CN110408542A - 一种气液相培养的皮肤芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种气液相培养的皮肤芯片，包括上下依次设置的上层板、中层板、多孔膜、底板；上层板的底面设置有向上凹陷的气体通道，还包括开设在皮肤芯片上的气体入口、气体出口，且气体入口、气体出口分别通向气体通道的两端；中层板中设置有上下贯通的通槽，通槽位于气体通道下方；多孔膜位于通槽的下方且将通槽的底部覆盖；底板的上表面设置有向下凹陷的培养基通道，培养基通道位于通槽下方且通过多孔膜与通槽连通，还包括开设在皮肤芯片上的培养基入口、培养基出口，且培养基入口、培养基出口分别通向培养基通道的两端。本发明的优点在于：能够及时提供营养物质并去除代谢废物、无需频繁更换新鲜培养基、培养过程节省人力物力。
Description
技术领域
本发明涉及组织工程领域，具体涉及一种气液相培养的皮肤芯片。
背景技术
皮肤是人体最大的器官，作为生理屏障包裹着肌肉和骨骼，以保护体内的组织和器官。然而，皮肤经常暴露于诸多生化制剂(如：化妆品，皮肤洗涤剂等)、紫外线、病原体、环境污染物和微生物。这些因素的快速增加可引起各种皮肤反应，如皮肤炎症、刺激、过敏甚至皮肤癌。此外，由于受伤和疾病导致的皮肤功能和结构的极度丧失导致严重的生理失衡，可能进一步导致残疾甚至死亡。因此，体外构建仿生皮肤对皮肤疾病的诊断和治疗、提供可移植皮肤方面具有极为重要的意义。
由于动物的皮肤与人类皮肤存在巨大差异，如厚度，毛发密度以及附属物等方面，因此基于动物模型的研究是有局限性的。据统计，动物研究中看似安全有效的10种候选药物中有9种不能通过临床试验，动物研究通常无法预测人类的实际结果。此外，动物实验还具有伦理问题；因此，迫切需要建立尽可能仿生的人体皮肤的体外替代系统。自20世纪80年代初第一次报道人类皮肤样结构以来，已经开发出多种体外皮肤模型并且商业化。然而，已有的模型大多数基于成纤维细胞和角质形成细胞，采用的培养模式也多为静态培养系统。由于人类皮肤含有毛囊、免疫细胞、黑色素细胞、血管网络、神经纤维以及多层结构，因此，发展新颖有效的方法来构建体外仿生的皮肤芯片具有重要意义。
近年来，微流控技术与软刻蚀技术迅速发展，前者实现了物理、化学环境的精准操控，后者实现了各种复杂微结构的加工。基于这两大技术，多种器官芯片如皮肤芯片、肝芯片、肺芯片、肾芯片以及人体芯片等纷纷涌现。由于皮肤独特的功能和作用，皮肤芯片是重点研究的器官芯片之一。皮肤芯片能够弥补传统2D和3D细胞静态培养的缺陷，可用于药物安全性测试、物质毒性测试、研究病原体对皮肤的影响等等。
现有的含有细胞的皮肤组织培养都是静态培养，该培养模式不能及时提供营养物质并去除代谢废物，现有的皮肤组织培养需要频繁更换新鲜培养基，否则细胞会因为营养不够和毒素积累影响细胞存活，整个培养过程耗费人力物力。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：现有技术中皮肤组织培养不能及时提供营养物质并去除代谢废物、需要频繁更换新鲜培养基、以及培养过程耗费人力物力的技术问题。
本发明是通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种气液相培养的皮肤芯片，包括上下依次设置的上层板、中层板、多孔膜、底板；
所述上层板的底面设置有向上凹陷的气体通道，还包括开设在皮肤芯片上的气体入口、气体出口，且气体入口、气体出口分别通向气体通道的两端；
所述中层板中设置有上下贯通的通槽，所述通槽位于气体通道下方；
所述多孔膜位于通槽的下方且将通槽的底部覆盖；
所述底板的上表面设置有向下凹陷的培养基通道，所述培养基通道位于通槽下方且通过多孔膜与通槽连通，还包括开设在皮肤芯片上的培养基入口、培养基出口，且培养基入口、培养基出口分别通向培养基通道的两端。
本发明中的一种气液相培养的皮肤芯片在实际应用时，首先将中层板、多孔膜、底板依次排好，然后将皮肤组织放入通槽中，然后盖上上层板，并用螺丝将上层板、中层板、多孔膜、底板安装在一起，无菌空气从气体入口进入，流经通槽上方的气体通道，并从气体出口排出，培养基则从培养基入口进入，流经通槽下方的培养基通道，并透过多孔膜进入通槽中，同时皮肤组织代谢产生的废物也可通过多孔膜进入培养基通道被带走，最终培养基从培养基出口排出，通过此皮肤芯片进行皮肤组织的培养，无菌气体及培养基均为持续流动的，能够提供一种仿生微环境，使得皮肤组织在气液项环境下培养，有利于皮肤组织的角质层形成。该芯片能够提供一种流动的培养条件，能够实时自动地为皮肤组织提供营养物质并带走代谢废物。该芯片可以培养原代人皮肤细胞制作的皮肤组织，用于药物测试，不仅解决动物伦理问题，还能够解决动物与人的巨大差异，无需频繁更换新鲜培养基，培养过程节省人力物力，该芯片能够应用于药物测试，皮肤病模型的构建，为应用型研究和基础研究提供一个可靠的平台。
优化的，所述气体通道包括至少两条平行的通道，且所有通道的气体流向平行、流速相等。气体通道平行设置，且气体流向平行、流速相等，能够为皮肤组织培养提供稳定流畅的无菌气体环境。
优化的，所有通道均为直线型。气体在直线型的通道中流动较为顺畅，流动阻力较小。
优化的，所有通道的两端分别通向气体入口、气体出口，且从气体入口开始，至气体出口结束，气体流经所有通道的流程相等。气体从每一条通道中的流程相等，即从总的气体入口进气，则在每条通道中的流速相等，能够形成稳定、可靠的气体环境。
优化的，所述气体入口、气体出口开设在上层板上。将气体入口、气体出口开设在上层板，便于实际组织培养时的操作。
优化的，所述多孔膜为PS膜、PES膜、PVDF膜中的一种。PS膜、PES膜、PVDF膜能够确保培养基顺畅进入通槽，同时确保通槽中代谢产生的废物能够顺畅进入培养基通道中并顺利排出。
优化的，所述培养基通道包括至少两条平行的直线型通道，且所有通道的培养基流向平行、流速相等。直线型通道流动阻力较小，确保流动顺畅，培养基流向平行、流速相等，能够为组织培养提供稳定、可靠的培养环境，同时相邻两个通道之间的侧壁则能够为多孔膜提供支撑，防止多孔膜塌陷。
优化的，所有通道的两端分别通向培养基入口、培养基出口，且从培养基入口开始，至培养基出口结束，培养基经所有通道的流程相等。培养基从培养基入口进入，同时分支流向各个通道中，并最终汇聚到培养基出口，整个过程流动较为顺畅，流动速度相等，能够为组织培养提供稳定、可靠的培养环境。
优化的，所述通槽至少设置两个，且相邻两个通槽之间的侧壁垂直于相邻两个通道之间的侧壁。相邻两个通槽之间的侧壁与相邻两个通道之间的侧壁交叉设置，能够有效防止多孔膜塌陷以及鼓起。
优化的，所述培养基入口、培养基出口开设在上层板上，所述培养基通道的端部向上穿过中层板后分别与培养基入口、培养基出口连通。将培养基入口、培养基出口开设在上层板上，便于实际组织培养时的操作。
本发明的优点在于：
1.本发明中的一种气液相培养的皮肤芯片在实际应用时，首先将中层板、多孔膜、底板依次排好，然后将皮肤组织放入通槽中，然后盖上上层板，并用螺丝将上层板、中层板、多孔膜、底板安装在一起，无菌空气从气体入口进入，流经通槽上方的气体通道，并从气体出口排出，培养基则从培养基入口进入，流经通槽下方的培养基通道，并透过多孔膜进入通槽中，同时皮肤组织代谢产生的废物也可通过多孔膜进入培养基通道被带走，最终培养基从培养基出口排出，通过此皮肤芯片进行皮肤组织的培养，无菌气体及培养基均为持续流动的，能够提供一种仿生微环境，使得皮肤组织在气液项环境下培养，有利于皮肤组织的角质层形成。该芯片能够提供一种流动的培养条件，能够实时自动地为皮肤组织提供营养物质并带走代谢废物。该芯片可以培养原代人皮肤细胞制作的皮肤组织，用于药物测试，不仅解决动物伦理问题，还能够解决动物与人的巨大差异，无需频繁更换新鲜培养基，培养过程节省人力物力，该芯片能够应用于药物测试，皮肤病模型的构建，为应用型研究和基础研究提供一个可靠的平台。
2.气体通道平行设置，且气体流向平行、流速相等，能够为皮肤组织培养提供稳定流畅的无菌气体环境。
3.气体在直线型的通道中流动较为顺畅，流动阻力较小。
4.气体从每一条通道中的流程相等，即从总的气体入口进气，则在每条通道中的流速相等，能够形成稳定、可靠的气体环境。
5.将气体入口、气体出口开设在上层板，便于实际组织培养时的操作。
6.PS膜、PES膜、PVDF膜能够确保培养基顺畅进入通槽，同时确保通槽中代谢产生的废物能够顺畅进入培养基通道中并顺利排出。
7.直线型通道流动阻力较小，确保流动顺畅，培养基流向平行、流速相等，能够为组织培养提供稳定、可靠的培养环境，同时相邻两个通道之间的侧壁则能够为多孔膜提供支撑，防止多孔膜塌陷。
8.培养基从培养基入口进入，同时分支流向各个通道中，并最终汇聚到培养基出口，整个过程流动较为顺畅，流动速度相等，能够为组织培养提供稳定、可靠的培养环境。
9.相邻两个通槽之间的侧壁与相邻两个通道之间的侧壁交叉设置，能够有效防止多孔膜塌陷以及鼓起。
10.将培养基入口、培养基出口开设在上层板上，便于实际组织培养时的操作。
附图说明
图1为本发明实施例中一种气液相培养的皮肤芯片的爆炸图；
图2为本发明实施例中上层板的立体图；
图3为本发明实施例中上层板的俯视图；
图4为本发明实施例中上层板的仰视图；
图5为图4中A-A的剖视图；
图6为本发明实施例中中层板的俯视图；
图7为本发明实施例中底板的俯视图；
其中，
上层板-1、气体通道-11、气体入口-12、气体出口-13；
中层板-2、通槽-21；
多孔膜-3；
底板-4、培养基通道-41、培养基入口-42、培养基出口-43。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种气液相培养的皮肤芯片，包括上下依次设置的上层板1、中层板2、多孔膜3、底板4。
如图2-5所示，所述上层板1的底面设置有向上凹陷的气体通道11，还包括开设在皮肤芯片上的气体入口12、气体出口13，且气体入口12、气体出口13分别通向气体通道11的两端。
如图4所示，所述气体通道11包括至少两条平行的通道，本实施例中气体通道11包括八条，且所有通道的气体流向平行、流速相等，所有通道均为直线型，所有通道的两端分别通向气体入口12、气体出口13，且从气体入口12开始，至气体出口13结束，气体流经所有通道的流程相等，所述气体入口12、气体出口13开设在上层板1上，具体的，所述气体入口12、气体出口13均从上层板1的侧面打入，然后向下与气体通道11连通。
具体的，如图4所示，从气体入口12开始，按照树状图的模式，通道平均一分为二，形成一级分支；一级分支平均一分为二，形成二级分支；二级分支平均一分为二，形成三级分支，三级分支数量为八个，八个三级分支分别连通至对应的八个通道，八个通道与气体出口13的连接方式与此相同，这样就可以确保，从气体入口12开始，至气体出口13结束，气体流经所有通道的流程相等、流速相等。
如图1、6所示，所述中层板2中设置有上下贯通的通槽21，所述通槽21位于气体通道11下方，本实施例中所述通槽21为矩形，且通槽21设置四个，四个通槽21按照无菌气体流动的方向依次排列。
所述多孔膜3位于通槽21的下方且将通槽21的底部覆盖，所述多孔膜3为PS膜、PES膜、PVDF膜中的一种。
如图1、7所示，所述底板4的上表面设置有向下凹陷的培养基通道41，所述培养基通道41位于通槽21下方且通过多孔膜3与通槽21连通，还包括开设在皮肤芯片上的培养基入口42、培养基出口43，且培养基入口42、培养基出口43分别通向培养基通道41的两端。
如图1、7所示，所述培养基通道41包括至少两条平行的直线型通道，本实施例中所述培养基通道41包括八条平行的直线型通道，且所有通道的培养基流向平行、流速相等，所有通道的两端分别通向培养基入口42、培养基出口43，且从培养基入口42开始，至培养基出口43结束，培养基经所有通道的流程相等，本实施例中，从培养基入口42开始，按照树状图的模式，通道平均一分为二，形成一级分支；一级分支平均一分为二，形成二级分支；二级分支平均一分为二，形成三级分支，三级分支数量为八个，八个三级分支分别连通至对应的八个通道，八个通道与培养基出口43的连接方式与此相同，这样就可以确保，从培养基入口42开始，至培养基出口43结束，培养基流经所有通道的流程相等、流速相等，本实施例中相邻两个通槽21之间的侧壁垂直于相邻两个通道(培养基通道41的通道)之间的侧壁。
所述培养基入口42、培养基出口43开设在上层板1上，所述培养基通道41的端部向上穿过中层板2后分别与培养基入口42、培养基出口43连通，具体的，所述培养基入口42、培养基出口43均从上层板1的侧面打入，然后向下打通，并穿过中层板2后连通至培养基通道41。
本实施例中，所述上层板1、中层板2、底板4的长度均为65mm，宽度均为40mm；上层板1的厚度为7mm-9mm，本实施例中上层板1的厚度为7mm；所述中层板2的厚度为2mm-3mm，本实施例中中层板2的厚度为2mm；所述底板4的厚度为3mm-5mm，本实施例中底板4的厚度为4mm；气体通道11、培养基通道41的截面形状为矩形或者半圆形，且气体通道11、培养基通道41的宽度为1mm，深度为0.5mm，所述通槽21的长度、宽度分别为15mm、5.8mm；上述尺寸仅是本方案优选的尺寸，其具体尺寸根据实际需求而定，并不限于上述尺寸。
工作原理：
本发明中的一种气液相培养的皮肤芯片在实际应用时，首先将中层板2、多孔膜3、底板4依次排好，然后将皮肤组织放入通槽21中，然后盖上上层板1，并用螺丝将上层板1、中层板2、多孔膜3、底板4安装在一起，无菌空气从气体入口12进入，流经通槽21上方的气体通道11，并从气体出口13排出，培养基则从培养基入口42进入，流经通槽21下方的培养基通道41，并透过多孔膜3进入通槽21中，同时皮肤组织代谢产生的废物也可通过多孔膜3进入培养基通道41被带走，最终培养基从培养基出口43排出，通过此皮肤芯片进行皮肤组织的培养，无菌气体及培养基均为持续流动的，能够提供一种仿生微环境，使得皮肤组织在气液项环境下培养，有利于皮肤组织的角质层形成。该芯片能够提供一种流动的培养条件，能够实时自动地为皮肤组织提供营养物质并带走代谢废物。该芯片可以培养原代人皮肤细胞制作的皮肤组织，用于药物测试，不仅解决动物伦理问题，还能够解决动物与人的巨大差异，无需频繁更换新鲜培养基，培养过程节省人力物力，该芯片能够应用于药物测试，皮肤病模型的构建，为应用型研究和基础研究提供一个可靠的平台。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种气液相培养的皮肤芯片，其特征在于：包括上下依次设置的上层板(1)、中层板(2)、多孔膜(3)、底板(4)；
所述上层板(1)的底面设置有向上凹陷的气体通道(11)，还包括开设在皮肤芯片上的气体入口(12)、气体出口(13)，且气体入口(12)、气体出口(13)分别通向气体通道(11)的两端；
所述中层板(2)中设置有上下贯通的通槽(21)，所述通槽(21)位于气体通道(11)下方；
所述多孔膜(3)位于通槽(21)的下方且将通槽(21)的底部覆盖；
所述底板(4)的上表面设置有向下凹陷的培养基通道(41)，所述培养基通道(41)位于通槽(21)下方且通过多孔膜(3)与通槽(21)连通，还包括开设在皮肤芯片上的培养基入口(42)、培养基出口(43)，且培养基入口(42)、培养基出口(43)分别通向培养基通道(41)的两端。
2.根据权利要求1所述的一种气液相培养的皮肤芯片，其特征在于：所述气体通道(11)包括至少两条平行的通道，且所有通道的气体流向平行、流速相等。
3.根据权利要求2所述的一种气液相培养的皮肤芯片，其特征在于：所有通道均为直线型。
4.根据权利要求2或3所述的一种气液相培养的皮肤芯片，其特征在于：所有通道的两端分别通向气体入口(12)、气体出口(13)，且从气体入口(12)开始，至气体出口(13)结束，气体流经所有通道的流程相等。
5.根据权利要求1-3任一项所述的一种气液相培养的皮肤芯片，其特征在于：所述气体入口(12)、气体出口(13)开设在上层板(1)上。
6.根据权利要求1所述的一种气液相培养的皮肤芯片，其特征在于：所述多孔膜(3)为PS膜、PES膜、PVDF膜中的一种。
7.根据权利要求1所述的一种气液相培养的皮肤芯片，其特征在于：所述培养基通道(41)包括至少两条平行的直线型通道，且所有通道的培养基流向平行、流速相等。
8.根据权利要求7所述的一种气液相培养的皮肤芯片，其特征在于：所有通道的两端分别通向培养基入口(42)、培养基出口(43)，且从培养基入口(42)开始，至培养基出口(43)结束，培养基经所有通道的流程相等。
9.根据权利要求7或8所述的一种气液相培养的皮肤芯片，其特征在于：所述通槽(21)至少设置两个，且相邻两个通槽(21)之间的侧壁垂直于相邻两个通道之间的侧壁。
10.根据权利要求7或8所述的一种气液相培养的皮肤芯片，其特征在于：所述培养基入口(42)、培养基出口(43)开设在上层板(1)上，所述培养基通道(41)的端部向上穿过中层板(2)后分别与培养基入口(42)、培养基出口(43)连通。
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