CN108660076A - 一种仿真肺芯片模型 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可进行模拟实验的仿真肺芯片模型，属于生物医学工程技术领域。包括基底层，其特征是在所述的基座层上面，依次设置相连接的气动层、培养液微腔层、微孔阵列薄膜层和气体循环微腔层：所述的气动层由气动微腔体以及气动微腔体内相连通的气动腔室构成；所述的培养液微腔层由柔性培养液微腔体及其内部相连通的培养液微腔室构成；所述的气体循环微腔层由气体循环微腔体及其内部向联通的气体循环微腔室构成；所述的微孔阵列薄膜层置于培养液微腔室和气体循环微腔室之间。具有方便操作使用，低成本高仿真度。

Description

一种仿真肺芯片模型
技术领域
本发明公开了一种可进行模拟实验的仿真肺芯片模型，属于生物医学工程技术领域。
背景技术
现有的肺部疾病模型大多为细胞模型或者动物模型，存在明显缺陷：肺部为气液双相交界状态，细胞模型均建立在液相之中，与肺部环境相差甚远；动物模型采用啮齿类动物，呼吸系统结构比人类复杂，吸入各种刺激因素多沉积在鼻甲及上呼吸道，不能进入肺部，无法有效模拟人类肺部感染后的病变。
在生物医学工程领域，已经有的肺芯片模型存在以下不足：不能模拟肺的呼吸运动节律对细胞周期性牵拉造成的影响；现有一维微流通道模型上细胞数量少，不能完全满足生物学实验要求，无法合理验证模型功能，不具备进一步研究肺炎、肺纤维化、肺癌等疾病的条件。
总之，目前的肺芯片模型尚不能满足在医学和生物医学工程领域的需要，急需一种低成本高仿真度的肺芯片模型。
发明内容
本发明的目的在于提供一种方便操作使用，低成本高仿真度的肺芯片模型。
本发明的技术方案表现为模拟呼吸运动的同时增加细胞量，满足生物学实验需要。
肺换气单元主要由四部分结构组成，上层为气体通道，中层为多孔结构薄膜，下层结构为液体通道。底层为气动层。
其特征主要在于：在二维网格设置用于气液双相共培养细胞的微流通道。单一通道的高度为10-300μm，宽100-1000μm，模拟体内的肺泡尺寸；
选用弹性多孔膜作为模拟呼吸膜的结构。例如聚二甲基硅氧烷(PDMS)；
立体式气动结构，将气动结构置于共培养通道的下方，增加单位面积内的有效的气液双相共培养面积。规律抽吸(16-18次/min)气动结构，带动中间多孔膜运动，模拟平静呼吸时的呼吸动作对肺泡的牵张；
配套可调控供气装置，提供不同气养比(通气/血流比值0.2～0.8)，不同气体成分(.5％CO2，20％O2，75％N2)，以模拟不同环境、条件下的致病机理或药物影响；
利用芯片立体结构，可实现在微流通道内金属薄膜电极的集成，从而实现例如TEER等生化测试。
一种仿真肺芯片模型，包括基底层，其特征是在所述的基座层上面，依次设置相连接的气动层、培养液微腔层、微孔阵列薄膜层和气体循环微腔层：
所述的气动层由气动微腔体以及气动微腔体内相连通的气动腔室构成；
所述的培养液微腔层由柔性培养液微腔体及其内部相连通的培养液微腔室构成；
所述的气体循环微腔层由气体循环微腔体及其内部向联通的气体循环微腔室构成；
所述的微孔阵列薄膜层置于培养液微腔室和气体循环微腔室之间。
本发明的仿真工作过程是：
1、在多孔薄膜结构与气体通道结合一侧进行肺上皮细胞的培养；在多孔薄膜与液体通道结合一次进行血管内皮细胞的培养。待两种细胞长满通道底面后，上层通入无菌空气，下层通入完全培养基；通过给予底层空心层规律抽吸，模拟呼吸运动引起的肺泡牵张，完成气液双相共培养，模拟正常肺组织的生物功能。
2、通过向上层气体通道内通入含有刺激物的气溶胶(香烟烟雾、屋尘螨等，此部分连接到上游肺通气通道)模拟肺部对外界刺激因素的反应；收集下层液体通道内的培养基，通过对其中细胞因子的测定评价炎症反应程度，判断气溶胶对肺屏障功能的影响。
3、刺激完成后，将通道内的细胞分别用胰蛋白酶洗脱下来，收集细胞进行蛋白印迹(westernblot)和聚合酶链式反应(PCR)测定，从蛋白和基因水平反应细胞功能变化。
4、改变共培养的细胞种类，可以实现对多种肺部疾病的模拟。将肺成纤维与血管内皮细胞共培养可以模拟肺纤维化；将癌细胞与血管内皮细胞共培养可以模拟肿瘤微环境对癌相关性新生血管的影响。
基于上述内容，本发明可以归纳出一种仿真肺芯片模型的运行控制方法，其特征是在所述的基座层上面，依次设置相连接的气动层、培养液微腔层、微孔阵列薄膜层和气体循环微腔层，所述的微孔阵列薄膜层置于培养液微腔室和气体循环微腔室之间；先模仿人体呼吸频率，向所述的气动层内注入和抽出适当压力的气体，由所述的气动层的气动微腔体内相连通的气动腔室，将压力传递作用到所述的培养液微腔层的柔性培养液微腔体及其内部相连通的培养液微腔室中，置于所述的培养液微腔室的微孔阵列薄膜层两侧的细胞处于高仿真生命状态；与此同时向所述的气体循环微腔层的气体循环微腔室内通入含有刺激物的气溶胶，模拟肺部对外界刺激因素的反应，然后收集下层液体通道内的培养基，通过对其中细胞因子的测定评价，判断该气溶胶对肺屏障功能的影响。
本发明的特点表现为以下几点：
a:在现有模型无法满足生物学研究的情况下，通过此模型实现对模型上细胞功能的验证；
b:由于模型本身具备相应的仿生结构,可以实现多种疾病的模拟。使生产效率最大化；
c.实现了二维模拟肺泡结构，从而增大细胞量以方便后续检测；
d.可集成金属电极设计，实现了对细胞层功能快速在线检测、监测；
e.实现了肺吸气和肺换气功能的集成，功能最大程度上实现了肺部全功能的仿真模拟。
附图说明
以下借助附图，对本发明作进一步披露。
附图1是本发明的结构分解图。
附图2是本发明的结构剖面图。
图中：1-基底层、2-气动层、3-培养液微腔层、4-微孔阵列薄膜层、5-气体循环微腔层、6-气动微腔体、7-气动腔室、8-柔性培养液微腔体、9-培养液微腔室、10-气体循环微腔体、11-气体循环微腔室。
具体实施方式
实施例参见说明书附图。
一种仿真肺心片模型，包括基底层1，其特征是在所述的基座层上面，依次设置相连接的气动层2、培养液微腔层3、微孔阵列薄膜层4和气体循环微腔层5：
所述的气动层由气动微腔体6以及气动微腔体内相连通的气动腔室7构成；
所述的培养液微腔层由柔性培养液微腔体8及其内部相连通的培养液微腔室9构成；
所述的气体循环微腔层由气体循环微腔体10及其内部向联通的气体循环微腔室11构成；
所述的微孔阵列薄膜层4置于培养液微腔室和气体循环微腔室之间。
所述的气动微腔体采用耐压的刚性材料，整体呈正六边形，六个边以及中间的支撑柱围成相连通的气动腔室，所述的气动腔室设置与外界向联通的管路；
所述的柔性培养液微腔体采用易于形变的材料，整体呈正六边形，六个边以及中间的支撑柱围成相连通的培养液微腔室，底部与所述的气动腔室接触；
所述的气体循环微腔体采用耐压的刚性材料，整体呈正六边形，六个边以及中间的支撑柱围成相连通的气体循环微腔室，所述的气体循环微腔室设置与外界向联通的循环管路；
所述的微孔阵列薄膜层置于培养液微腔室和气体循环微腔室之间，其两面分别直接与培养液微腔室和气体循环微腔室内的空间接触。
所述的气体循环微腔室单一通道的高度为10-300μm，宽100-1000μm，模拟人体内的肺泡尺寸。
所述的微孔阵列薄膜层选用弹性多孔膜聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
本实施例中各层间可以采用粘接的结构相连成一体，方便拆解考虑，也可以采用机械压合结构。

Claims (8)

1.一种仿真肺芯片模型，包括基底层，其特征是在所述的基座层上面，依次设置相连接的气动层、培养液微腔层、微孔阵列薄膜层和气体循环微腔层：
所述的气动层由气动微腔体以及气动微腔体内相连通的气动腔室构成；
所述的培养液微腔层由柔性培养液微腔体及其内部相连通的培养液微腔室构成；
所述的气体循环微腔层由气体循环微腔体及其内部向联通的气体循环微腔室构成；
所述的微孔阵列薄膜层置于培养液微腔室和气体循环微腔室之间。
2.根据权利要求1所述的仿真肺芯片模型，其特征是所述的气动微腔体采用耐压的刚性材料，整体呈正六边形，六个边以及中间的支撑柱围成相连通的气动腔室，所述的气动腔室设置与外界向联通的管路。
3.根据权利要求1所述的仿真肺芯片模型，其特征是所述的柔性培养液微腔体采用易于形变的材料，整体呈正六边形，六个边以及中间的支撑柱围成相连通的培养液微腔室，底部与所述的气动腔室接触。
4.根据权利要求1所述的仿真肺芯片模型，其特征是所述的气体循环微腔体采用耐压的刚性材料，整体呈正六边形，六个边以及中间的支撑柱围成相连通的气体循环微腔室，所述的气体循环微腔室设置与外界向联通的循环管路。
5.根据权利要求1所述的仿真肺芯片模型，其特征是所述的微孔阵列薄膜层置于培养液微腔室和气体循环微腔室之间，其两面分别直接与培养液微腔室和气体循环微腔室内的空间接触。
6.根据权利要求1所述的仿真肺芯片模型，其特征是所述的气体循环微腔室单一通道的高度为10-300μm，宽100-1000μm，模拟人体内的肺泡尺寸。
7.根据权利要求1所述的仿真肺芯片模型，其特征是所述的微孔阵列薄膜层选用弹性多孔膜聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
8.一种仿真肺芯片模型的运行控制方法，其特征是在所述的基座层上面，依次设置相连接的气动层、培养液微腔层、微孔阵列薄膜层和气体循环微腔层，所述的微孔阵列薄膜层置于培养液微腔室和气体循环微腔室之间；先模仿人体呼吸频率，向所述的气动层内注入和抽出适当压力的气体，由所述的气动层的气动微腔体内相连通的气动腔室，将压力传递作用到所述的培养液微腔层的柔性培养液微腔体及其内部相连通的培养液微腔室中，置于所述的培养液微腔室的微孔阵列薄膜层两侧的细胞处于高仿真生命状态；与此同时向所述的气体循环微腔层的气体循环微腔室内通入含有刺激物的气溶胶，模拟肺部对外界刺激因素的反应，然后收集下层液体通道内的培养基，通过对其中细胞因子的测定评价，判断该气溶胶对肺屏障功能的影响。
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