CN112280678B - 一种可拆卸、可重复使用的疏水或超疏水微流控器官芯片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可拆卸、可重复使用的疏水或超疏水微流控器官芯片，利用低临界表面张力的疏水或超疏水表面构建微流控器官芯片，具体可构建心脏芯片、肝脏芯片、脑芯片、肿瘤芯片、肾脏芯片、肠道芯片、皮肤芯片、脂肪芯片、血管芯片、子宫芯片、眼睛芯片、鼻子芯片、骨芯片、牙周芯片、胰岛芯片、脾芯片、胎盘芯片、肺芯片、肌肉芯片、喉芯片、骨髓芯片、糖尿病芯片和多器官芯片。利用本发明构建的器官芯片可拆卸，可重复使用，从而大幅降低了微流控器官芯片的应用成本。

Description

一种可拆卸、可重复使用的疏水或超疏水微流控器官芯片

技术领域

本发明涉及微流控芯片技术领域，尤其涉及一种可拆卸、可重复使用的疏水或超疏水微流控器官芯片。

背景技术

微流控器官芯片是一种前沿的新兴技术，它指的是在一块微流控芯片内共培养多种哺乳动物细胞，控制细胞的三维空间排列，流体剪切力和信号分子浓度，模拟真实器官微环境，实现真实器官功能的技术。在2016年，世界达沃斯会议将其评选为世界“十大新兴技术”，被认为可以影响到未来人类的生活。

微流控器官芯片发展有近10年的时间，现阶段开始进入到产业化阶段，在中国已经开始有专门的微流控器官芯片公司开始器官芯片的产业化尝试。但相对于蓬勃的学术研究，微流控器官芯片产业发展仍然相对滞后，一个主要的问题就是传统微流控器官芯片主要基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）弹性材料，加工需要用到光刻技术其，程序复杂，过程冗长，而且PDMS芯片只能使用有限几次（绝大多数情形是一次使用），导致微流控器官芯片本身成本较高。

PDMS微流控器官芯片不耐用的主要原因为PDMS微流控器官芯片内的微通道和腔室是一个封闭的微米尺度的空间，加之PDMS表面吸附效应很严重，使用完一次后很难将里面包埋的细胞、三维胶等物质清洗干净，从而影响第二次的使用。

因此，目前微流控器官芯片领域亟需解决的两方面的问题主要有：一、将微流控芯片的基体扩展到其他成本更低，更易于加工的材料，譬如硬质的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）；二、发展可重复使用的器官芯片。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种可拆卸、可重复使用的疏水或超疏水微流控器官芯片，其中设有功能化表面，该功能化表面的特性是具有低粘附性，低表面能和疏水或超疏水性，借此可将器官芯片的材料从传统的较昂贵的PDMS扩展到多种成本更低的易于加工的硬质或弹性材料，并且大幅增加了微流控器官芯片的可重复使用的次数。

本发明的第一个目的是提供一种微流控器官芯片，包括基板，基板具有功能化表面，功能化表面的临界表面张力介于14-25达因/厘米，且与水的接触角介于110-180度。

本发明的功能化表面的特性是具有低粘附性低表面能和疏水或超疏水性，构造这种功能化表面的材料可以为聚六氟丙烯 、聚四氟乙烯、聚全氟乙丙烯、聚三氟乙烯、聚偏二氟乙烯、超疏水涂料、硅烷、金属、金属氧化物、金属无机盐、陶瓷、蜡、油或具有表面微纳米结构的材料。

进一步地，基板至少为两层，相邻两基板之间设有多孔膜，多孔膜与功能化表面紧密接触。

进一步地，多孔膜具有多个微孔，微孔的孔径为10μm以下。

进一步地，多孔膜的材质包括聚碳酸酯、聚二甲基硅氧烷、聚乙烯膜、PES(聚醚砜)、纤维素及其衍生物、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯PVDF、聚砜、聚丙烯腈、聚酰胺、聚砜酰胺、磺化聚砜、交链的聚乙烯醇、改性丙烯酸聚合物、聚四氟乙烯(PTFE)多孔薄膜、多孔聚氨酯薄膜、中空纤维超滤膜、quantifoil铜网多孔膜，quantifoil二氧化硅支持膜，quantifoil碳膜、多孔氧化铝膜或无机陶瓷膜。

进一步地，微流控器官芯片中培养的是器官相关细胞、组织和类器官中的一种或几种。

进一步地，微流控器官芯片中还储存有制氧剂，耗氧剂等其他辅助细胞培养的材料。

进一步地，基板的材质为硬质塑料、弹性塑料、玻璃、石英、硅、陶瓷或金属。

进一步地，硬质塑料包括但不限于聚甲基丙烯酸甲酯，聚碳酸酯，聚苯乙烯等材料。弹性塑料包括但不限于聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯、高密度聚乙烯、聚氯乙烯等材料。

作为本发明一种实施方式，微流控器官芯片包括依次紧贴设置的第一上层基板、第一多孔膜、第一中层基板、第二多孔膜和第一下层基板，第一上层基板的下表面、第一中层基板的上表面和下表面以及第一下层基板的上表面设有功能化表面，第一上层基板、第一下层基板分别设有流体通道，第一中层基板设有一个通孔或多个通孔，第一多孔膜和第二多孔膜覆盖至少一部分流体通道且覆盖全部的通孔，第一上层基板的流体通道和通孔通过第一多孔膜流体连通，第一下层基板的流体通道和通孔通过第二多孔膜相互流体连通，通孔、第一多孔膜和第二多孔膜组成细胞培养腔室。

进一步地，当第一中层基板设有多个通孔时，多个通孔可相互连通，或者其中的部分通孔相互连通，部分通孔与其他通孔相互隔绝。

作为本发明另一种实施方式，微流控器官芯片包括依次紧贴设置的第二上层基板、第三多孔膜和第二下层基板，第二上层基板的下表面以及第二下层基板的上表面设有功能化表面，第二上层基板、第二下层基板分别设有流体通道，第三多孔膜将第二上层基板和第二下层基板上的流体通道完全隔开，第三多孔膜的上、下表面分别作为细胞培养腔室。

本发明中，细胞培养腔室中培养的是器官相关细胞、细胞球、组织和类器官中的一种或几种，还可以为肿瘤细胞。它们可通过多孔膜和基板上的流体通道内的流体进行物质交换，这些连通腔室内的细胞、细胞球、组织或类器官也可相互通讯。

如无特殊说明，本发明中，流体通道内的流体包括气体和/或液体。液体可选择细胞培养液，含外源性化合物（譬如药物，毒物，高糖等）的细胞培养液等。气体可选择空气、氧气、二氧化碳和氮气中的一种或几种。流体的流速和压力可以变化或者恒定。流体通道可设计为任何形状，例如直线型，圆型，纺锤型等。

本发明的微流控器官芯片中培养的细胞、细胞球、组织、类器官的种类决定了其属于哪种器官芯片，当细胞为心脏相关细胞，包括心脏血管内皮细胞，心肌细胞，心脏成纤维细胞，巨噬细胞，神经细胞，免疫细胞时，组织为心肌组织时，细胞球为心脏细胞球，或类器官为心脏类器官时，该芯片即为一种可重复使用的心脏芯片。当细胞为肿瘤相关细胞，包括肿瘤血管内皮细胞，肿瘤细胞，成纤维细胞，免疫细胞时，组织为肿瘤组织时，细胞球为肿瘤细胞球，或类器官为肿瘤类器官时，该芯片即为一种可重复使用的肿瘤芯片。以此类推，本发明还提供了一系列可重复使用的肝脏芯片，脑芯片，肾脏芯片，肠道芯片，皮肤芯片，脂肪芯片，血管芯片，子宫芯片，眼睛芯片，鼻子芯片，骨芯片，牙周芯片，胰岛芯片，脾芯片，胎盘芯片，肺芯片，肌肉芯片，喉芯片和骨髓芯片，这些芯片都以疏水/超疏水表面为根本特征。

本发明所指的器官可以为动物或人的心脏、肝脏、肿瘤、皮肤、脑、肠、脂肪、血管、眼睛、鼻子、子宫、肾、牙周、脾、胰岛、肺、喉、肌肉、骨髓、胎盘、骨以及其他器官。

本发明的微流控器官芯片作为心脏器官芯片时，其中培养的心脏相关细胞包括心脏血管内皮细胞，心肌细胞，心脏成纤维细胞，巨噬细胞，神经细胞，免疫细胞，以及生长在心脏内的其他细胞种类。

作为肝脏芯片时，其中培养的肝脏相关细胞，包括肝血窦血管内皮细胞，肝星状细胞，枯否细胞，胆管内皮细胞，神经细胞，免疫细胞，肝实质细胞，以及生长在肝脏内的其他细胞种类。

作为脑芯片时，其中培养的脑相关细胞包括神经元，胶质细胞，成纤维细胞，免疫细胞，血管内皮细胞，以及生长在脑内的其他细胞种类。

作为肠道芯片时，其中培养的肠道相关细胞包括肠上皮细胞，血管内皮细胞，免疫细胞，以及生长在肠组织内的其他细胞种类。

作为脂肪芯片时，其中培养的脂肪相关细胞包括脂肪细胞，成纤维细胞，血管内皮细胞，以及生长在脂肪内的其他细胞种类。

作为皮肤芯片时，其中培养的皮肤相关细胞包括表皮细胞，血管内皮细胞，免疫细胞，真皮细胞，以及生长在皮肤组织内的其他细胞种类。

作为骨芯片时，其中培养的骨相关细胞包括成骨细胞，血管内皮细胞，破骨细胞，间充质基质细胞，造血干细胞，祖细胞，以及生长在骨内的其他细胞种类。

作为血管芯片时，其中培养的血管相关细胞包括血管内皮细胞，平滑肌细胞，免疫细胞，神经细胞等，以及生长在血管内的其他细胞种类。

作为肾脏芯片时，其中培养的肾脏相关细胞包括肾小球血管内皮细胞、肾小管上皮细胞、周细胞、管周血管内皮细胞、肾足细胞，以及其他生长在肾脏内的细胞。

作为子宫芯片时，其中培养的子宫相关细胞包括神经细胞，血管内皮细胞，子宫内膜细胞，以及生长在子宫内的其他细胞种类。

作为眼睛芯片时，其中培养的眼睛相关细胞包括神经细胞，血管内皮细胞，结膜上皮细胞，免疫细胞，以及生长在眼睛内的其他细胞种类。

作为鼻芯片时，其中培养的鼻相关细胞包括神经细胞，血管内皮细胞，免疫细胞，嗅觉系统细胞，以及生长在鼻内的其他细胞种类。

作为牙周芯片时，其中培养的牙周相关细胞包括血管内皮细胞，巨噬细胞，成骨细胞，破骨细胞、牙龈上皮细胞等，以及生长在牙周的其他细胞种类。

作为脾脏芯片时，其中培养的脾脏相关细胞，包括血管内皮细胞，脾细胞，各种免疫细胞，淋巴细胞，神经细胞，以及生长在脾脏内的其他细胞种类。

作为胰岛芯片时，其中培养的胰岛相关细胞包括血管内皮细胞，胰岛β细胞，胰岛α细胞，胰岛δ细胞，胰岛PP细胞，免疫细胞，神经细胞，以及生长在胰岛内的其他细胞种类。

作为肺芯片时，其中培养的肺相关细胞包括血管内皮细胞，肺泡上皮细胞，呼吸道上皮细胞，平滑肌细胞，神经细胞，免疫细胞，以及生长在肺内的其他细胞种类。

作为骨髓芯片时，其中培养的骨髓相关细胞包括间充质干细胞，红细胞，粒细胞，以及生长在骨髓内的其他细胞种类。

作为喉芯片时，其中培养的喉相关细胞包括血管内皮细胞，神经细胞，肌肉细胞，软骨细胞，以及生长在喉内的其他细胞种类。

作为胎盘芯片时，其中培养的胎盘相关细胞包括神经细胞，血管内皮细胞，滋养层细胞，上皮细胞，以及生长在胎盘内的其他细胞种类。

作为原代芯片时，其中培养的包括原代细胞，动物的原代细胞，人的细胞系，动物的细胞系，或干细胞转化的人源细胞，但不仅限于上述细胞来源。

作为肌肉芯片时，其中培养的肌肉相关细胞包括成纤维细胞，肌肉细胞，血管内皮细胞，神经细胞，以及生长在肌肉内的其他细胞种类。

作为肿瘤芯片时，其中培养的肿瘤相关细胞包括肿瘤血管内皮细胞，肿瘤细胞，成纤维细胞，免疫细胞，以及生长在肿瘤内的其他细胞种类。

微流控器官芯片中培养的组织包括心脏、肝脏、肿瘤、皮肤、脑、肠、脂肪、血管、眼睛、鼻子、子宫、肾、牙周、脾、胰岛、肺、喉、肌肉、骨髓、胎盘或骨等器官上分离出来的活体组织。

微流控器官芯片中培养的类器官包括心脏类器官、肝脏类器官、肿瘤类器官、皮肤类器官、脑类器官、肠类器官、脂肪类器官、血管类器官、眼睛类器官、鼻类器官、子宫类器官、肾类器官、脾类器官、胰岛类器官、肺类器官、骨髓类器官或胎盘类器官。

本发明微流控器官芯片中的细胞的培养方式可以为基质胶中的三维培养，培养液中的悬浮培养，球状培养，类器官培养或者贴壁的二维培养，但不仅限于上述培养方式。

根据肾单位的结构，本发明还提供了一种肾脏芯片，肾脏芯片包括第三上层基板和第三下层基板，第三上层基板和第三下层基板之间设有间隔设置的第四多孔膜和第五多孔膜，第三上层基板的下表面以及第三下层基板的上表面设有功能化表面，功能化表面的临界表面张力介于14-25达因/厘米，且与水的接触角介于110-180度，第三上层基板、第三下层基板分别设有流体通道，第四多孔膜和第五多孔膜将第三上层基板和第三下层基板上的流体通道完全隔开，第四多孔膜的上表面用于培养肾小球血管内皮细胞，第四多孔膜的下表面用于培养肾足细胞，第五多孔膜的上表面用于培养管周血管内皮细胞和/或周细胞，第五多孔膜的下表面用于培养肾小管上皮细胞。

本发明还提供了一种多器官联用芯片，多器官联用芯片包括至少2个本发明的上述微流控器官芯片，各微流控器官芯片中共用同一块基板。

本发明又提供了一种多器官联用芯片，以模拟人体，多器官联用芯片由至少2个单器官芯片通过流体管路偶联而成，至少一个单器官芯片为本发明的上述微流控器官芯片，每个单器官芯片设有至少一个流体进口和一个流体出口，沿流体管路的流体流动方向，前一个单器官芯片的一个流体出口连接后一个单器官芯片的一个流体进口，最后一个单器官芯片为肾脏芯片，肾脏芯片的一个流体出口连接第一个单器官芯片的流体进口，形成一个回路，回路中至少设置一个蠕动泵，以驱动流体在回路中循环流动，肾脏芯片还设有一代谢出口，代谢出口用于多器官联用芯片中代谢物的排泄。

本发明的微流控器官芯片可为单器官芯片，如心脏芯片，肝脏芯片，脑芯片，肿瘤芯片，肾脏芯片，肠道芯片，皮肤芯片，脂肪芯片，血管芯片，子宫芯片，眼睛芯片，鼻子芯片，骨芯片，牙周芯片，胰岛芯片，脾芯片，胎盘芯片，肺芯片，肌肉芯片，喉芯片或骨髓芯片，还可以为包含多个器官的人体芯片。

进一步地，单器官芯片的流体进口和流体出口的位置设置有取样孔，可以通过取样孔提取细胞培养液进行成分分析。

借由上述方案，本发明至少具有以下优点：

本发明提出用低表面能，低粘附性的疏水或超疏水界面构建可拆卸微流控器官芯片的新思路，将器官芯片的材料从传统的较昂贵的PDMS扩展到多种成本更低的易于加工的硬质或弹性材料，微流控器官芯片可以拆卸，简单清洗，再重复使用，大幅增加了微流控器官芯片的可重复使用的次数，并以此为基础提出了可重复性使用的多种器官芯片，从而大幅提高了微流控器官芯片的加工效率，大幅降低了微流控器官芯片的加工成本，并且推进了微流控器官芯片的标准化进程，进而助力微流控器官芯片的大规模产业化。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合详细附图说明如后。

附图说明

图1是本发明一种实施方式的微流控器官芯片结构示意图；

图2是本发明一种实施方式的微流控器官芯片结构示意图；

图3是本发明一种实施方式的肾脏芯片结构示意图；

图4是本发明一种实施方式的多器官联用芯片结构示意图；

图5是本发明一种实施方式的多器官联用芯片结构示意图；

图6是本发明一种心脏芯片的结构示意图以及加药组和对照组差异表达蛋白的火山图；

图7是本发明一种肝脏芯片的结构示意图；

图8是本发明一种脑芯片的零件图；

图9是本发明一种糖尿病芯片的零件图；

图10是本发明的牙周芯片、肠芯片、脂肪芯片、子宫芯片、眼芯片或骨芯片的零件图；

图11是本发明的一种肾芯片的零件图；

图12是本发明的皮肤芯片、血管芯片或鼻芯片的零件图；

图13是皮肤芯片上FITC透过率随时间的变化关系；

图14是实施例16中基于单器官芯片联用的可重复使用的多器官芯片的结构示意图；

图15是实施例17中基于单个芯片的可重复使用的多器官芯片的结构示意图；

附图标记说明：

100-第一上层基板；111-第一多孔膜；200-第一中层基板；222-第二多孔膜；300-第一下层基板；123-第一上层基板的下表面；124-第一中层基板的上表面；125-第一中层基板的下表面；126-第一下层基板的上表面；400-第二上层基板；333-第三多孔膜；500-第二下层基板；127-第二上层基板的下表面；128-第二下层基板的上表面；600-第三上层基板；700-第三下层基板；444-第四多孔膜；555-第五多孔膜；129-第三上层基板的下表面；130-第三下层基板的上表面；101-蠕动泵；102-流体进口；103-流体出口；104-注射泵；105-代谢出口；106-血管内皮细胞；107-细胞、细胞球、组织或类器官；108-多孔膜；109-功能化表面；110-储液池及蠕动泵；800-多器官联用芯片上层基板；900-多器官联用芯片中层基板；1000-多器官联用芯片下层基板；1310-多器官联用芯片上层基板的下表面；1320-多器官联用芯片中层基板的上表面；1330-多器官联用芯片中层基板的下表面；1340-多器官联用芯片下层基板的上表面；131-上层基板；101-芯片第一多孔膜；132-中层基板；102-芯片第二多孔膜；133-下层基板；210-上层基板下表面；211-中层基板上表面；212-中层基板下表面；213-下层基板上表面；2000-肝模块；3000-心脏模块；4000-肿瘤模块。

具体实施方式

下文中，功能化表面的临界表面张力介于14-25达因/厘米，且与水的接触角介于110-180度。功能化表面均位于基板上未设置流体通道或通孔的位置处。

如图1所示，其中（A）为立体的拆分状态示意图，（B）为剖视图，作为本发明一种实施方式，微流控器官芯片包括依次紧贴设置的第一上层基板100、第一多孔膜111、第一中层基板200、第二多孔膜222和第一下层基板300，第一上层基板的下表面123、第一中层基板的上表面124和第一中层基板的下表面125以及第一下层基板的上表面126设有功能化表面，第一上层基板100、第一下层基板300分别设有流体通道，第一中层基板200设有三个相互连通的通孔，第一多孔膜111和第二多孔膜222覆盖至少一部分流体通道且覆盖全部的通孔，第一上层基板100的流体通道和通孔通过第一多孔膜111流体连通，第一下层基板300的流体通道和通孔通过第二多孔膜222相互流体连通，通孔、第一多孔膜111和第二多孔膜222组成三个相互连通的细胞培养腔室a、b、c。

如图2所示，其中（A）为立体的拆分状态示意图，（B）为剖视图，作为本发明另一种实施方式，微流控器官芯片包括依次紧贴设置的第二上层基板400、第三多孔膜333和第二下层基板500，第二上层基板的下表面127以及第二下层基板的上表面128设有功能化表面，第二上层基板400、第二下层基板500分别设有流体通道，第三多孔膜333将第二上层基板400和第二下层基板500上的流体通道完全隔开，第三多孔膜333的上、下表面分别作为细胞培养腔室。

如图3所示，其中（A）为立体的拆分状态示意图，（B）为剖视图，根据肾单位的结构，本发明还提供了一种肾脏芯片，肾脏芯片包括第三上层基板600和第三下层基板700，第三上层基板600和第三下层基板700之间设有间隔设置的第四多孔膜444和第五多孔膜555，第三上层基板的下表面129以及第三下层基板的上表面130设有功能化表面，功能化表面的临界表面张力介于14-25达因/厘米，且与水的接触角介于110-180度，第三上层基板600、第三下层基板700分别设有流体通道，第四多孔膜444和第五多孔膜555将第三上层基板600和第三下层基板700上的流体通道完全隔开，第四多孔膜444的上表面用于培养肾小球血管内皮细胞，第四多孔膜444的下表面用于培养肾足细胞，第五多孔膜555的上表面用于培养管周血管内皮细胞和周细胞，第五多孔膜555的下表面用于培养肾小管上皮细胞。

如图4所示，本发明提供了一种多器官联用芯片，以模拟人体，多器官联用芯片由多个单器官芯片通过流体管路偶联而成，各单器官芯片为如图1所示的微流控器官芯片，每个单器官芯片设有至少一个流体进口102和一个流体出口103，沿流体管路的流体流动方向，前一个单器官芯片的一个流体出口103连接后一个单器官芯片的一个流体进口102，最后一个单器官芯片为肾脏芯片，肾脏芯片的一个流体出口103连接第一个单器官芯片的流体进口102，形成一个回路，回路中至少设置一个蠕动泵101，以驱动流体在回路中循环流动，各单器官芯片中的上层的多孔膜108中负载血管内皮细胞106，肾脏芯片还设有一代谢出口105，代谢出口105用于多器官联用芯片中代谢物的排泄。图4中箭头代表流体流动方向。

如图5所示，本发明还提供了另外一种多器官联用芯片，多器官联用芯片由多个图1所示的微流控器官芯片集成于同一芯片中得到，即各微流控器官芯片中的上层基板、中层基板以及下层基板分别连成一个整体。其中，流体通道1，2，3是联通的，处在同一个流体回路中，流体通道4，5，6是互不联通的，每个流体通道有自身独自的流体回路，腔室A，B，C，D、E、F等内培养细胞，细胞球，组织或者类器官。

下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1：一种基于疏水表面的可重复使用的心脏芯片

心脏是人体的供血器官，主要包含心肌细胞（Cardiomyocytes），心脏成纤维细胞（Fibroblast），血管内皮细胞（Endothelial cells）和巨噬细胞（Macrophage）。心脏芯片是心脏的一种体外模型，用于考察药物对心脏的毒性或者药效，在毒性或者药效评价实验中，往往需要测定不同种类细胞蛋白和基因的变化，传统心脏芯片为了仿生往往这几种细胞都是混合培养的，给药后，很难将这几种不同的细胞分离开，进行基因和蛋白的检测，因此本发明提出了一种特别适合蛋白组和基因组检测的心脏芯片。

如图6（A），（B）所示，心脏芯片由依次紧密贴合的上层基板131，芯片第一多孔膜101，中层基板132，芯片第二多孔膜102和下层基板133层叠而成，上层基板131具有流体通道结构，流体通道设计为纺锤型，中层基板132设置有三个通孔，这三个通孔相互连通，下层基板133具有流体通道结构，流体通道设计为纺锤型。上层基板下表面210镀有聚四氟乙烯，中层基板上表面211和中层基板下表面212都镀有聚四氟乙烯，下层基板上表面213镀有聚四氟乙烯。上述聚四氟乙烯的临界表面张力和与水的接触角分别为18达因/厘米和114度。芯片第一多孔膜101和芯片第二多孔膜102的位置覆盖住了中层基板上的三个通孔，因此这三个通孔和两个多孔膜组成了三个腔室a，b和c，芯片第一多孔膜101上培养心脏血管内皮细胞，三个腔室a，b和c内分别三维培养心肌细胞，心脏成纤维细胞和巨噬细胞，这三个腔室a，b和c内的细胞可以通过两个多孔膜和上层基板以及下层基板上流体通道内的流体进行物质和营养交换，保持其活性，这三个腔室也是互相连通的，里面的细胞可以相互通讯。

心脏芯片上、中、下三层基板均由聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）加工而成，上层基板下表面，中层基板上下表面和下层基板上表面都镀有一层聚四氟乙烯，但上层基板、下层基板上流体通道的内表面和中层基板上通孔的侧面仍然是略亲水的PMMA，当这三层硬质基板间隔着两张多孔膜被螺丝和螺母压合在一起的时候，由于多孔膜的间隔，上层基板下表面和中层基板上表面，以及中层基板下表面和下层基板上表面之间难于紧密贴合，但因为这些表面均是超疏水的，所以当往微通道内灌注细胞培养液时，细胞培养液只会在略亲水的PMMA通道中运输，而不会渗漏到上层基板下表面和中层基板上表面间，以及中层基板下表面和下层基板间的微小缝隙里，从而保证了心脏芯片实验可以顺利进行。如果上、中、下三层基板没有超疏水涂层，三者之间仅有多孔膜，则泄露很容易发生。当一次实验完成后，可以将螺丝螺母拧开，把上中下三块基板拆卸下来，用酒精棉轻微擦拭清洁，去除掉通道内和聚四氟乙烯表面上溅落的细胞培养液，细胞等，这三块基板即可被再利用，因为聚四氟乙烯表面的油水不粘，极易清洗的特性，这三块基板重复利用的次数可以超过200次。再考虑到PMMA材料本身极低的成本，因此该心脏芯片的制作成本极低，产业化前景看好。

在该心脏芯片中，四种心脏细胞虽说是分开培养的，但是培养液是连通的，这四种细胞仍然可以相互通讯，因此该心脏芯片仍然具有很好的仿生性，将药物通过流体通道加入心脏芯片中，药物就会与四种心脏细胞相互作用，作用完成后这四种细胞可以分别取出进行后续的蛋白组和基因组分析，从而更深层次的解析药物的毒性和药效。图6（C）是该心脏芯片中成纤维细胞在加某种药前后蛋白水平变化的火山图，可以看出加药后，成纤维细胞的蛋白组起了明显变化，说明这种药的心脏毒性中对成纤维细胞的毒性也占据一定的比重，该结论为这种药的心脏毒性机理深入研究提供了重要的线索。

实施例2：一种基于疏水表面的可重复使用的肝脏芯片

肝脏是体内最大的代谢器官，主要包含肝实质细胞（Hepatocytes），成纤维细胞（Fibroblasts），星状细胞（Stellate cells），肝血管内皮细胞（Endothelial cells），胆管上皮细胞（Biliary epithelial cells）和枯否细胞（Kuppfer Cells）等。肝脏芯片是肝脏的一种体外模型，用于考察药物在肝脏中的代谢，以及药物对肝脏的毒性，在代谢及毒性评价实验中，需要测定不同种类细胞在蛋白和基因水平的变化，传统肝脏芯片为了仿生性往往这几种细胞都是混合培养的，给药后，很难将这几种不同的细胞分离开，进行基因和蛋白的检测，因此本发明提出了一种特别适合蛋白组和基因组检测的肝脏芯片。

如图7（A），（B）所示，肝脏芯片由依次紧密贴合的上层基板131，芯片第一多孔膜101，中层基板132，芯片第二多孔膜102和下层基板133层叠而成，上层基板131具有流体通道结构，流体通道设计为纺锤型，中层基板132设置有两个通孔，这两个通孔相互连通，沿通孔的高度方向，其中一个通孔两端直径大，中间直径小，下层基板133具有流体通道结构，流体通道设计为纺锤型。上层基板下表面210镀有聚全氟乙丙烯，中层基板上表面211和中层基板下表面212都镀有聚全氟乙丙烯，下层基板上表面213镀有聚全氟乙丙烯。上述聚全氟乙丙烯的临界表面张力和与水的接触角分别为20达因/厘米和168.1度。芯片第一多孔膜101和芯片第二多孔膜102的位置覆盖住了中层基板上的两个通孔，因此这两个通孔和两个多孔膜组成了两个联通的腔室a和b，芯片第一多孔膜101上培养肝脏血管内皮细胞和枯否细胞，腔室a的上半部分培养三维培养肝星状细胞，下半部分培养三维培养肝实质细胞，腔室b内培养三维培养成纤维细胞，芯片第二多孔膜102上培养胆管上皮细胞，这两个腔室a和b内的三种细胞可以通过两多孔膜和上层基板以及下层基板上的流体通道内的流体进行物质和营养交换，保持其活性。

肝脏芯片的上、中、下三层基板由聚碳酸酯（PC）加工而成，上层基板下表面，中层基板上下表面和下层基板上表面都镀有一层聚全氟乙丙烯，但上下层基板上流体通道的内表面和中层基板上通孔的侧面仍然是略亲水的PC，当这三层硬质基板间隔着两张多孔膜被螺丝和螺母压合在一起的时候，由于多孔膜的间隔，上层基板下表面和中层基板上表面，以及中层基板下表面和下层基板上表面难于紧密贴合，但因为这些表面均是超疏水的，所以当往微通道内灌注细胞培养液时，细胞培养液只会在略亲水的PC通道中运输，而不会渗漏到上层基板下表面和中层基板上表面间，以及中层基板下表面和下层基板间的微小缝隙里，从而保证了肝脏芯片实验可以顺利进行。如果上、中、下三层基板没有超疏水涂层，三者之间仅有多孔膜，则泄露很容易发生。当一次实验完成后，可以将螺丝螺母拧开，把上中下三块基板拆卸下来，用酒精棉轻微擦拭清洁，去除掉通道内和聚全氟乙丙烯表面上溅落的细胞培养液，细胞等，这三块基板即可被再利用，因为聚全氟乙丙烯表面的油水不粘，极易清洗的特性，这三块基板重复利用的次数可以超过200次。再考虑到PC材料本身极低的成本，因此该肝脏芯片的制作成本极低，产业化前景看好。

在该肝脏芯片中，六种肝脏细胞虽说是分开培养的，但是培养液是连通的，这六种细胞仍然可以相互通讯，因此该肝脏芯片仍然具有很好的仿生性，将药物通过流体通道加入肝脏芯片，药物就会与六种肝脏细胞相互作用，作用完成后这六种细胞可以分别取出进行后续的蛋白组和基因组分析，从而更深层次的解析药物的代谢和毒性。利用该肝脏芯片中研究了星状细胞在加某种药前后蛋白水平聚类分析的结果，发现了加药前后星状细胞的蛋白表达都起了明显变化，说明这种药的肝脏毒性中对成纤维细胞的毒性也占据一定的比重，该结论为这种药的肝脏毒性机理深入研究提供了重要的线索。

实施例3：一种基于疏水表面的可重复使用的肿瘤芯片

肿瘤是人类的重大疾病之一，肿瘤组织主要包含肿瘤细胞（Cancer cells），成纤维细胞（Fibroblasts），血管内皮细胞（Endothelial cells）和免疫细胞（Immune cells）等。肿瘤芯片是肿瘤的一个体外模型，用于考察药物的抗肿瘤活性，在药效评价实验中，需要测定不同种类细胞在蛋白和基因水平的变化，传统肿瘤芯片为了仿生往往这几种细胞都是混合培养的，给药后，很难将这几种不同的细胞分离开，进行基因和蛋白的检测，因此本发明提出了一种特别适合蛋白组和基因组检测的肿瘤芯片。

该肿瘤芯片的结构与实施例1中的心脏芯片的结构相同，但是肿瘤芯片内培养的细胞有异，三个腔室a，b和c内分别三维培养肿瘤细胞，癌成纤维细胞和免疫细胞，芯片第一多孔膜101上培养肿瘤血管内皮细胞。且各基板表面的功能化表面的临界表面张力和与水的接触角分别为25达因/厘米和178度。由于芯片采用了本发明的疏水/超疏水表面技术，该肿瘤芯片可以反复使用多次。

在该肿瘤芯片中，四种肿瘤细胞虽说是分开培养的，但是培养液是连通的，这四种细胞仍然可以相互通讯，因此该肿瘤芯片仍然具有较好的仿生性，将药物通过流体通道加入肿瘤芯片，药物就会与四种肿瘤细胞相互作用，作用完成后这四种细胞可以分别取出进行后续的蛋白组和基因组分析，从而更深层次的解析药物的抗癌活性。

实施例4：一种基于疏水表面的可重复使用的脑芯片

脑是人体机能的指挥官，脑组织主要包含神经元（Neuron），星型胶质细胞（Astrocytes），脑血管内皮细胞（Endothelial cells），室管膜细胞（ Ependymal cells）小神经胶质细胞（Microglia），寡树突神经胶细胞（Oligodendrocytes）。脑芯片是脑的一种体外模型，用于考察药物的神经毒性或者药效，在毒性和药效评价实验中，需要测定不同种类细胞在蛋白和基因水平的变化，传统脑芯片为了仿生往往这几种细胞都是混合培养的，给药后，很难将这几种不同的细胞分离开，进行基因和蛋白的检测，因此本发明提出了一种特别适合蛋白组和基因组检测的脑芯片。

该脑芯片的基本结构与实施例1中的心脏芯片的结构相同，区别在于中层基板132上设有4个相互连通的通孔，这4个通孔形成的腔室a，b，c和d内分别三维培养神经元，星型胶质细胞，小神经胶质细胞和寡树突神经胶细胞，芯片第一多孔膜101上表面培养脑血管内皮细胞，下表面培养室管膜细胞。由于芯片采用了本发明的疏水/超疏水表面技术，该脑芯片可以反复使用多次，芯片的零件图见图8。

在该脑芯片中，六种细胞虽说是分开培养的，但是培养液是连通的，这六种细胞仍然可以相互通讯，因此该脑芯片仍然具有较好的仿生性，将药物通过流体通道加入脑芯片，药物就会与五种脑细胞相互作用，作用完成后这五种细胞可以分别取出进行后续的蛋白组和基因组分析，从而更深层次的解析药物的毒性和药效。

实施例5：一种基于疏水表面的可重复使用的糖尿病芯片

糖尿病是困扰现代人的一类大病，早期的研究认为糖尿病只跟胰岛功能受损有关系，后来的研究发现其实糖尿病跟肝脏，脂肪，肌肉，胰岛，心脏和肠关系密切，因此一个较好的糖尿病的体外模型，应该包含上述多种器官，而不是仅仅是胰岛，因此本发明提供了一种包含7种器官的先进糖尿病体外模型——糖尿病芯片。

该糖尿病芯片的基本结构与实施例1中的心脏芯片的结构相同，区别在于中层基板132上设有5个相互连通的通孔，这5个通孔形成的腔室a，b，c，d和e内分别三维培养胰岛β细胞，肝实质细胞，肌肉细胞，脂肪细胞和心肌细胞，芯片第一多孔膜101上表面培养血管内皮细胞模拟血管屏障，芯片第二多孔膜102上表面培养肠上皮细胞。且各基板表面的功能化表面的临界表面张力和与水的接触角分别为14达因/厘米和135度。由于芯片采用了本发明的疏水/超疏水表面技术，该糖尿病芯片可以反复使用多次，芯片的零件图见图9。

在使用时，首先在上层基板的流体通道内的培养液中加入高糖，破坏胰岛β细胞，并且与芯片中的其他细胞相互作用，形成糖尿病的病理环境，再加入能治疗糖尿病的药物，检测胰岛β细胞的恢复状况，同时也检测其他器官细胞加药前后的蛋白组和基因组变化，从而判断这种药的药效，并且深入分析其机理。

在该糖尿病芯片中，七种器官细胞是通过模拟的血流连通的，可以相互通讯，因此该糖尿病芯片具有很好的仿生性，而且该芯片既可以观察药物的药效，还可深入探讨药理，在糖尿病研究中，具有很大的潜力。

实施例6：一种基于疏水表面可重复使用的牙周芯片

牙周炎是一种常见病症，病人会觉得非常痛苦，现在牙周炎的体外模型只有beagle犬等动物模型，这极大的限制了牙周炎药物的发现。器官芯片的出现有可能会改变这一现状。本发明提供了一种能够模拟牙周炎的牙周芯片。

该牙周芯片的基本结构与实施例1中的心脏芯片的结构相同，区别在于中层基板132上仅设有1个通孔，这个通孔形成的腔室a的底部，即在芯片第二多孔膜102的上表面放一块骨片，骨片上培养成骨细胞和破骨细胞，芯片第一多孔膜101上表面培养血管内皮细胞和巨噬细胞，下表面培养牙龈上皮细胞，腔室a内充满LPS溶液或者牙周病人的牙龈积液。由于该牙周芯片采用了本发明的疏水/超疏水表面技术，该牙周芯片可以反复使用多次，芯片的零件图见图10。

在芯片模拟了牙周的组织结构和牙周炎的病理状态，在这种状态下，破骨细胞比成骨细胞占优势，会逐渐啃噬用以模拟牙槽骨的骨片，如果加入候选药物后，骨片停止消蚀或者复原，说明药物对于治疗牙周炎是有效的。

实施例7：一种基于疏水表面可重复使用的肾脏芯片

肾是人主要的消除器官，肾组织主要包含肾小球血管内皮细胞（Renal endothelial cells），肾足细胞（Podocytes），管周血管内皮细胞（Renal peritubular endothelial cells），肾小管上皮细胞（Renal tubular epithelial cells）和周细胞（Renal pericytes）等。肾芯片是肾的一种体外模型，用于考察药物的肾毒性或者药效，在毒性和药效评价实验中，需要测定不同种类细胞在蛋白和基因的变化，传统肾芯片为了仿生往往这几种细胞都是混合培养的，给药后，很难将这几种不同的细胞分离开，进行基因和蛋白的检测，因此本发明提出了一种特别适合蛋白组和基因组检测的肾脏芯片。

该肾脏芯片的设计如图3所示，肾脏芯片包括第三上层基板600和第三下层基板700，第三上层基板600和第三下层基板700的材质均为PMMA。第三上层基板600和第三下层基板700之间设有间隔设置的第四多孔膜444和第五多孔膜555，第四多孔膜444和第五多孔膜555为孔径为1微米的聚碳酸酯膜。第三上层基板的下表面129以及第三下层基板的上表面130设有聚四氟乙烯涂层，第三上层基板600、第三下层基板700分别设有流体通道，流体通道内流动细胞培养液。第四多孔膜444和第五多孔膜555将第三上层基板600和第三下层基板700上的流体通道完全隔开，第四多孔膜444的上表面培养肾小球血管内皮细胞，第四多孔膜444的下表面培养肾足细胞，第五多孔膜555的上表面用于培养管周血管内皮细胞和周细胞，第五多孔膜555的下表面培养肾小管上皮细胞。由于肾脏芯片采用了本发明的疏水/超疏水表面技术，该肾脏芯片可以反复使用多次，芯片的零件图见图11。

在该肾脏芯片中，五种细胞虽说是分开培养的，但是培养液是连通的，这五种细胞仍然可以相互通讯，将药物通过流体通道加入肾芯片，药物就会与五种脑细胞相互作用，作用完成后这五种细胞可以分别取出进行后续的蛋白组和基因组检测，从而更深层次的解析药物的肾毒性和药效。

实施例8：一种基于疏水表面可重复使用的肠芯片

肠是人主要的消化和吸收器官，肠组织主要包含肠上皮细胞（Intestine epithelial cells），血管内皮细胞（Endothelial cells），和巨噬细胞（Macrophage）等。肠芯片是肠的一种体外模型，用于考察药物或营养的吸收，以及肠道菌群的作用，传统的肠芯片多基于PDMS材料，是一次性的，而在本实施例中，肠芯片采用PC硬质塑料和超疏水器官芯片技术，可以实现肠芯片的重复使用。

该肠芯片的基本结构与实施例1中的心脏芯片的结构相同，区别在于中层基板132仅设有1个通孔，在芯片第一多孔膜101上表面培养血管内皮细胞，芯片第一多孔膜101下表面培养肠上皮细胞，芯片第二多孔膜102上表面培养肠上皮细胞，芯片第二多孔膜102的下表面培养血管内皮细胞，腔室a内充满模拟的肠液。芯片运行时，流体通道内施加周期性变化的压力，在该压力的作用下，多孔膜会周期性的震动，模拟肠道的蠕动。由于芯片采用了本发明的疏水/超疏水表面技术，该肠道芯片可以反复使用多次，芯片的零件图见图10。

在该肠芯片中，两种细胞虽说是分开培养的，但是培养液是连通的，这两种细胞仍然可以相互通讯，而且该芯片模拟了肠道的蠕动，有利于后续肠道菌群的接种。

实施例9：一种基于疏水表面可重复使用的皮肤芯片

皮肤是身体表面包在肌肉外面的组织，是人对外形象的重要组成部分之一，皮肤组织主要包含表皮细胞（Epidermal cells），真皮细胞（Dermal cells），血管内皮细胞（Endothelial cells）和巨噬细胞（Macrophages）等。皮肤芯片是皮肤的一种体外模型，用于考察化妆品的吸收，保健效果和毒性，传统的皮肤芯片多基于PDMS材料，是一次性的，成本高昂，本实施例中，芯片采用PMMA硬质塑料和超疏水器官芯片技术，可以实现皮肤芯片的重复使用。

该皮肤芯片的基本结构如图2所示，在第三多孔膜333上表面培养表皮细胞和真皮细胞，第三多孔膜333下表面培养血管内皮细胞和巨噬细胞，第二上层基板400的流体通道内流通空气，让表皮细胞分化，第二下层基板500的流体通道内流通细胞培养液，为第三多孔膜333上的细胞提供营养。由于皮肤芯片采用了本发明的疏水/超疏水表面技术，该皮肤芯片可以反复使用多次，芯片的零件图见图12，该皮肤芯片透过性的表征见图13，图中transwell为对照组。

该皮肤芯片制作简单，成本低廉，有望得到大规模使用。

实施例10：一种基于疏水表面可重复使用的脂肪芯片

人和动物体内的脂肪组织由脂肪细胞组成，它与肥胖症，糖尿病和一些心脑血管疾病有关，本发明提供一种脂肪芯片，由于采用PMMA硬质塑料和超疏水器官芯片技术，可以实现该脂肪芯片的重复使用。

该脂肪芯片的基本结构与实施例1中的心脏芯片的结构相同，区别在于中层基板仅设有1个通孔，在芯片第一多孔膜上表面培养血管内皮细胞，腔室a内悬浮培养脂肪细胞，芯片的零件图见图10。

将药物通过流体通道加入到脂肪芯片，药物就会穿过血管内皮细胞层进入腔室a与脂肪细胞相互作用，作用完成后这几种细胞可以分别取出进行后续的蛋白组和基因组检测，从而更深层次的解析药理和毒理。

实施例11：一种基于疏水表面可重复使用的血管芯片

血管是指血液流过的一系列管道，按构造和功能不同，分为动脉、静脉和毛细血管三种。心血管循环系统在维持人体内稳态方面起着至关重要的作用，是由动脉、静脉和毛细血管组成的封闭网路，这一网络使得血液在全身循环，进行气体交换和大规模营养输运，是维持器官活力的核心要素。血管芯片能够通过图案化模拟血管在体外的特性和功能，能够使多种血管在生理上互联，连接多个器官单位，用作更为完善的疾病模型药物筛选等平台的补充。在本实施例中，芯片采用PMMA硬质塑料和超疏水器官芯片技术，可以实现血管芯片的重复使用。

该血管芯片的基本结构如图2所示，在第三多孔膜上表面培养平滑肌细胞，第三多孔膜下表面培养血管内皮细胞和糖鄂，第二上层基板和第二下层基板的流体通道内流通细胞培养液，为第三多孔膜上的细胞提供营养。芯片的零件图见图12。

该血管芯片可以用以研究一些心血管疾病，以及进行心血管疾病的药物筛选。

实施例12：一种基于疏水表面可重复使用的子宫芯片

子宫是人类和其他大多数哺乳动物主要的分泌雌性激素及进行性生殖的器官。子宫的子宫壁由三层构成，分别为子宫内膜、子宫肌层和子宫外膜。子宫作为人体内专司生殖功能的重要器官，需要构建合理、有效的体外研究模型。子宫芯片能够在体外构建子宫体外培养系统，在受控的生理条件下同时分析基质蜕膜化和血管屏障形成等功能，也因此验证了其检查生理生殖过程的能力，有助于筛选可能影响生殖健康或改善生殖功能障碍的药剂或环境毒物。

该子宫芯片的基本结构与实施例1中的心脏芯片的结构相同，区别在于中层基板仅设有1个通孔，芯片第一多孔膜上表面培养血管内皮细胞，芯片第一多孔膜下表面培养子宫内膜细胞，腔室a内可培养胚胎，上层基板和下层基板通道内灌注细胞培养液。芯片零件图见图10。

在本实施例中，芯片采用PMMA硬质塑料和超疏水器官芯片技术，可以实现子宫芯片的重复使用，细胞或胚胎可以进行蛋白组和基因组的分析，从而更深层次的解析药物的毒性和药效。

实施例13：一种基于疏水表面可重复使用的眼芯片

眼睛是一种视觉系统的器官，也是人体的一个复杂的部件，能够提供视觉以及接受和处理视觉细节的能力，并实现独立于是觉得多种响应功能。人的眼睛近似球形，眼球包括眼球壁、内容物、神经、血管等组织。眼芯片能够在体外重现眼表和泪液系统，模拟炎症引起的眼表感染和水样干眼病，为眼表病理生理学研究及眼外用药筛选提供了一个新的平台。传统的眼芯片多基于玻璃或PDMS材料，是一次性的，成本高昂，本实施例中，芯片采用PMMA硬质塑料和超疏水器官芯片技术，可以实现重复使用。

该眼芯片的基本结构与实施例1中的心脏芯片的结构相同，区别在于中间层基板仅设有1个通孔，在芯片第一多孔膜上表面培养结膜细胞，腔室a内悬浮培养泪腺细胞球体，芯片的零件图见图10。

在该眼芯片中，两种细胞虽说是分开培养的，但培养液是连通的，这两种细胞仍然可以相互通讯。将外用药物加在结膜细胞层，药物就会与结膜细胞或泪腺细胞球体相互作用，作用完成后可以分别取出进行后续的蛋白组和基因组检测，从而更深层次的解析药物的毒性和药效。

实施例14：一种基于疏水表面可重复使用的鼻芯片

嗅觉系统是用于气味的感觉系统，大多数哺乳动物和爬行动物有一个主要的嗅觉系统和一个辅助的嗅觉系统。外周嗅觉系统主要由鼻孔、筛骨、鼻腔和嗅觉上皮组成。上皮组织层的主要成分是黏膜、嗅觉腺体、嗅觉神经元以及神经纤维的嗅神经。鼻芯片能够在体外模仿嗅觉系统，气味分子与表达嗅觉系统的细胞之间发生相互作用，通过荧光信号可以实时监测产生的气味分子。

该鼻芯片的基本结构见图2，在第三多孔膜上表面培养人皮肤上皮细胞，第三多孔膜下表面培养表达嗅觉系统的细胞hOR，第二上层基板的流体通道内流通含药物或者气味分子的空气，第二下层基板的流体通道内流通细胞培养液，为第三多孔膜上的细胞提供营养。由于芯片采用了本发明的疏水/超疏水表面技术，该鼻芯片可以反复使用多次，芯片的零件图见图12。

在该鼻芯片中，两种细胞虽说是分开培养的，但培养液是连通的，这两种细胞仍然可以相互通讯。将气态药物加入上层通道，药物就会与嗅觉系统细胞相互作用，作用完成后可以分别取出进行后续的蛋白组和基因组分析，从而更深层次的解析药物的毒性和药效。

实施例15：一种基于疏水表面可重复使用的骨芯片

骨是一种刚性器官，骨骼支持和保护身体的各种器官，产生红细胞和白细胞、存储矿物质，为身体提供结构支持。骨组织由不同类型的骨细胞构成，包括不活跃的成骨细胞和参与骨组织重吸收的破骨细胞，骨髓内也有造血干细胞。体外构建骨相关的器官模型对于骨骼肌动力学、骨细胞生长分化、细胞间通讯的生理机制研究、骨相关病理机制的研究以及药物活性评价至关重要。

该骨芯片的基本结构与实施例1中的心脏芯片的结构相同，区别在于中层基板仅设有1个通孔，这个通孔形成的腔室a底部，即芯片第二多孔膜表面放一块骨片，骨片上培养成骨细胞和破骨细胞，芯片第一多孔膜上表面培养血管内皮细胞和巨噬细胞，腔室a内培养间充质干细胞。由于芯片采用了本发明的疏水/超疏水表面技术，该骨芯片可以反复使用多次，骨芯片的零件图见图10。

该骨芯片模拟了成骨和破骨的生理平衡，如果加入外源性药物后，通过骨片的消蚀或者复原，判断该药物对骨的影响。

实施例16：一种基于单器官芯片联用的可重复使用的多器官芯片

人体内的组织、器官并不是孤立存在的，它们实际上处于一个高度整合的动态交互环境中，在这个环境中，组织或器官之间靠血液、神经和淋巴等循环相连，一个组织或器官的行为会影响其他组织或器官，它们相互制约，互相补充，形成一个有机整体，一个系统。微流控芯片所具有的流体驱动条件下多种单元操作灵活组合，整体可控和规模集成的特点使多器官芯片成为器官芯片系统层面的更高层次的目标。通过不同器官芯片的串联和并联，实现器官-器官间的相互作用，对于体外生理病理研究和药物活性及毒性评价至关重要。

如图14所示，该芯片是由单独的肠芯片，肝芯片，心脏芯片，肿瘤芯片，脑芯片和肾脏芯片组成，其中肠芯片、肝芯片依次连接，前一个单器官芯片的流体出口103连接后一个单器官芯片的流体进口102，肝芯片的流体出口103与储液池及蠕动泵110的入口连接，储液池及蠕动泵110的出口分别连接心脏芯片、肿瘤芯片、脑芯片的流体进口102，心脏芯片、肿瘤芯片、脑芯片的流体出口103均连接至另一储液池及蠕动泵110的入口，该储液池及蠕动泵110的出口连接肾脏芯片，肾脏芯片的流体出口103连接肠芯片的流体进口102，形成一个回路。其中肠芯片按照图2的结构设计，肝芯片按照图1的结构设计，不同之处在于，通孔的个数为1个，心脏芯片为实施例1中的心脏芯片，肿瘤芯片为实施例3中的肿瘤芯片，脑芯片按照图2的结构设计，肾脏芯片按照实施例7中的肾脏芯片进行结构设计，不同之处在于，该肾脏芯片上还设有一个代谢出口105。各单器官芯片中均具有负载血管内皮细胞106的多孔膜。各芯片与芯片之间通过管道相连，每个芯片都包含模拟血管，这些模拟血管相互连通，形成一个回路，回路上设有蠕动泵101，模拟真实的血液循环。此外有的器官芯片包含单独的营养供给系统，这些单器官芯片中也单独设置一个蠕动泵101。这些单器官芯片都使用到了本发明的疏水表面技术，可重复使用。药物从肠芯片加入，被肠细胞吸收，然后进入肝芯片，被代谢，代谢物和原药进入心脏芯片，然后分布在脑芯片和肿瘤芯片，产生药效和毒性，最后进入肾脏芯片，被排泄，从而完成了整个模拟的ADME过程。

该多器官芯片包括了药物ADME过程涉及到的主要器官，可以在体外模拟药物ADME的过程，从而实现对药物的药代动力学性质进行预测。

实施例17：一种基于单个芯片的可重复使用的多器官芯片

人体内的组织、器官并不是孤立存在的，它们实际上处于一个高度整合的动态交互环境中，在这个环境中，组织或器官之间靠血液、神经和淋巴等循环相连，一个组织或器官的行为会影响其他组织或器官，它们相互制约，互相补充，形成一个有机整体，一个系统。微流控芯片所具有的流体驱动条件下多种单元操作灵活组合，整体可控和规模集成的特点使多器官芯片成为器官芯片系统层面的更高层次的目标。通过不同器官芯片的串联和并联，实现器官-器官间的相互作用，对于体外生理病理研究和药物活性及毒性评价至关重要。

如图15所示，所有模拟的器官都集成在一块芯片内，包括依次设置的肝模块2000，心脏模块3000和肿瘤模块4000，三个模块均按照图1所示的结构进行设计，这三个模块的有一个公共的血液循环系统，每个模块又有自身的小循环系统，该芯片可以研究药物作用过程中肝，心和肿瘤的相互作用。

以上仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种微流控器官芯片，包括基板，其特征在于：所述基板具有功能化表面，所述功能化表面的临界表面张力介于14-25达因/厘米，且与水的接触角介于110-180度；所述基板的材质为硬质塑料、弹性塑料、玻璃、石英、硅、陶瓷或金属；构造所述功能化表面的材料为具有超疏水特性的材料，构造所述功能化表面的材料为聚六氟丙烯、聚四氟乙烯、聚全氟乙丙烯、聚三氟乙烯、聚偏二氟乙烯、超疏水涂料或硅烷；所述基板至少为两层，相邻两基板之间设有多孔膜，所述多孔膜与所述功能化表面紧密接触。

2.根据权利要求1所述的微流控器官芯片，其特征在于：所述多孔膜具有多个微孔，所述微孔的孔径为10μm以下。

3.根据权利要求1所述的微流控器官芯片，其特征在于：所述微流控器官芯片中培养的是细胞、细胞球、组织和类器官中的一种或几种。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的微流控器官芯片，其特征在于：包括依次紧贴设置的第一上层基板、第一多孔膜、第一中层基板、第二多孔膜和第一下层基板，所述第一上层基板的下表面、所述第一中层基板的上表面和下表面以及所述第一下层基板的上表面设有所述功能化表面，所述第一上层基板、第一下层基板分别设有流体通道，所述第一中层基板设有一个通孔或多个通孔，所述第一多孔膜和第二多孔膜覆盖至少一部分所述流体通道且覆盖全部的所述通孔，所述第一上层基板的流体通道和通孔通过所述第一多孔膜流体连通，所述第一下层基板的流体通道和通孔通过所述第二多孔膜相互流体连通，所述通孔、第一多孔膜和第二多孔膜组成细胞培养腔室。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的微流控器官芯片，其特征在于：包括依次紧贴设置的第二上层基板、第三多孔膜和第二下层基板，所述第二上层基板的下表面以及所述第二下层基板的上表面设有所述功能化表面，所述第二上层基板、第二下层基板分别设有流体通道，所述第三多孔膜将第二上层基板和第二下层基板上的流体通道完全隔开，所述第三多孔膜的上、下表面分别作为细胞培养腔室。

6.一种肾脏芯片，所述肾脏芯片包括权利要求1-3中任一项所述的微流控器官芯片，其特征在于：所述肾脏芯片包括第三上层基板和第三下层基板，所述第三上层基板和第三下层基板之间设有间隔设置的第四多孔膜和第五多孔膜，所述第三上层基板的下表面以及所述第三下层基板的上表面设有功能化表面，所述功能化表面的临界表面张力介于14-25达因/厘米，且与水的接触角介于110-180度，所述第三上层基板、第三下层基板分别设有流体通道，所述第四多孔膜和第五多孔膜将第三上层基板和第三下层基板上的流体通道完全隔开，所述第四多孔膜的上表面用于培养肾小球血管内皮细胞，所述第四多孔膜的下表面用于培养肾足细胞，所述第五多孔膜的上表面用于培养管周血管内皮细胞和/或周细胞，所述第五多孔膜的下表面用于培养肾小管上皮细胞。

7.一种多器官联用芯片，其特征在于：所述多器官联用芯片包括至少2个权利要求1-3中任一项所述的微流控器官芯片，各所述微流控器官芯片共用同一块基板。

8.一种多器官联用芯片，其特征在于：所述多器官联用芯片由至少2个单器官芯片通过流体管路偶联而成，至少一个单器官芯片为权利要求1-3中任一项所述的微流控器官芯片，每个单器官芯片设有至少一个流体进口和一个流体出口，沿所述流体管路的流体流动方向，前一个单器官芯片的一个流体出口连接后一个单器官芯片的一个流体进口，最后一个单器官芯片为肾脏芯片，所述肾脏芯片的一个流体出口连接第一个单器官芯片的流体进口，形成一个回路，所述回路中至少设置一个蠕动泵，以驱动流体在回路中循环流动，所述肾脏芯片还设有一代谢出口，所述代谢出口用于多器官联用芯片中代谢物的排泄。

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