对于技术人员而言将是公知的，因此此处不再赘述。还料想对这些参数进行变化率(导数)确定。结合电气加热元件，经由温度传感器来提供温度控制，所述电气加热元件通常定位成便于加热被灌注到该模块中的细胞培养基。

细胞培养系统的传感器可以是温度传感器、pH传感器、诸如O₂传感器或CO₂传感器等气体传感器、葡萄糖传感器、水平传感器或其任意组合。传感器可以是光学传感器，如感测荧光或发光信号的生物发光传感器。传感器可以是电化学传感器，如安培测定传感器、电导测定传感器、电位测定传感器或者感测表面电荷的传感器。传感器可以是光电传感器，如谐振镜、光纤或表面等离子体谐振传感器。传感器可以是压电传感器，如晶体谐振频率传感器、表面声波传感器或表面横波传感器。传感器可以是生物传感器，如酶电极、免疫传感器、DNA传感器、微生物传感器或其任意组合。细胞培养系统可以具有一个或多个传感器，如一个或多个电化学传感器、一个或多个光学传感器、一个或多个热传感器、一个或多个谐振传感器、一个或多个离子敏感传感器或其任意组合。细胞培养系统可以具有1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、20、30、40、50、100、200、500个传感器或者更多。细胞培养系统可以针对细胞培养系统的每个腔室具有至少1个传感器。细胞培养系统可以针对细胞培养系统的的每个腔室具有至少2个传感器。细胞培养系统可以针对细胞培养系统的每个腔室具有至少3个传感器。细胞培养系统可以针对细胞培养系统的每个腔室具有至少2、3、4、5、6、7、8个传感器或者更多。

在一些实施方式中，向细胞培养系统的一个或多个腔室添加一种或多种分析物。该一种或多种分析物可以与或者可以不与存在于一个或多个腔室中的酶、抗体、蛋白质、核酸、抗原、细胞受体、细胞或其组合相互作用。与细胞培养系统的一个或多个腔室相关联的一个或多个传感器感测该传感器特定的度量(metric)。例如，与腔室相关联的温度传感器可以感测温度，或者与腔室相关联的光学传感器可以感测与腔室相关联的生物发光。

传感器可以感测单个腔室特定的度量。传感器可以感测腔室阵列的一个或多个度量。传感器可以感测所述模块的度量。传感器可以感测的度量可以包括温度、O₂浓度、CO₂浓度、pH水平、蛋白质浓度、生物发光浓度、荧光浓度、质量或重量或其任意组合。

与传感器可操作地耦合的控制系统可以指导对度量的常规感测。例如，控制系统可以指导热敏电阻每60分钟感测腔室的温度。或者，与传感器可操作地耦合的控制系统可以在参数符合时指导对度量的特定感测。例如，当pH传感器感测到腔室的pH水平上升到7.4以上时，控制系统可以指导气体传感器感测腔室的CO₂浓度。用户可以将常规感测时间表输入控制系统。用户可以将特定感测时间表输入控制系统。

本公开内容的系统可以包括流体递送系统。流体递送系统可以包括用于使流体在细胞培养模块的一个或多个腔室内移动、使流体移动到所述一个或多个腔室或从其移开的泵。系统可以包括一个或多个泵。系统可以包括用于多个腔室中的每一个的泵。泵可以是正排量泵、脉冲泵、速度泵、重力泵、蒸汽泵、真空泵或无阀泵。

本公开内容的系统可以包括加热元件。该加热元件可以向细胞培养模块的至少一部分提供热量。系统可以包括一个或多个加热元件。系统可以针对多个腔室中的每个腔室包括一个加热元件。每个加热元件均可以包括独立的热区，使得多个腔室中的每个腔室的温度均可以由每个加热元件独立地控制。

所述模块旨在是可更换的和一次性的。使用这样的方法允许轻松处理所述模块中加载的细胞，从而允许在无需层流柜或生物安全柜的情况下进行细胞和周围模块的安全切换。

FPGA控制加热器，如可以在细胞培养基调节腔室的两侧对准的电热丝式加热器。闭合回路中包括pH传感器，以及氧气传感器、温度传感器和微型泵。利用这一闭合回路系统，可以推断出一些培养基感测前和感测后的因素。例如，通过在培养基与上层结构中的细胞相互作用之前测量pH，并且在培养基相互作用之后测量后pH大小，可以得到由于反应副产物所引起的pH变化的指示。此外，了解与细胞相互作用之前和之后的O₂或CO₂浓度得到系统中代谢活动速率的指示。

对于前后pH、氧气、二氧化碳和其他参数检测，使用储器系统以便延迟流体输出或输入，从而为将进行的测量给予足够的时间和间隔。

所述系统是可用于将细胞的温度和其他环境参数维持在正常的生理条件下。此外，可以通过改变pH、葡萄糖水平、氧气水平等来驱使该系统中的装置组合模仿身体内的异常状况。

旨在将所述模块和系统用于以下一个或多个应用：

I.临床前药物发现。

II.神经科学与分子生物学研究。

III.毒理学研究。

IV.污染物的现场测试。

V.用于模式识别和体验式学习的计算装置。

VI.用于自然系统和神经工程中的人工智能、计算引擎/方法的教育和研究工具。

VII.用于在体验式生命系统(天然的、克隆的或其他)的病变或增强的神经组织中开发或测试神经植入物(硅、由多种来源构成的天然或修饰的活组织)的验证引擎或平台。

所述模块和系统适合如上所概述的从临床前药物发现到毒素现场测试的安全性的许多应用领域。所述模块和系统还可以被部署用作模式识别或模式计算中的计算装置。所述模块和系统可以用作神经植入物测试中的基础研究的平台，或者用作设计具体化系统，即硅系统或3D打印壳体中的生物组织的第一步。所述模块和系统作为对生命系统基本功能的教学工具或研究，在教育中得到了重大应用。

此外，所述模块和系统可用于药物开发中，作为用于药物候选物的高通量筛选之后以及化合物、生物制剂或其他疗法的体内测试之前的精制装置。计算机科学家、工程师或物理学家可以使用所述模块和系统来模拟复杂系统或在人工系统中学习。所述模块和系统还可用于大量待测试的合成化学物质以评估其对人类和/或动物健康的影响，即检查在人类或动物系统中的不利影响或积极迹象。

所述模块和系统可以在较大的自治系统内部署至化学现场，从而在不危害人的生命的情况下测试冲突地区、灾区(自然的或人为的)或其他地方处例如神经毒剂和其他污染物的存在。因此，该模块和系统可以用于安保人员和出于防卫或人道主义目的的军事用途。

可以将单个细胞种类或多个细胞种类引入模块。所述模块的衬底可以由单个基础聚合物或由若干种类型聚合物的混合物形成。所使用的细胞配置类型也可以不同。可以将单个细胞、细胞器和切片、来自动物胚胎组织的外植体或来自人类活检物的外植体引入到所述腔室中。所述装置可以使用来自人类或动物来源的细胞，尽管本公开内容主要着眼于人类细胞。

所述模块可以是适合于较大基座系统内的一次性或非一次性筒匣。可以向该模块供应已被引入所述腔室中的细胞。或者，用户可以引入细胞。可以使用简单的移液管或机器人系统来引入细胞。

作为药物开发平台，所述模块优选含有单个细胞种类或以生理上逼真的方式连接的多个细胞。例如，在含有脊髓运动神经元和肌肉细胞的共培养系统中，脊髓运动神经元能够引起肌肉细胞的收缩。

在所述模块中，细胞采用以下一种或两种方式连接：I.细胞之间的功能性耦合，即体外神经肌肉接头、神经元与神经元连接(存在于分开的腔室中)、肠神经系统至胃肠道、运动神经元至肌肉的体外反射弧、背根神经节对肌肉的体外反射弧、CNS或脑中的层形貌等。II.经由以下方式耦合：a.细胞共享相似的培养基或在同一腔室中生长，或者b.将离开一个腔室的流体导引到其他细胞，从而使得其他细胞与来自起始腔室的代谢物相接触。

细胞由在较大的上层结构内的工程化子结构分开。这些子结构充当支持次级聚合物进一步沉积的腔室。上层结构(整料衬底)本身由初级聚合物制成，该初级聚合物适宜于通过以下方式进行微米/纳米结构化：

光活化聚合：

o采用单光子准直光——激光器。

o多光子光源或双光子吸收光刻法。

o采用类似于SU8的掩膜技术的标准光刻法

采用金属化的微机加工

电沉积

在所述模块的次级腔室中，例如，可以进行进一步衬底沉积。例如，可以将诸如胶原蛋白或PA等顺应性聚合物结合至氨基硅烷化衬底。这允许使用需要非刚性衬底的收缩细胞。这对于屏障布置特别有意义。设想了其他表面功能化，如电活性聚合物，从而允许通过外部调制信号机械地刺激细胞。

腔室中的电极用于检测来自神经元的动作电位，包括兴奋性突触后电位。与利用蘑菇状电极从接触或至少部分包裹该电极的神经元进行记录的已知方法相比，此处使用并在图22A、图22B、图23A和图23B中图示的方法增加了神经元可用的表面积并且还促进了细胞附着。电极的一般形式为具有半球形突起(图22A和图23A)或半球形凹口(图22B和图23B)的完整球形形状。这些特征进一步增加了可用于与细胞相接的面积。使用凹口代替突起提供了增加的表面积，但总电极体积较小。突起的高度或凹口的深度可以根据需要而修改，并且突起或凹口的间距也可以修改。

细胞培养模块可以包括玻璃、二氧化硅、硅、聚合物、水凝胶或其任意组合。聚合物可以包括弹性体、热固性聚合物、热塑性聚合物或其任意组合。聚合物可以包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)或其任意组合。

电极可以包含金属。电极可以包含合金。电极可以包含铝、金、锂、铜、石墨、碳、钛、黄铜、银、铂、钯、碳酸铯、氧化钼(VI)或其任意组合。电极可以包含混合金属氧化物。

用多个突起、多个凹口修饰电极，通过向电极的表面添加表面粗糙度进行修饰可以增加电极的表面积。这种修饰或增加的表面积可以增大细胞至电极的附着量。这种修饰可以增大被细胞接触或至少部分包裹的电极部分。这种修饰可以增大被细胞接触的电极部分。这种修饰可以增强细胞与电极之间的电连接。

电极可以包括球形形状、半球形形状、包括头部部分和支撑部分的蘑菇形状、棒状形状、圆柱形形状、圆锥形形状、贴片形状或其任意组合。细胞培养模块可以包括具有相同形状的电极。例如，模块可以包括10个蘑菇形状的电极。细胞培养模块可以包括不止一种类型形状的电极。例如，模块可以包括10个蘑菇形状的电极和10个圆锥形形状的电极。

电极可以具有一个或多个突起和一个或多个凹口的组合。电极可以具有一个或多个诸如半球形突起等突起形状和一个或多个诸如半球形凹口等凹口形状的组合。

突起可以是半球形突起。突起可以是钉状突起、圆锥形突起、正方形或矩形棒状突起、方尖状突起、圆柱形突起、半球形突起或其任意组合。凹口可以是半球形凹口。凹口可以是V型槽凹口、燕尾形凹口、钉状凹口、圆锥形凹口、圆柱形凹口、正方形或矩形棒状凹口、半球形凹口或其任意组合。

电极可以具有一个或多个突起。电极可以具有10个突起。电极可以具有至少10个突起。电极可以具有20个突起。电极可以具有至少20个突起。电极可以具有100个突起。电极可以具有至少100个突起。电极可以具有500个突起。电极可以具有至少500个突起。电极可以具有1000个突起。电极可以具有至少1000个突起。电极可以具有2000个突起。电极可以具有至少2000个突起。电极可以具有2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、25、30、35、40、45、50、100、150、200、250、500、750、1000、1500、2000、3000、4000、5000个突起或者更多。

电极具有的表面突起密度可以约为0.0001、0.0005、0.001、0.002、0.003、0.004、0.005、0.006、0.007、0.008、0.009、0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06、0.07、0.08、0.09、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、2、3、4、5、6、7、8、9、10个突起每平方微米(pro/μm²)。电极具有的表面突起密度可以约为0.0001pro/μm²。电极具有的表面突起密度可以约为0.001pro/μm²。电极具有的表面突起密度可以约为0.01pro/μm²。电极具有的表面突起密度可以约为0.1pro/μm²。电极具有的表面突起密度可以约为0.5pro/μm²。电极可以具有从约0.0001至约0.01pro/μm²的表面突起密度。电极可以具有从约0.001至约0.01pro/μm²的表面突起密度。电极可以具有从约0.001至约0.1pro/μm²的表面突起密度。电极可以具有从约0.0005至约0.5pro/μm²的表面突起密度。电极可以具有从约0.05至约5pro/μm²的表面突起密度。

电极可以具有一个或多个凹口。电极可以具有10个凹口。电极可以具有至少10个凹口。电极可以具有20个凹口。电极可以具有至少20个凹口。电极可以具有100个凹口。电极可以具有至少100个凹口。电极可以具有500个凹口。电极可以具有至少500个凹口。电极可以具有1000个凹口。电极可以具有至少1000个凹口。电极可以具有2000个凹口。电极可以具有至少2000个凹口。电极可以具有2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、25、30、35、40、45、50、100、150、200、250、500、750、1000、1500、2000、3000、4000、5000个凹口或者更多。

电极具有的表面凹口密度可以约为0.0001、0.0005、0.001、0.002、0.003、0.004、0.005、0.006、0.007、0.008、0.009、0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06、0.07、0.08、0.09、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、2、3、4、5、6、7、8、9、10个凹口每平方微米(rec/μm²)。电极具有的表面凹口密度可以约为0.0001rec/μm²。电极具有的表面凹口密度可以约为0.001rec/μm²。电极具有的表面凹口密度可以约为0.01rec/μm²。电极具有的表面凹口密度可以约为0.1rec/μm²。电极具有的表面凹口密度可以约为0.5rec/μm²。电极可以具有从约0.0001至约0.01rec/μm²的表面凹口密度。电极可以具有从约0.001至约0.01rec/μm²的表面凹口密度。电极可以具有从约0.001至约0.1rec/μm²的表面凹口密度。电极可以具有从约0.0005至约0.5rec/μm²的表面凹口密度。电极可以具有从约0.05至约5rec/μm²的表面凹口密度。

电极的表面可以是光滑的。电极的表面可以具有表面粗糙度。电极表面上的表面粗糙度可以是均匀的。电极表面的一部分，如电极的顶部部分、电极的底部部分，可以具有表面粗糙度。电极可以具有交替的光滑部分行和粗糙部分行。

表面粗糙度可以约为5、10、15、20、25、30、35、50、100、200、300、400、500、600、700、800、900、1000、1500、2000、2500、3000纳米(nm)或者更大。表面粗糙度可以为从约5至约50nm。表面粗糙度可以为从约5至约100nm。表面粗糙度可以为从约5至约500nm。表面粗糙度可以为从约10至约50nm。表面粗糙度可以为从约10至约100nm。表面粗糙度可以为从约10至约500nm。

电极的宽度的大小可以是使细胞适应于接触该电极或至少部分地将其包裹。电极的宽度可以约为1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、5.5、6、6.5、7、7.5、8、8.5、9、9.5、10、10.5、11、11.5、12、12.5、13、13.5、14、14.5、15、15.5、16、16.5、17、17.5、18、18.5、19、19.5、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、35、40、45、50微米(μm)。电极的宽度可以约为2μm。电极的宽度可以约为5μm。电极的宽度可以约为10μm。电极的宽度可以约为15μm。电极的宽度可以约为20μm。电极的宽度可以大于2μm。电极的宽度可以大于3μm。电极的宽度可以大于4μm。电极的宽度可以大于5μm。电极的宽度可以大于6μm。电极的宽度可以大于7μm。电极的宽度可以大于8μm。电极的宽度可以大于9μm。电极的宽度可以大于10μm。电极的宽度可以是支撑部分的宽度。电极的宽度可以是头部部分的宽度。

电极可以可操作地耦合至一个或多个电极。电极可以可操作地耦合至至少两个电极。电极可以可操作地耦合至至少三个电极。电极可以可操作地耦合至细胞培养模块的多个电极中的每个电极。电极可以对细胞产物产生响应。电极可以对来自与其可操作地耦合的电极的输出产生响应。电极响应可以包括产生输出，如电气信号。

在例如玻璃等衬底上形成电极结构。该衬底与模块整料的基座配合以便形成腔室。

可以利用多光子基材成形和最终的金属化来形成电极所需的形状。还可以使用其他工艺，例如PECVD、电沉积、电子束光刻法或相关技术。对于多光子光刻技术和3D微打印，可以使用微制作领域中已知的可商购装置。可以利用聚合物、倒金属化或者通过电沉积来实现电极形状，继而可以通过等离子蚀刻去除聚合物。

图26-图30中图示了合适的工艺。

为了开发具有附接的导电线的电极，将已经使用DLW或双光子光刻法制成具有电极的玻璃衬底200放置在阴影掩模202下方。附图标记203标识光刻灯。使用掩模202来沉积牺牲层210(在图27中示出)，使电极204和导电线206暴露。

可以使用下文的工艺进一步开发暴露的区域，参照图26-图30进行阐释：

I.使用例如Cr(20nm)/Au(200nm)的种子层来涂覆暴露的电极

II.继而电沉积金或铂，如图28中所示，该图示出了包含具有牺牲层的衬底的电镀槽212。如图29中所示，在电极处沉积金或铂，以形成在进一步功能化后与活细胞相接的表面

III.继而用丙酮、蚀刻或其他工艺剥离牺牲层，以留下如图30中所示的接种的电极。

为了增进神经元(或其他细胞)到电极的粘附，对电极表面的形貌进行修饰，以提供上文论述的突起或凹口。另外地或备选地，使用进一步的DLW或电沉积来以纳米范围施加受控的表面粗糙度。随后，用聚-d-赖氨酸和层粘连蛋白序列对电极表面进行化学功能化。

细胞培养模块的衬底由合适的聚合物形成，如由SU8或其他合适的生物聚合物形成。在一些实施方式中，次级聚合物粘附到衬底的一些部分。实施表面功能化，以便增进次级聚合物到SU8上层结构的粘附。次级聚合物可以是合成的或天然的聚合物。这一功能化用(3-氨丙基)三乙氧基硅烷(APTES)混合物来完成。将衬底在100W的等离子腔室中清洗3分钟，继而在0.1M NaOH中浸泡30分钟，并使其在室温(22℃)下干燥。在用过量蒸馏水洗涤之前，在室温下用(3-氨丙基)三甲氧基硅烷涂覆衬底的所需区域4-5分钟。将衬底与磷酸盐缓冲盐水(PBS-176.8mM氯化钠，2.7mM氯化钾，1.47mM磷酸二氢钾，8.1mM磷酸氢二钠，全部来自丙烯酰胺)溶液中的0.5％戊二醛溶液一起温育30分钟。用无菌PBS将衬底清洗三次，从而去除了过量的缓冲液。继而将次级聚合物装填到芯片的所需区域中并使其干燥/固化/固定30分钟，然后冷冻至-10-20℃达1小时、。可以在-20-40℃下将聚合物冻干达6小时。

可以使用由于微米/纳米体积或“体素”内的交联(或其他化学过程)而发挥作用的多光子吸收光刻法(或微米/纳米3D打印)来制造所述模块。所述方法需要在工作波长下透明且在所需向量处(即在x、y和z中)创造高强度光的聚合物。因此，该方法可以创造非常精细的任意结构或规则结构。合适的商业制造系统基于对衬底材料内的激光波阵面进行扫描。然而，这样的系统的速度可能受到扫描电机或“振镜扫描仪”的机械惯性的限制。还可以使用这样的系统，该系统使用较少扫描的方法来在指定体素处具有高光强度，以便增加将结构直接激光写入到衬底的速度。

通过采用扫描系统或非扫描系统的直接激光写入来创造所述整料。例如，使用像SU8一样的聚合物，由于SU8的固有材料性质，该结构可以承受高纵横比。

可以在玻璃衬底或聚合物衬底或复合衬底上形成电极。此后，使用掩模来覆盖电极或仅暴露电极。对该玻璃衬底进行电镀，由此仅电镀暴露的电极。在该衬底之上形成整料。

电极的数目和腔室的数目没有特别限制。一些边缘电极例如可用于验证和/或标识目的。可以特意修改这样的电极的电阻值，因此当系统在使用中时，可以在本地或远程地标识该系统和/或模块。

如图16和图17中所示，将光导并入模块中。这些光导用于与外围装置光学相接和/或用于刺激光感基因细胞。光导在其末端处可以具有集成的透镜结构，以便在不在下层电子器件中引起显著噪声或不接触电极的情况下允许光经由光纤电缆或LED导引到模块中。光避免接触电极，以杜绝光电效应。

所述模块具有呈倒置的倾斜漏斗形状的细胞引入通路。这允许将单个细胞、重新聚集的细胞、球状体、微器官、组织或细胞器引入到腔室中。如已经描述的，细胞引入通路在一个或多个位置处是狭缩的。狭缩部的直径略大于要沿着该通路经过的细胞体(或组织、细胞器等)，但小于在细胞被引入之后将该通路阻塞的阻塞珠粒。该珠粒将通道封闭。或者，多个珠粒(如图24B中所示)可以创造能够模仿体内组织的细胞水平，例如皮质中的多个水平。

珠粒用于两个目的。第一个目的是阻塞腔室入口，以便允许例如每个腔室只存在一个细胞。可以选择性地将珠粒从其阻塞配置型去除，从而改变模块中的连接动态。第二个目的在于，珠粒可以提供有额外的功能。例如，珠粒可以提供化学物质的逐渐释放。可以通过时间延迟和/或通过引入首先释放的次级化学物质来释放合适的化学物质。这种情况的示例是谷氨酸盐和由有机聚合物制成的珠粒。

或者，可以通过热激活，例如通过总体或局部地使用激光波阵面来提供释放。或者，可以通过暴露于给定波长的光来提供释放。珠粒可以携带可以引导细胞执行动作的固定化蛋白质。珠粒可以被电位激活。更进一步地，由细胞释放的化学物质和/或腔室内细胞的生电特性可以改变珠粒的荧光颜色(波长)和/或化学释放速率。

重要的是注意到，还可以通过可以沉积在狭缩部中的诸如凝胶等可固化材料来执行珠粒的功能。可以利用诸如δ机器人等微型放置装置按方法或位置将珠粒或凝胶沉积到空间中的任意点。

如图25中所图示，灌注/生长通道的方向可以是任何合适的方向。

本公开内容的优选实施方式并入了细胞屏障系统。这样的屏障旨在复制类似体内功能的不同方面，如：

·内皮细胞，例如血脑屏障。

·肌肉系统(平滑肌、骨骼肌或心肌)

·上皮细胞，例如肺、子宫和呼吸道

·结缔组织，例如皮肤、肝脏。

·其他细胞类型。

屏障以网状网格形式在上层结构中创造。该网格设有比屏障系统中所使用的细胞类型更小的孔的阵列。所述模块的这一部分使用DLW工艺制成，并且可以具有通过电镀形成的金属化部分。

在本公开内容的优选实施方式中特别感兴趣的是复制血脑屏障系统。该屏障系统通过靠近其他细胞而实现灵活性。在优选实施方式中，该屏障被形成为多孔膜作为整料衬底的一部分，其中细胞接种在一侧上。

计算机控制系统

本公开内容提供了计算机控制系统，其被编程用于实现本公开内容的方法。图31示出了计算机系统3101，其被编程或以其他方式被配置用于控制所述模块的一个或多个传感器，控制一个或多个加热元件、一个或多个气体供应物(如O₂或CO₂)、一个或多个显微镜、与模块相关联的相机(如CCD相机)。计算机系统3101可以调节本公开内容的细胞培养系统的各个方面，举例而言，诸如指导一个或多个传感器作出度量的一次或多次测量，与一个或多个加热元件、一个或多个气体供应物、一个或多个培养基来源相接，以向细胞模块系统提供元素，如调节的温度、气体组合物和培养基供应物。计算机系统3101可以是用户的电子装置或者是相对于该电子装置位于远程的计算机系统。电子装置可以是移动电子装置。

计算机系统3101包括中央处理单元(CPU，本文还称为“处理器”和“计算机处理器”)3105，央处理单元3105可以是单核或多核处理器，或者用于并行处理的多个处理器。计算机系统3101还包括存储器或存储器位置3110(例如，随机存取存储器、只读存储器、快闪存储器)、电子存储单元3115(例如，硬盘)、用于与一个或多个其他系统通信的通信接口3120(例如，网络适配器)和外围装置3125，如高速缓冲存储器、其他存储器、数据存储和/或电子显示适配器。存储器3110、存储单元3115、接口3120和外围装置3125通过诸如母板等通信总线(实线)与CPU 3105通信。存储单元3115可以是用于存储数据的数据存储单元(或数据储存库)。计算机系统3101可以借助于通信接口3120可操作地耦合至计算机网络(“网络”)3130。网络3130可以是因特网、互联网和/或外联网，或者与因特网通信的内联网和/或外联网。在一些情况下，网络3130是电信和/或数据网络。网络3130可以包括可以支持诸如云计算等分布式计算的一个或多个计算机服务器。在一些情况下，借助于计算机系统3101，网络3130可以实现对等网络，该对等网络可以使得耦合至计算机系统3101的装置能够起到客户端或服务器的作用。

CPU 3105可以执行一系列可以采用程序或软件体现的机器可读指令。所述指令可以存储在诸如存储器3110等存储器位置中。指令可以被导向CPU 3105，该指令随后可对CPU3105进行编程或以其他方式进行配置以实现本公开内容的方法。由CPU 3105执行的操作的示例可以包括取、解码、执行和写回。

CPU 3105可以是诸如集成电路等电路的一部分。系统3101的一个或多个其他组件可以包含在该电路中。在一些情况下，电路是专用集成电路(ASIC)。

存储单元3115可以存储文件，诸如驱动程序、文件库和保存的程序。存储单元3115可以存储用户数据，例如用户偏好和用户程序。在一些情况下，计算机系统3101可以包括位于计算机系统3101外部(诸如位于通过内联网或因特网与计算机系统3101通信的远程服务器上)的一个或多个附加的数据存储单元。

计算机系统3101可以通过网络3130与一个或多个远程计算机系统通信。例如，计算机系统3101可以与用户的远程计算机系统(例如，蜂窝电话、膝上型计算机、平板装置或其任意组合)通信。远程计算机系统的示例包括个人计算机(例如，便携式PC)、平板或平板PC(例如，iPad、Galaxy Tab)、电话、智能手机(例如，iPhone、支持Android的装置，)或个人数字助手。用户可以经由网络3130访问计算机系统3101。

如本文所述的方法可通过存储在计算机系统3101的电子存储位置上(举例而言，诸如存储器3110或电子存储单元3115上)的机器(例如，计算机处理器)可执行代码来实现。机器可执行或机器可读代码可以以软件的形式提供。在使用期间，代码可由处理器3105执行。在一些情况下，代码可以从存储单元3115中检索并存储在存储器3110中以准备供处理器3105访问。在一些情况下，可以不包括电子存储单元3115，并将机器可执行指令存储在存储器3110上。

可将代码预编译并配置用于与具有适于执行该代码的处理器的机器一起使用，或者可以在运行过程中对其进行编译。该代码可以以编程语言的形式提供，该编程语言可以被选择用于使得该代码能够以预编译或实时编译的方式执行。

本文提供的系统和方法的各方面，如计算机系统3101，可以以编程的形式体现。所述技术的各个方面可以被认为是“产品”或“制品”，一般呈机器(或处理器)可执行代码和/或携带或嵌入于某一类型的机器可读介质中的相关联数据的形式。机器可执行代码可以存储在电子存储单元上，如存储器(例如，只读存储器、随机存取存储器、快闪存储器)或硬盘上。“存储”型介质可以包括计算机、处理器等的任何或全部有形存储器或者与其相关联的模块，诸如可以随时为软件编程提供非暂时性存储的各种半导体存储器、磁带驱动器、磁盘驱动器等。全部软件或其一部分有时可以通过因特网或其他各种电信网络进行通信。这样的通信例如可以使得软件能够从一个计算机或处理器加载到另一个计算机或处理器，例如从管理服务器或主机计算机加载到应用程序服务器的计算机平台。因此，可以承载软件元件的另一类型的介质包括光波、电波和电磁波，诸如经由有线和光学陆线网络以及通过各种空中链路跨越本地装置之间的物理接口所使用。携带这样的波的物理元件(如有线或无线链路、光学链路等等)也可以被认为是承载所述软件的介质。如本文所使用，除非限于非暂时性的有形“存储”介质，否则诸如计算机或机器“可读介质”等术语是指参与向处理器提供指令以供执行的任何介质。

因此，机器可读介质(如计算机可执行代码)可以采取许多形式，其包括但不限于有形存储介质、载波介质或物理传输介质。非易失性存储介质包括例如光盘或磁盘，诸如任何(一个或多个)计算机等中的任何存储装置，诸如可用于实现附图中所示的数据库等的任何存储装置。易失性存储介质包括动态存储器，如这样的计算机平台的主存储器。有形传输介质包括同轴电缆；铜线和光纤，包括组成计算机系统内的总线的导线。载波传输介质可采取诸如在射频(RF)和红外(IR)数据通信期间所生成的电信号或电磁信号或者声波或光波的形式。因此，计算机可读介质的常见形式例如包括：软盘、柔性盘、硬盘、磁带、任何其他磁性介质、CD-ROM、DVD或DVD-ROM、任何其他光学介质、穿孔卡片纸带、具有孔洞图案的任何其他物理存储介质、RAM、ROM、PROM和EPROM、FLASH-EPROM、任何其他存储器芯片或盒、传送数据或指令的载波、传送这样的载波的电缆或链路，或者计算机可以从其中读取编程代码和/或数据的任何其他介质。许多这些形式的计算机可读介质可以参与将的一个或多个序列的一个或多个指令携带至处理器以供执行。

计算机系统3101可以包括电子显示器3135或与其通信，电子显示器3135包括用户界面(UI)3140，例如用于提供(a)由用户提供的用于维持细胞培养系统的一个或多个腔室内的温度、气体组合物、流体组合物、流体水平的输入，(b)由用户提供的用于使用细胞培养系统的一个或多个传感器一次或多次或者在特定时间测量一个或多个度量的输入，(c)当传感器未恰当校准时，当测量完成时，当供应物耗尽时(如培养基供应物或气体供应物)，或者其任意组合，在用户界面处向用户提供的提醒或警报或视觉指示器。UI的示例包括但不限于图形用户界面(GUI)和基于网络的用户界面。

本公开内容的方法和系统可以通过一个或多个算法来实现。算法可以通过软件在由中央处理器3105执行后来实现。该算法例如可以对由一个或多个传感器测量的度量与参照组的一个或多个参照度量进行比较，以分析包含于一个或多个腔室中的生物样品。

尽管本文已经示出并描述了本发明的优选实施方式，但对本领域技术人员而言显而易见的是这样的实施方式仅以示例的方式提供。这并不旨在本发明受限于本说明书中所提供的具体示例。虽然已经参照上述的说明书对本发明进行了描述，但并不意味着以限制的意义来解释对本文实施方式的描述和说明。在不脱离本发明的情况下，本领域技术人员现在将会想到许多变化、改变和替代。此外，应当理解，本发明的所有方面不限于本文所阐述的具体的描述、配置或相对比例，其依赖于各种条件和变量。应当理解，在实践本发明过程中，可以采用本文描述的本发明实施方式的各种替代方案。因此可以预期，本发明还应当涵盖任何这样的替代、改变、变化或等同物。以下权利要求旨在限定本发明的范围，从而涵盖这些权利要求的范围内的方法和结构及其等同物。

Claims (86)

1.一种细胞培养模块，包括：

包含多个腔室的阵列，所述多个腔室中的每个腔室均被配置用于容纳一个或多个细胞并且通过相应细胞引入通路可操作地耦合至相应细胞引入端口；以及

至少一个灌注通道，其流体耦合至所述多个腔室中的腔室。

2.根据权利要求1所述的细胞培养模块，其中所述腔室阵列为至少3个腔室。

3.根据权利要求1所述的细胞培养模块，其中所述多个腔室中每个腔室的容积至少约为4500立方微米(μm³)。

4.根据权利要求1所述的细胞培养模块，其中所述多个腔室和多个细胞引入通路至少部分地形成于所述细胞培养模块的整料衬底中。

5.根据权利要求1所述的细胞培养模块，还包括所述细胞培养模块的上部区域和下部区域，其中所述阵列形成于所述下部区域中，而多个细胞引入端口形成于所述上部区域中。

6.根据权利要求5所述的细胞培养模块，其中所述至少一个灌注通道是以堆叠阵列布置的多个灌注通道。

7.根据权利要求6所述的细胞培养模块，其中所述堆叠阵列形成于所述下部区域、所述上部区域或其组合中。

8.根据权利要求5所述的细胞培养模块，其中所述至少一个灌注通道大致绕所述下部区域与所述上部区域之间的交界而安设。

9.根据权利要求1所述的细胞培养模块，其中所述至少一个灌注通道与至少一个相关联的灌注端口流体耦合以形成导管，其中所述导管从所述至少一个相关联的灌注端口朝向与所述至少一个灌注通道流体耦合的腔室向下倾斜。

10.根据权利要求9所述的细胞培养模块，其中所述导管相对于所述腔室阵列的水平轴的角度约小于50度。

11.根据权利要求6所述的细胞培养模块，其中所述堆叠阵列中的一组所述多个灌注通道安设在相对于所述阵列的相同水平高度处，并且其中所述组流体耦合至共同的灌注端口。

12.根据前述权利要求中任一项所述的细胞培养模块，其中所述相应细胞引入通路包括狭缩部。

13.根据权利要求11所述的细胞培养模块，其中所述狭缩部相对于所述腔室阵列的水平轴横向定向。

14.根据权利要求11所述的细胞培养模块，其中所述狭缩部邻近所述多个腔室中的腔室的进口安设。

15.根据权利要求11所述的细胞培养模块，还包括可移动阻塞元件，所述可移动阻塞元件被配置成在所述狭缩部处可移动成阻塞配置，以防止细胞离开所述多个腔室中的腔室。

16.根据权利要求14所述的细胞培养模块，其中所述可移动阻塞元件被配置成可从所述阻塞配置移动成非阻塞配置。

17.根据权利要求14或权利要求15所述的细胞培养模块，其中所述可移动阻塞元件为珠粒。

18.根据权利要求16所述的细胞培养模块，其中所述珠粒向阻塞配置或非阻塞配置的移动通过重力、施加的磁场、施加的电场、施加的流体流动、机械力或其任意组合来引导。

19.根据权利要求14所述的细胞培养模块，还包括至少一个旁路通道，所述至少一个旁路通道将(a)所述多个腔室中的所述腔室流体耦合至所述相应细胞引入通路，将(b)所述多个腔室中的所述腔室流体耦合至所述至少一个灌注通道，或者(c)其组合。

20.根据权利要求18所述的细胞培养模块，其中当所述可移动阻塞元件处于所述阻塞配置时，所述至少一个旁路通道容许(a)所述多个腔室中的所述腔室与所述相应细胞引入通路或所述至少一个灌注通道之间的流体交换，(b)所述细胞的至少一部分从所述多个腔室中的所述腔室向所述相应细胞引入通路或所述至少一个灌注通道中长出，或者(c)其组合。

21.根据权利要求5所述的细胞培养模块，其中所述相应细胞引入端口的末端安设于所述细胞培养模块的上部区域的上表面处。

22.根据权利要求21所述的细胞培养模块，其中对于所述多个腔室中的每个腔室而言，从安设于所述上表面处的所述相应细胞引入端口的末端到相应腔室的底部内表面形成了线性视线。

23.根据权利要求1所述的细胞培养模块，还包括至少一个电极。

24.根据权利要求23所述的细胞培养模块，其中所述至少一个电极包括支撑部分和头部部分。

25.根据权利要求24所述的细胞培养模块，其中所述支撑部分可操作地耦合至外部电路。

26.根据权利要求24所述的细胞培养模块，其中所述头部部分包括比所述支撑部分具有更大横向宽度的圆形形状。

27.根据权利要求24所述的细胞培养模块，其中所述头部部分包括多个突起、多个凹口或其组合。

28.根据权利要求23所述的细胞培养模块，其中所述至少一个电极形成于所述细胞培养模块的衬底上，并且其中所述整料衬底包围所述衬底上的所述至少一个电极的至少一部分。

29.根据权利要求23所述的细胞培养模块，其中所述至少一个电极包括至少一个突起、至少一个凹口或其组合。

30.根据权利要求29所述的细胞培养模块，其中所述至少一个电极包括所述至少一个突起，并且其中所述至少一个突起为半球形突起。

31.根据权利要求29所述的细胞培养模块，其中所述至少一个电极包括所述至少一个凹口，并且其中所述至少一个凹口为半球形凹口。

32.根据权利要求29所述的细胞培养模块，其中所述至少一个电极包括至少约100个突起、至少约100个凹口或其任意组合。

33.根据权利要求29所述的细胞培养模块，其中所述至少一个电极包括的多个突起的表面密度至少约为0.05个突起每平方微米(pro/μm²)、可以包括的多个凹口的表面密度至少约为0.05个凹口每平方微米(rec/μm²)，或者其任意组合。

34.根据权利要求29所述的细胞培养模块，其中所述至少一个电极包括从约10纳米(nm)至约100nm的表面粗糙度。

35.根据权利要求29所述的细胞培养模块，其中所述至少一个电极的宽度为从约2微米(μm)至约20μm。

36.根据权利要求29所述的细胞培养模块，其中所述至少一个电极的形状为蘑菇形状。

37.根据权利要求1所述的细胞培养模块，还包括一个或多个传感器。

38.根据权利要求37所述的细胞培养模块，其中所述一个或多个传感器包括温度传感器、pH传感器、气体传感器、葡萄糖传感器、水平传感器或其任意组合。

39.根据权利要求38所述的细胞培养模块，其中所述气体传感器为O₂传感器、CO₂传感器或其组合。

40.根据权利要求37所述的细胞培养模块，其中所述一个或多个传感器包括光学传感器、电化学传感器、光电传感器、压电传感器、生物传感器或其任意组合。

41.根据权利要求37所述的细胞培养模块，其中所述多个腔室中的每个腔室均包括至少一个传感器。

42.根据权利要求37所述的细胞培养模块，还包括控制系统，用来指导所述一个或多个传感器对所述一个或多个传感器各自的度量作出一次或多次测量。

43.根据权利要求1所述的细胞培养模块，还包括至少一个光导，所述至少一个光导被配置用于将光从外部光源导向所述多个腔室中的所述腔室的一部分。

44.根据权利要求43所述的细胞培养模块，其中所述至少一个光导为多个光导，其中所述多个光导中的每一个被配置成单独地与所述多个腔室中的每一个相对应。

45.根据权利要求1所述的细胞培养模块，其中所述多个腔室中的腔室填充有至少两个细胞。

46.根据权利要求45所述的细胞培养模块，还包括屏障布置，所述屏障布置被配置用于将所述至少一个灌注通道与附加腔室隔开，所述附加腔室用于容纳至少两个细胞，其中所述屏障布置包括多个孔以选择性地容许部分在所述至少一个灌注通道与所述附加腔室之间经过。

47.根据权利要求46所述的细胞培养模块，其中所述屏障布置适于模拟血脑屏障布置。

48.根据权利要求46所述的细胞培养模块，其中所述多个孔的孔径约小于5微米(μm)。

49.根据权利要求46所述的细胞培养模块，其中所述多个孔的孔径约小于100纳米(nm)。

50.根据权利要求46所述的细胞培养模块，其中所述屏障布置的渗透性是基于大小的或基于电荷的。

51.根据权利要求46所述的细胞培养模块，其中所述部分为气体、趋化因子、细胞因子、小分子、蛋白质、核酸或其任意组合。

52.一种细胞培养系统，其包括权利要求1所述的细胞培养模块，所述细胞培养系统还包括：

至少一个温度传感器，其被配置用于感测所述细胞培养模块的至少一部分的温度；

至少一个加热元件，其被配置用于加热所述细胞培养模块的至少一部分；

流体递送系统，其被配置用于向所述细胞培养模块递送流体；以及

控制系统，其被配置用于控制所述加热元件、所述流体递送系统、所述至少一个温度传感器或其任意组合。

53.根据权利要求52所述的细胞培养系统，其中所述流体递送系统包括泵。

54.根据权利要求53所述的细胞培养系统，其中所述泵为正排量泵、脉冲泵、速度泵、重力泵、蒸汽泵或无阀泵。

55.根据权利要求52所述的细胞培养系统，还包括(a)基座单元，其被配置用于保留所述流体递送系统和所述控制系统；以及(b)接收区域，其安设于所述细胞培养模块上，用于将所述细胞培养模块可释放地固定至所述基座单元，并将所述细胞培养模块可操作地耦合至所述流体递送系统和所述控制系统。

56.根据权利要求52所述的细胞培养系统，其中所述控制系统将热量供应从所述至少一个加热元件引导至所述细胞培养模块，使得匹配设定温度。

57.根据权利要求56所述的细胞培养系统，其中所述设定温度由用户输入给所述控制系统。

58.一种用所述一个或多个细胞填充如权利要求15所述的细胞培养模块的方法，该方法包括：经由所述相应细胞引入通路将所述一个或多个细胞插入所述多个腔室中的每个腔室中。

59.根据权利要求58所述的方法，还包括：用所述可移动阻塞元件阻塞所述相应细胞引入通路。

60.一种用所述一个或多个细胞填充如权利要求23所述的细胞培养模块的方法，该方法包括：

对所述至少一个电极的表面的至少一部分进行修饰；以及

经由所述相应细胞引入通路将所述一个或多个细胞插入所述多个腔室中的每个腔室中，

其中所述一个或多个细胞接触所述至少一个电极的至少一部分。

61.根据权利要求60所述的方法，其中所述修饰包括将部分添加到所述表面的所述部分。

62.根据权利要求60所述的方法，其中所述修饰包括增加所述表面的所述部分上的表面粗糙度。

63.根据权利要求60所述的方法，其中所述修饰包括邻近所述表面的所述部分添加至少一个突起、至少一个凹口或其组合。

64.根据权利要求59所述的方法，还包括经由所述至少一个灌注通道将流体灌注至所述多个腔室中的腔室。

65.一种检查所述细胞培养模块的至少一个细胞的方法，所述细胞位于如权利要求22所述的多个腔室中的腔室中，该方法包括：使所述细胞采用显微镜经由所述细胞培养模块的所述上表面而可视化。

66.一种方法，包括：将化合物施加于包含在如权利要求1所述的细胞培养模块中的所述一个或多个细胞。

67.根据权利要求66所述的方法，还包括：将所述化合物添加至所述至少一个灌注通道和/或所述相应细胞引入通路。

68.根据权利要求67所述的方法，还包括：测量所述一个或多个细胞对所述化合物的反应。

69.根据权利要求68所述的方法，其中所述测量包括采用传感器来测量所述反应。

70.一种制造如权利要求1所述的细胞培养模块的方法，包括对所述细胞培养模块的至少一部分进行3D打印。

71.根据权利要求1所述的细胞培养模块，其中所述至少一个灌注通道被配置用于向所述腔室引入或从所述腔室去除流体。

72.根据权利要求71所述的细胞培养模块，其中所述流体包括气体、细胞培养基或其组合。

73.根据权利要求71所述的细胞培养模块，其中所述流体包含化合物。

74.根据权利要求1所述的细胞培养模块，其中所述一个或多个细胞包括从受试者分离的神经元。

75.根据权利要求1所述的细胞培养模块，其中所述一个或多个细胞获自脑组织、脊髓组织、脑脊液或其任意组合。

76.根据权利要求1所述的细胞培养模块，其中所述至少一个灌注通道包括约小于5微米(μm)的内部通道宽度。

77.根据权利要求1所述的细胞培养模块，其中所述至少一个灌注通道的内部通道宽度沿着其长度而变化。

78.根据权利要求1所述的细胞培养模块，其中所述相应细胞引入通路的内部宽度沿着其长度而变化。

79.根据权利要求78所述的细胞培养模块，其中所述可移动阻塞元件的宽度等于沿着所述相应细胞引入通路的长度的最小内部宽度。

80.根据权利要求1所述的细胞培养模块，其中所述至少一个灌注通道流体耦合至所述多个腔室中的每个腔室。

81.根据权利要求80所述的细胞培养模块，其中所述至少一个灌注通道包括多个流体分支。

82.根据权利要求1所述的细胞培养模块，其中所述细胞培养模块的外部长度和外部宽度约小于6英寸。

83.根据权利要求9所述的细胞培养模块，其中所述导管的长度约大于1毫米(mm)。

84.根据权利要求1所述的细胞培养模块，其中所述多个腔室中每个腔室的容积为从约0.5立方毫米(mm³)至约90mm³。

85.根据权利要求52所述的细胞培养系统，其中所述细胞培养系统经由通信介质传送从所述细胞培养模块获得的结果。

86.根据权利要求85所述的细胞培养系统，其中所述通信介质为个人计算机、蜂窝电话、平板装置或其组合。