CN110387327A - 一种三脉管肝小叶芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三脉管肝小叶芯片，包括上层板、中层板和下层板，所述上层板、中层板和下层板从上到下依次排列设置；所述上层板的下表面设有六根长度相同的第一流体微通道，所述上层板上还设有第一入口、第一通孔和第二通孔，所述中层板的下表面设有六根与第一流体微通道长度相同的第二流体微通道和六边形的细胞培养区，所述中层板上还设有第二入口、出口以及六个通槽。本发明的优点在于，该芯片能够在体外提供一个三脉管系统，模拟肝小叶动脉、肝小叶静脉和中央腔静脉，为肝细胞培养区提供物质浓度梯度，以模拟体内肝微环境，为以后体外肝模型、肝疾病模型的建立提供应用基础。
Description
技术领域
本发明涉及肝小叶芯片技术领域，具体为一种三脉管肝小叶芯片。
背景技术
肝小叶是肝脏的基本结构单元，典型的呈六边形，每个肝小叶都是双血管供应，肝动脉提供富含氧气的血液，肝静脉提供富含营养但是氧气含量较低，这两种血液在肝细胞之间的肝窦汇合，然后从中央腔静脉流出。肝动脉的高氧血与肝静脉的低氧血汇合并且产生氧浓度梯度，促使形成肝带状分区。肝分区的特征是沿着肝窦方向，肝细胞功能呈现区域变化。不论是在进食还是禁食期间，肝区域的异质性使肝脏在碳水化合物代谢过程中能够维持稳定的血糖水平。由于基因表达和微环境区域的差异，药物或毒素(如四氯化碳)的有害作用在肝脏上呈现区域特异性。氧气、激素、葡萄糖和细胞外基质的梯度被认为是形成异质区域的主要调控因子。
微工程相关技术的发展为创造体外模型开辟了全新的可能性，能够重建更复杂的3D体外模型并且整合重要的动态机械因素和一些化学因子。例如，把肝上皮细胞与微加工形成的血管网络整合到一起的肝模型，或者是整合有成纤维细胞层的肝模型。通过类似的方式，利用微加工技术来体外重建作为整个肝脏器官结构中起关键作用的物质浓度梯度以有利于形成肝分区，而在现有的体外微系统中并不能模拟体内的物质浓度梯度和提供三脉管系统。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：现有的体外微系统中不能模拟体内的物质浓度梯度和提供三脉管系统。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种三脉管肝小叶芯片，包括上层板、中层板和下层板，所述上层板、中层板和下层板从上到下依次排列设置。
所述上层板的下表面设有六根长度相同的第一流体微通道，所述上层板上还设有第一入口、第一通孔和第二通孔，所述第一流体微通道的输入端均连接至第一入口，所述第一流体微通道的输出端、第一通孔和第二通孔均连接至中层板。
所述中层板的下表面设有六根与第一流体微通道长度相同的第二流体微通道和六边形的细胞培养区，所述第二流体微通道的输出端连接至细胞培养区，所述中层板上还设有第二入口、出口以及六个通槽，所述第二入口的一端与第一通孔连通配合，另一端与第二流体微通道的输入端连接，所述出口的一端与第二通孔连通配合，另一端连接至细胞培养区，所述通槽的一端对应的与第一流体微通道的输出端连通，另一端连接至细胞培养区，实现在体外提供一个三脉管系统，并且提供物质浓度梯度，以模拟体内肝微环境，为以后体外肝模型、肝疾病模型的建立提供应用基础。
优选地，所述第一流体微通道模拟肝小叶动脉，所述第二流体微通道模拟肝小叶静脉，所述第二通孔模拟中央腔静脉，用来在体外实现三脉管系统。
优选地，所述第一流体微通道和第二流体微通道均对称式分布设计。
优选地，所述第一流体微通道和第二流体微通道的输出端均相互错开且均匀分布连接至细胞培养区。
优选地，所述第一流体微通道的深度小于上层板的厚度，所述第二流体微通道的深度小于中层板的厚度。
优选地，所述上层板、中层板和下层板的表面积均为20-40平方厘米。
优选地，所述上层板的厚度为7-9毫米，所述中层板和下层板的厚度均为2-4毫米。
优选地，所述上层板、中层板和下层板均为透明的有机玻璃板，实现可视化观察。
优选地，所述上层板、中层板和下层板之间通过螺丝固定连接。
优选地，所述上层板与中层板和中层板与下层板之间均通过硅胶膜进行密封处理，防止各层板之间出现缝隙使得培养基渗漏，
与现有技术相比，本发明的有益效果是：该芯片能够在体外提供一个三脉管系统，模拟肝小叶动脉、肝小叶静脉和中央腔静脉，为肝细胞培养区提供物质浓度梯度，以模拟体内肝微环境，为以后体外肝模型、肝疾病模型的建立提供应用基础。
附图说明
图1为本发明实施例一的一种三脉管肝小叶芯片的爆炸示意图；
图2为本发明实施例一上层板的主视图；
图3为本发明实施例一中层板的主视图；
图4为本发明实施例二的氧气浓度梯度分布图；
图5为本发明实施例二的葡萄糖浓度梯度分布图。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明技术方案，现结合说明书附图对本发明技术方案做进一步的说明。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
实施例一
参阅图1至图3，本实施例公开了一种三脉管肝小叶芯片，包括上层板1、中层板2和下层板3，所述上层板1、中层板2和下层板3从上到下依次排列设置，并通过螺丝(图中未示)固定连接，进一步的，所述上层板1与中层板2和中层板2与下层板3之间均通过硅胶膜进行密封处理，防止各层板之间出现缝隙使得培养基渗漏。
所述上层板1的下表面设有六根长度相同用于模拟肝小叶动脉的第一流体微通道11，所述上层板1上还设有第一入口12、第一通孔13和第二通孔14，所述第一流体微通道11的输入端均连接至第一入口12，所述第一流体微通道11的输出端、第一通孔13和第二通孔14均连接至中层板2。
所述中层板2的下表面设有六根与第一流体微通道11长度相同且用于模拟肝小叶静脉的第二流体微通道21和六边形的细胞培养区22，所述第二流体微通道21的输出端连接至细胞培养区22，所述中层板2上还设有第二入口23、出口24以及六个通槽25，所述第二入口23的一端与第一通孔13连通配合，另一端与第二流体微通道21的输入端连接，所述出口24的一端与第二通孔14连通配合，另一端连接至细胞培养区22，所述第二通孔14用于模拟中央腔静脉，所述通槽25的一端对应的与第一流体微通道11的输出端连通，另一端连接至细胞培养区22，将第一流体微通道11内的静脉培养基输入细胞培养区22内。
具体的，第一流体微通道11和第二流体微通道21的设计是根据基尔霍夫电流电阻定律设计的，通过上层板1的六个第一流体微通道11与中层板2的六个第二流体微通道21长度相同，从而保证流体阻力相同，因此，12根流体通道的流速比较均一，流阻也比较接近，这样就不会因为流体微通道阻力不同而导致培养基倾向于从某个或者某几个流出，从而保证六边形细胞培养区域周边的每个动静脉入口都有培养基流入，细胞区域的流速为较小，流体剪切力就会比较小，细胞在此区域培养，不会受到剪切力的损伤，同时还能够有充足的营养供给。
在本实施例中，所述第一流体微通道11和第二流体微通道21均对称式分布设计，但不仅限于此，可以根据实际需求来改变通道的排布形式；所述第一流体微通道11和第二流体微21通道的输出端均相互错开且均匀分布连接至细胞培养区22。
在本实施例中，所述第一流体微通道11的深度小于上层板1的厚度，所述第二流体微通道21的深度小于中层板2的厚度，所述上层板1、中层板2和下层板3的表面积均为20-40平方厘米，所述上层板1的厚度为7-9毫米，所述中层板2和下层板3的厚度均为2-4毫米；所述上层板1、中层板2和下层板3均为透明的有机玻璃板，能够可视化观察，在本实施例中，下层板3如果太薄，有机玻璃板容易变形，不利于液体密封；如果太厚，显微镜聚焦高度有限，不能实时观察，因此下层板3的厚度选为3mm。
在具体的操作过程中，动脉培养基从第一入口12引入第一流体微通道11内，再通过通槽25流入细胞培养区22，同时，静脉培养基从第一通孔13引入，再由第二入口23流入第二流体微通道21，最后流入细胞培养区22，这样，动脉培养基和静脉培养基在细胞培养区22内汇合，形成物质浓度梯度，最终从出口24引入第二通孔14流出。
通过上层板1、中层板2和下层板3的设置，使得该芯片能够在体外提供一个三脉管系统，模拟肝小叶动脉、肝小叶静脉和中央腔静脉，为肝细胞培养区提供物质浓度梯度，以模拟体内肝微环境，为以后体外肝模型、肝疾病模型的建立提供应用基础。
实施例二
采用实施例一提供的三脉管肝小叶芯片进行模拟体内肝微环境，提供氧气和葡萄糖的浓度梯度分布情况，具体过程为：
由于肝动脉富含血氧，在本实施例中把动脉培养基设为基设为高氧低糖培养基，其中氧气浓度设为0.2mol/m3，葡萄糖浓为1g/L，肝静脉是来自于消化道、脾脏等的富含营养的血液，把静脉培养基设为低氧高糖培养基，其中氧气浓度设为0.02mol/m3，葡萄糖浓为4g/L，把动静脉入口的流速均设为200μl/h，然后观察细胞培养区22内物质浓度随时间的变化情况。
参阅图4至图5，结果显示，不论是氧气还是葡萄糖均在细胞培养区22产生了明显的浓度梯度分布，由于氧气和葡萄糖均是培养基携带入细胞培养区22的，因此，最初氧气浓度和葡萄糖浓度均很低，没有浓度梯度存在，而在100s后，两者均形成的稳定的浓度梯度，就像肝窦上存在的肝分区一样，因此，该肝小叶芯片能够提供一个模拟体内肝微环境的细胞生长条件，可以为体外肝模型、肝疾病模型的建立提供应用基础。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
以上所述实施例仅表示发明的实施方式，本发明的保护范围不仅局限于上述实施例，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明保护范围。
Claims (10)
1.一种三脉管肝小叶芯片，其特征在于：包括上层板、中层板和下层板，所述上层板、中层板和下层板从上到下依次排列设置；
所述上层板的下表面设有六根长度相同的第一流体微通道，所述上层板上还设有第一入口、第一通孔和第二通孔，所述第一流体微通道的输入端均连接至第一入口，所述第一流体微通道的输出端、第一通孔和第二通孔均连接至中层板；
所述中层板的下表面设有六根与第一流体微通道长度相同的第二流体微通道和六边形的细胞培养区，所述第二流体微通道的输出端连接至细胞培养区，所述中层板上还设有第二入口、出口以及六个通槽，所述第二入口的一端与第一通孔连通配合，另一端与第二流体微通道的输入端连接，所述出口的一端与第二通孔连通配合，另一端连接至细胞培养区，所述通槽的一端对应的与第一流体微通道的输出端连通，另一端连接至细胞培养区。
2.根据权利要求1所述的一种三脉管肝小叶芯片，其特征在于：所述第一流体微通道模拟肝小叶动脉，所述第二流体微通道模拟肝小叶静脉，所述第二通孔模拟中央腔静脉。
3.根据权利要求1所述的一种三脉管肝小叶芯片，其特征在于：所述第一流体微通道和第二流体微通道均对称式分布设计。
4.根据权利要求1所述的一种三脉管肝小叶芯片，其特征在于：所述第一流体微通道和第二流体微通道的输出端均相互错开且均匀分布连接至细胞培养区。
5.根据权利要求1所述的一种三脉管肝小叶芯片，其特征在于：所述第一流体微通道的深度小于上层板的厚度，所述第二流体微通道的深度小于中层板的厚度。
6.根据权利要求1所述的一种三脉管肝小叶芯片，其特征在于：所述上层板、中层板和下层板的表面积均为20-40平方厘米。
7.根据权利要求1所述的一种三脉管肝小叶芯片，其特征在于：所述上层板的厚度为7-9毫米，所述中层板和下层板的厚度均为2-4毫米。
8.根据权利要求1所述的一种三脉管肝小叶芯片，其特征在于：所述上层板、中层板和下层板均为透明的有机玻璃板。
9.根据权利要求1所述的一种三脉管肝小叶芯片，其特征在于：所述上层板、中层板和下层板之间通过螺丝固定连接。
10.根据权利要求9所述的一种三脉管肝小叶芯片，其特征在于：所述上层板与中层板和中层板与下层板之间均通过硅胶膜进行密封处理。
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2019
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