CN113186162B - 一种结构仿生的三维活性类脑组织生物芯片 - Google Patents

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Abstract

一种结构仿生的三维活性类脑组织生物芯片，包括由单元体结构和连接通路结构构成的具有脑组织的神经回路仿生结构，单元体结构是各个子单元体结构的集合，子单元体结构对应模拟脑组织的不同特定功能脑区；连接通路结构是各子单元体结构之间特异性相互连接的通路结构，连接通路结构对应模拟各功能脑区之间信息流通路的神经回路连接路径；子单元体结构的细胞类型为需要构建的自然神经回路包含的不同功能脑区的细胞类型；各子单元体结构之间的空间位置关系为需要构建的自然神经回路包含的不同功能脑区之间的空间位置关系；本发明具有细胞‑单元‑通路三级特征，具有自然脑组织的多尺度特征，能够更好的模拟脑组织的结构和功能。

Description

一种结构仿生的三维活性类脑组织生物芯片
技术领域
本发明涉及一种脑组织生物芯片，具体涉及一种结构仿生的三维活性类脑组织生物芯片。
背景技术
脑科学的发展对人类社会具有重大意义，主要体现在认知、记忆等高级脑功能的生物学原理研究、脑疾病的诊断和防治、以及类脑智能的开发利用，尤其是脑疾病的诊断及防治是当前全人类面临的亟待攻克的重大挑战。脑科学研究中，可分为在体研究和离体研究两种手段，在体研究中，人作为研究对象的来源有限，且受伦理限制，而动物作为研究对象与人脑区别太大，因此越来越多的研究转向在体外研究，体外研究中最重要的环节是构建可模拟大脑组分、结构及功能的模型。
大脑被公认是已知的最为复杂的系统之一，在不同尺度上具有不同特点：宏观尺度上，大脑根据功能映射可划分为不同区域或核团，不同的区域或核团根据细胞或基质成分可划分为不同层；介观尺度上，各脑区内部和脑区之间的定向神经连接形成动态可塑性的神经回路是大脑正常运作的重要保障；微观尺度上，大脑具有上千亿个神经元，根据其电生理及形貌的不同又可划分为不同种类，仅海马体目前已明确的细胞种类就达122种。因此，一个理想的体外脑组织模型需充分考虑上述自然大脑的复杂多尺度特征。
宏观层面上，已有专利提出利用3D打印技术构建的分层梯度结构模型[CN201710286997.5]或构建具有类似细胞外基质的力学性能的水凝胶基质以适合神经细胞生长存活[CN201910302988.X]，这种类型的脑组织模型可以利用3D打印技术控制细胞、基质材料的空间分布，形成宏观结构上仿生的脑组织模型，具有通用性，可以用来对某一病变脑部位进行重新建模和药物效果检测，但缺点在于无法模拟脑组织中介观层面的复杂神经回路连接，而神经回路层面的病变被认为是导致脑疾病的重要原因。
微观层面上，研究的重点在于对血脑屏障选择通过性或大脑发育过程的建模。如：(1)利用多细胞微流控培养方法对神经元、星形胶质细胞、血管内皮细胞进行分区域共培养，不同种类的细胞之间通过贯通的微流道相互通讯，形成神经血管单元[CN201510023071.8]，但缺点是多为二维培养，难以复现自然脑组织的三维特性。(2)利用细胞的自组织特性将星形胶质细胞与血管内皮细胞共混在水凝胶基质中，使其自发生长形成神经血管单元结构[CN201810562096.9]，但难以实现大尺度血管化结构，且难以实现灌流培养。(3)利用Transwell薄膜分隔培养，利用薄膜将血管内皮细胞，周细胞，胶质细胞，神经元分层构建培养，形成多层血脑屏障[WO2017179375A1]，但往往只能实现两种细胞的共培养，且结构可控性差，无法复现自然脑组织的多细胞、三维复杂结构特征。
介观层面上，有人提出了一种利用芯片上构建基底神经节回路筛选多巴胺依赖性神经系统疾病药物的方法[US20190369089A1]，该方法采取基底神经节回路不同区域的细胞进行3D打印，且在细胞层之间打印磁性粒子修饰水凝胶层并通过磁力作用使不同神经元间产生定向连接，构建了基底神经节回路结构，但该模型没有考虑到血管化作用，且神经元的初始位置不可控，无法对神经网络结构-功能关系进行深入研究。
综上所述，现有的类脑组织模型存在以下缺点：
(1)无法同时在宏观脑区层面、介观神经回路层面、微观细胞分子层面实现多尺度脑组织的模拟，因而无法还原真实脑组织的结构和功能；
(2)现有技术往往局限于二维平面模型，与脑组织的三维特性相差较大，因此无法还原真实脑组织的微环境特征；
(3)现有技术无法实现具有包含可灌流且具有血脑屏障功能的血管通道的类脑组织构建，因此无法还原真实脑组织的传质及药物的选择透过性功能。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种结构仿生的三维活性类脑组织生物芯片，具有细胞-单元-通路三级特征，具有自然脑组织的多尺度特征，能够更好的模拟脑组织的结构和功能。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种结构仿生的三维活性类脑组织生物芯片，包括由单元体结构1和连接通路结构2构成的具有脑组织的神经回路仿生结构，单元体结构1是各个子单元体结构的集合，子单元体结构对应模拟脑组织的不同特定功能脑区；连接通路结构2是各子单元体结构之间特异性相互连接的通路结构，连接通路结构2对应模拟各功能脑区之间信息流通路的神经回路连接路径；子单元体结构的细胞类型为需要构建的自然神经回路包含的不同功能脑区的细胞类型；各子单元体结构之间的空间位置关系为需要构建的自然神经回路包含的不同功能脑区之间的空间位置关系；子单元体结构之间的连接通路结构2路径为需要构建的自然神经回路包含的不同功能脑区间的解剖学回路连接结构路径。
所述的单元体结构1由三维载胶质细胞基质3、神经元分层拓扑结构网络4、血管化微循环通道5、分层柔性阵列电极6构成；
三维载胶质细胞基质3是单元体结构1的载体，包含胶质细胞7和水凝胶基质，水凝胶基质支撑单元体结构1整体三维结构，并为单元结构体1内的细胞生长提供微环境；胶质细胞7为神经元类细胞8形态及功能成熟提供支持，并与其他细胞共同作用起到血脑屏障作用；
神经元分层拓扑结构网络4由神经元类细胞8构成并形成网络，通过同步神经电化学活动进行信息加工和传导；神经元分层拓扑结构网络4的网络节点是由神经元类细胞8构成的神经元球体9，因所包含神经元类细胞8的类型的不同称其为不同类型的神经元球体9，不同类型的神经元球体9沿竖直方向逐层叠加，在各层内，各同种类型的神经元球体9随着培养时间的延长自组织相互连接，形成拓扑结构网络，在各层间，不同类型的神经元球体9也随着培养时间的延长自组织相互连接，形成拓扑结构网络；神经元分层拓扑结构网络4整体嵌入在三维载胶质细胞基质3中；
血管化微循环通道5是三维分层分叉且互相贯通的中空双层同轴通道结构，为单元体结构1中的细胞传输营养物质、氧气、细胞因子，并排泄代谢废物；血管化微循环通道5的外层为周细胞10，内层为血管内皮细胞11，周细胞10、血管内皮细胞11与神经元类细胞8、胶质细胞7自组织形成神经血管单元结构12，起到血脑屏障作用；血管化微循环通道5整体嵌入三维载胶质细胞基质3中，并与神经元分层拓扑结构网络4在两者各层间隙中互相嵌套，不发生干涉；
分层柔性阵列电极6的作用是记录神经元的电活动信息，并对神经元进行可编程的模式刺激，分层柔性阵列电极6的各层为网状结构，网状结构的交叉点为电极位点，各层位于神经元分层拓扑结构网络4的各层的下方，并与血管化微循环通道5的各层不发生干涉。
所述的连接通路结构2根据研究对象特定功能脑区之间的相对位置关系和连接结构构建，作为轴突定向生长及神经传导的通路；两端分别与相连接的子单元体结构相接合，长度为500～1000μm；连接通路结构2只允许神经轴突延伸通过，并且根据真实信息流通路设计为单向连接或双向连接，即连接通道具有限定轴突定向、单向生长的能力。
所述的三维载胶质细胞基质3的几何构型为圆柱形，确保各子单元体结构与其向外延伸的通路连接结构2的接合面具备各向同性特征；胶质细胞7密度的范围为1×10^4/mL～1×10^8/mL，胶质细胞7的类型为星形胶质细胞、小胶质细胞，少突胶质中的一种或多种细胞的混合，细胞种类以及多种胶质细胞7之间的比例根据需要仿生的特定脑区的细胞组成和比例确定；基质刚度范围为0.3～27Kpa，孔隙直径范围为30～150μm，孔隙率范围为30％～60％，通过改变材料浓度和交联强度调节刚度、孔隙直径及孔隙率以适应不同细胞的不同生长需求及生物活性因子的扩散需求；基质材料为类细胞外基质的水凝胶材料，包括胶原、明胶、甲基丙烯酰化明胶、海藻酸钠、壳聚糖、基质胶、纤维蛋白、透明质酸、脱细胞外基质、蚕丝蛋白等。
所述的神经元分层拓扑结构网络4的层数为1～6层，层数及各层神经元球体9所包含的神经元类细胞8的类型根据需要仿生的特定脑区的解剖学层数特征及神经元类型特征确定，神经元类细胞8的类型包括诱导多能干细胞、神经干细胞、神经前体细胞、神经祖细胞、各种类型的原代神经元、类神经元细胞等；神经元球体9直径范围为30～100μm，每个神经元球体9包含的神经元类细胞8数量为1～50个，各层内神经元球体9中心点之间的距离范围为100～300μm，各层间的距离为500～1000μm；神经元球体9作为神经元分层拓扑结构网络4的节点，其数量N和神经元球体9之间的有向轴突连接边数M满足N-1≤M≤N2-N；构建不同网络基序作为神经元分层拓扑结构网络的基本单元，不同网络基序由不同几何构型及数量的神经元球体构成。
所述的血管化微循环通道5具有三维分层分叉且互相贯通的中空双层同轴通道结构特征，各个子单元体结构的血管化微循环通道5仅有一个子单元体入液口5-1和子单元体出液口5-2，通过外部连接管13将各子单元体结构的子单元体入液口5-1和其他子单元体出液口5-2相连接，连接方式为某子单元体结构的子单元体出液口5-2与至少一个其他的子单元体结构的子单元体入液口5-1相连接，最先连接子单元体入液口5-3及最后连接子单元体出液口5-4分别与外部灌流培养系统入液口14及外部灌流培养系统出液口15相连接，最终形成完整的闭环循环系统，并通过外部灌流培养系统对三维活性脑组织芯片进行灌流培养；各子单元体结构之间的连接顺序与需要仿生的自然神经回路组织的信息通路的上下游关系相同；血管化微循环通道5的各层沿水平方向具有分级分叉结构，并沿经过单元体结构几何中心的竖直剖面分为相互对称的两部分，通道的直径及分叉数符合墨里定律，分叉方向为由子单元体入液口5-1指向垂直剖面且直径逐级减小，由中间垂直剖面指向子单元体出液口5-2且直径逐级增大，通道直径范围为10μm～2mm，分叉角度范围为20°～80°。
所述的分层柔性阵列电极6包括基底层、绝缘层、电极层，分层柔性阵列电极6与外部具有记录和刺激功能的神经电生理设备接口16相连接；分层柔性阵列电极6的各层具有网状结构，层数与神经元分层拓扑结构网络的层数相同，各层与神经元分层拓扑结构网络的相应层之间的距离小于100μm，电极位点的几何构型为圆形，直径为10～20μm，厚度为1～5μm，电极位点的间距为500～2000μm，绝缘层厚度为20-50μm，各层整体厚度为50-200μm；基底材料为玻璃、硅、合成聚合物等；绝缘层材料为聚酰亚胺、聚碳酸酯、聚酯等；电极材料包括金、银、铜、铝、铱、铂、铂铱合金、铟锡氧化物、镍、镍铬合金、碳纳米管、石墨烯、金/银纳米线、导电聚合物等。
本发明芯片内部具有可灌流血管化微循环通道，解决类脑组织的传质问题。该芯片可根据不同的研究对象和研究需求构建芯片结构，并可在已构建的基础上扩展更多的脑功能单元，具有模块化、异质性、可扩展性、通用性。单元内部具有分层结构、可控的神经元位置分布、神经血管单元结构，区域间的连接回路具有轴突定向生长特点，并在芯片内部耦合多层网状电极，与外部电活动刺激或记录系统相连接。该生物芯片可作为检测、预判脑疾病的“试剂盒”，并可在添加外部环境刺激作用下作为研究认知、记忆等高级脑功能以及脑疾病病理药理特征和修复机制的体外研究平台。相比于现有的体外脑模型或脑芯片，本发明具有以下优点和效果：
(1)本发明提出了更符合自然脑组织的细胞-单元-通路的三维、多尺度特征，多细胞组分及细胞间相对关系的异质性特征，以及具有血脑屏障功能的血管通道特征，能够更好的模拟脑疾病的发生与演变，更好的评估药物的有效性。
(2)本发明提出了一种通用的、模块化的、差异性可调整的、可扩展的脑芯片构建方案，具有构建全脑尺度的脑芯片的可行性。
(3)本发明将活性神经网络系统和外部电气系统相耦合，可以实现高时空分辨率的神经活动记录和电刺激，通过对活性脑组织的培养可以对该芯片进行功能趋化，作为活性神经计算器件。
附图说明
图1为本发明的整体架构示意图。
图2为本发明与外部接口连接的三维轴测示意图。
图3为本发明两个子单元体结构及其通路连接结构的竖直方向内部剖面示意图。
图4为本发明血管化微循环通道的局部神经血管单元示意图。
图5为本发明各子单元结构体的血管化微循环通道之间的连接示意图。
图6为本发明子单元结构体的单层内部结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对比本发明做详细描述。
参照图1和图2，一种结构仿生的三维活性类脑组织生物芯片，包括由单元体结构1和连接通路结构2构成的具有脑组织的神经回路仿生结构，单元体结构1是各个子单元体结构的集合，子单元体结构对应模拟脑组织的不同特定功能脑区；连接通路结构2是各子单元体结构之间特异性相互连接的通路结构，连接通路结构2对应模拟各功能脑区之间信息流通路的神经回路连接路径；子单元体结构的数量为需要构建的自然神经回路包含的功能脑区的数量；子单元体结构的细胞类型为需要构建的自然神经回路包含的不同功能脑区的细胞类型，由不同功能脑区细胞类型构成的不同子单元体结构分别为子单元体结构A1-1、子单元体结构B1-2、子单元体结构C1-3、子单元体结构D1-4等；各子单元体结构之间的空间位置关系为需要构建的自然神经回路包含的不同功能脑区之间的空间位置关系；子单元体结构之间的连接通路结构2路径为需要构建的自然神经回路包含的不同功能脑区间的解剖学回路连接结构路径，能够在三维活性类脑组织芯片基础上扩展更多子单元体结构，及更大范围的连接通路结构，具有通用性、模块化、异质性和可扩展性。
参照图3，所述的单元体结构1由三维载胶质细胞基质3、神经元分层拓扑结构网络4、血管化微循环通道5、分层柔性阵列电极6构成；
三维载胶质细胞基质3是单元体结构1的载体，包含胶质细胞7和水凝胶基质，水凝胶基质的作用是支撑单元体结构1整体三维结构，并为单元结构体1内的细胞生长提供适宜的微环境；胶质细胞7的作用是为神经元类细胞8形态及功能成熟提供支持，并与其他细胞共同作用起到血脑屏障作用；
神经元分层拓扑结构网络4是单元体结构1的核心功能部件，由神经元类细胞8构成并形成网络，通过同步神经电化学活动进行信息加工和传导；神经元分层拓扑结构网络4的网络节点是由神经元类细胞8构成的神经元球体9，因所包含神经元类细胞8的类型的不同称其为不同类型的神经元球体9，不同类型的神经元球体9沿竖直方向逐层叠加，在各层内，各同种类型的神经元球体9随着培养时间的延长自组织相互连接，形成拓扑结构网络，在各层间，不同类型的神经元球体9也随着培养时间的延长自组织相互连接，形成拓扑结构网络；神经元分层拓扑结构网络4整体嵌入在三维载胶质细胞基质3中；
血管化微循环通道5是三维分层分叉且互相贯通的中空双层同轴通道结构，为单元体结构1中的细胞传输营养物质、氧气、细胞因子，并排泄代谢废物；参照图4，血管化微循环通道5的外层为周细胞10，内层为血管内皮细胞11，周细胞10、血管内皮细胞11与神经元类细胞8、胶质细胞7自组织形成神经血管单元结构12，起到血脑屏障作用；血管化微循环通道5整体嵌入三维载胶质细胞基质3中，并与神经元分层拓扑结构网络4在两者各层间隙中互相嵌套，不发生干涉；
分层柔性阵列电极6的作用是记录神经元的电活动信息，并对神经元进行可编程的模式刺激，分层柔性阵列电极6的各层为网状结构，网状结构的交叉点为电极位点，各层位于神经元分层拓扑结构网络4的各层的下方，并与血管化微循环通道5的各层不发生干涉。
参照图5，所述的连接通路结构2根据研究对象特定功能脑区之间的相对位置关系和连接结构构建，其作用是作为轴突定向生长及神经传导的通路；两端分别与相连接的子单元体结构相接合，长度为500～1000μm；连接通路结构2只允许神经轴突延伸通过，并且根据真实信息流通路设计为单向连接或双向连接，即连接通道具有限定轴突定向、单向生长的能力。
所述的三维载胶质细胞基质3的几何构型为圆柱形，确保各子单元体结构与其向外延伸的通路连接结构2的接合面具备各向同性特征；胶质细胞7密度的范围为1×10^4/mL～1×10^8/mL，胶质细胞7的类型为星形胶质细胞、小胶质细胞、少突胶质中的一种或多种细胞的混合，细胞种类以及多种胶质细胞7之间的比例根据需要仿生的特定脑区的细胞组成和比例确定；基质刚度范围为0.3～27kPa，孔隙直径范围为30～150μm，孔隙率范围为30％～60％，通过改变材料浓度和交联强度调节刚度、孔隙直径及孔隙率以适应不同细胞的不同生长需求及生物活性因子的扩散需求；基质材料为类细胞外基质的水凝胶材料，包括胶原、明胶、光固化明胶、海藻酸钠、壳聚糖、基质胶、纤维蛋白、透明质酸、脱细胞外基质、蚕丝蛋白等。
所述的神经元分层拓扑结构网络4的层数为1～6层，层数及各层神经元球体9所包含的神经元类细胞8的类型根据需要仿生的特定脑区的解剖学层数特征及神经元类型特征确定，神经元类细胞8的类型包括诱导多能干细胞、神经干细胞、神经前体细胞、神经祖细胞、各种类型的原代神经元、类神经元细胞等；神经元球体9直径范围为30μm～100μm，每个神经元球体9包含的神经元类细胞8数量为1～50个，各层内神经元球体9中心点之间的距离范围为100μm～300μm，各层间的距离为500～1000μm；神经元球体9作为神经元分层拓扑结构网络4的节点，其数量N和神经元球体9之间的有向轴突连接边数M满足N-1≤M≤N2-N；参照图3，可构建不同网络基序作为神经元分层拓扑结构网络的基本单元，不同网络基序是由不同几何构型及数量的神经元球体构成，如4节点基序9-1，3节点基序9-2等。
所述的血管化微循环通道5具有三维分层分叉且互相贯通的中空双层同轴通道结构特征，参照图5，各个子单元体结构的血管化微循环通道5仅有一个子单元体入液口5-1和子单元体出液口5-2，通过外部连接管13将各子单元体结构的子单元体入液口5-1和其他子单元体出液口5-2相连接，连接方式为某子单元体结构的子单元体出液口5-2与至少一个其他的子单元体结构的子单元体入液口5-1相连接，最先连接子单元体入液口5-3及最后连接子单元体出液口5-4分别与外部灌流培养系统入液口14及外部灌流培养系统出液口15相连接，最终形成完整的闭环循环系统，并通过外部灌流培养系统对三维活性脑组织芯片进行灌流培养；各子单元体结构之间的连接顺序与需要仿生的自然神经回路组织的信息通路的上下游关系相同；参照图6，血管化微循环通道5的各层沿水平方向具有分级分叉结构，并沿经过单元体结构几何中心的竖直剖面分为相互对称的两部分，通道的直径及分叉数符合墨里定律，分叉方向为由子单元体入液口5-1指向垂直剖面且直径依次逐级减小，由中间垂直剖面指向子单元体出液口5-2且直径逐级增大，通道直径范围为10μm～2mm，分叉角度范围为20°～80°。
参照图2、图3、图6，所述的分层柔性阵列6电极包括基底层、绝缘层、电极层，分层柔性阵列电极与外部具有记录和刺激功能的神经电生理设备接口16相连接；分层柔性阵列电极6的各层具有网状结构，层数与神经元分层拓扑结构网络的层数相同，各层与神经元分层拓扑结构网络的相应层之间的距离小于100μm，电极位点的几何构型为圆形，直径为10～20μm，厚度为1～5μm，电极位点的间距为500～2000μm，绝缘层厚度为20～50μm，各层整体厚度为50～200μm；基底材料为玻璃、硅、合成聚合物等；绝缘层材料为聚酰亚胺、聚碳酸酯、聚酯等；电极材料包括金、银、铜、铝、铱、铂、铂铱合金、铟锡氧化物、镍、镍铬合金、碳纳米管、石墨烯、金/银纳米线、导电聚合物等。
本发明的工作原理为：
通过构建各单元体结构1在宏观层面上模拟不同的功能脑区，通过通路连接体结构2在介观层面上模拟不同功能脑区之间的连接通路，通过单元体结构1内部的特异性细胞构筑在微观层面上模拟脑组织的细胞分子特征，实现多尺度、模块化、异质性类脑组织体外结构重建及功能重塑；
具体而言，通过三维载胶质基质3实现结构及细胞支持功能；通过神经元分层拓扑结构网络4实现单元体结构1内部神经网络的信息处理；通过血管化微循环通道5实现营养物质、氧气及细胞因子的传递和代谢废物的排泄，并实现血脑屏障功能；通过分层柔性阵列电极6实现神经元的信息记录及特异性刺激；通过通路连接结构2实现各子单元体结构间的神经信息处理；通过选择特异性的细胞及神经回路对象，该三维活性类脑组织生物芯片可作为检测、预判脑疾病的“试剂盒”，并可在添加外部环境刺激作用下研作为研究认知、记忆等高级脑功能以及脑疾病病理药理特征和修复机制的体外研究平台。
本发明芯片的功能用途包括但不限于：
(1)建立某种特定的脑疾病的体外病理药理研究模型，研究宏观、介观、微观尺度下的致病机理和药物疗效。如与亨廷顿氏病相关联的基底神经节回路，与阿尔兹海默症相关的海马-皮质回路等。
(2)研究神经网络的结构可塑性和功能可塑性，研究其在外部模式刺激下的神经计算、编码、解码模式，进而研究学习、记忆等脑高级功能的生物学机制以及神经网络在外部刺激下的损伤及修复机制。
(3)与外部电路信息处理模块相耦合，用于构建逻辑计算回路。利用活性神经元作为计算单元，设计特定回路结构，实现利用体外活性脑组织芯片对复杂问题的信息处理及计算加工。

Claims (5)

1.一种结构仿生的三维活性类脑组织生物芯片，其特征在于：包括由单元体结构（1）和连接通路结构（2）构成的具有脑组织的神经回路仿生结构，单元体结构（1）是各个子单元体结构的集合，子单元体结构对应模拟脑组织的不同特定功能脑区；连接通路结构（2）是各子单元体结构之间特异性相互连接的通路结构，连接通路结构（2）对应模拟各功能脑区之间信息流通路的神经回路连接路径；子单元体结构的细胞类型为需要构建的自然神经回路包含的不同功能脑区的细胞类型；各子单元体结构之间的空间位置关系为需要构建的自然神经回路包含的不同功能脑区之间的空间位置关系；子单元体结构之间的连接通路结构（2）路径为需要构建的自然神经回路包含的不同功能脑区间的解剖学回路连接结构路径；
所述的单元体结构（1）由三维载胶质细胞基质（3）、神经元分层拓扑结构网络（4）、血管化微循环通道（5）、分层柔性阵列电极（6）构成；
三维载胶质细胞基质（3）是单元体结构（1）的载体，包含胶质细胞（7）和水凝胶基质，水凝胶基质支撑单元体结构（1）整体三维结构，并为单元结构体（1）内的细胞生长提供微环境；胶质细胞（7）为神经元类细胞（8）形态及功能成熟提供支持，并与其他细胞共同作用起到血脑屏障作用；
神经元分层拓扑结构网络（4）由神经元类细胞（8）构成并形成网络，通过同步神经电化学活动进行信息加工和传导；神经元分层拓扑结构网络（4）的网络节点是由神经元类细胞（8）构成的神经元球体（9），因所包含神经元类细胞（8）的类型的不同称其为不同类型的神经元球体（9），不同类型的神经元球体（9）沿竖直方向逐层叠加，在各层内，各同种类型的神经元球体（9）随着培养时间自组织相互连接，形成拓扑结构网络，在各层间，不同类型的神经元球体（9）也随着培养时间自组织相互连接，形成拓扑结构网络；神经元分层拓扑结构网络（4）整体嵌入在三维载胶质细胞基质（3）中；
血管化微循环通道（5）是三维分层分叉且互相贯通的中空双层同轴通道结构，为单元体结构（1）中的细胞传输营养物质、氧气、细胞因子，并排泄代谢废物；血管化微循环通道（5）的外层为周细胞（10），内层为血管内皮细胞（11），周细胞（10）、血管内皮细胞（11）与神经元类细胞（8）、胶质细胞（7）自组织形成神经血管单元结构（12），起到血脑屏障作用；血管化微循环通道（5）整体嵌入三维载胶质细胞基质（3）中，并与神经元分层拓扑结构网络（4）在两者各层间隙中互相嵌套，不发生干涉；
分层柔性阵列电极（6）的作用是记录神经元的电活动信息，并对神经元进行可编程的模式刺激，分层柔性阵列电极（6）的各层为网状结构，网状结构的交叉点为电极位点，各层位于神经元分层拓扑结构网络（4）的各层的下方，并与血管化微循环通道（5）的各层不发生干涉；
所述的连接通路结构（2）根据研究对象特定功能脑区之间的相对位置关系和连接结构构建，作为轴突定向生长及神经传导的通路；两端分别与相连接的子单元体结构相接合，长度为500～1000μm；连接通路结构（2）只允许神经轴突延伸通过，并且根据真实信息流通路设计为单向连接或双向连接，即连接通道具有限定轴突定向、单向生长的能力。
2.根据权利要求1所述的一种结构仿生的三维活性类脑组织生物芯片，其特征在于：所述的三维载胶质细胞基质（3）的几何构型为圆柱形，确保各子单元体结构与其向外延伸的通路连接结构（2）的接合面具备各向同性特征；胶质细胞（7）密度的范围为1×10^4/mL～1×10^8/mL，胶质细胞（7）的类型为星形胶质细胞、小胶质细胞、少突胶质中的一种或多种细胞的混合，细胞种类以及多种胶质细胞（7）之间的比例根据需要仿生的特定脑区的细胞组成和比例确定；基质刚度范围为0.3～27kPa，孔隙直径范围为30～150μm，孔隙率范围为30%～60%，通过改变材料浓度和交联强度调节刚度、孔隙直径及孔隙率以适应不同细胞的不同生长需求及生物活性因子的扩散需求；基质材料为类细胞外基质的水凝胶材料，包括胶原、明胶、光固化明胶、海藻酸钠、壳聚糖、基质胶、纤维蛋白、透明质酸、脱细胞外基质、蚕丝蛋白。
3.根据权利要求1所述的一种结构仿生的三维活性类脑组织生物芯片，其特征在于：所述的神经元分层拓扑结构网络（4）的层数为1～6层，层数及各层神经元球体（9）所包含的神经元类细胞（8）的类型根据需要仿生的特定脑区的解剖学层数特征及神经元类型特征确定，神经元类细胞（8）的类型包括诱导多能干细胞、神经干细胞、神经前体细胞、神经祖细胞、各种类型的原代神经元、类神经元细胞；神经元球体（9）直径范围为30～100μm，每个神经元球体（9）包含的神经元类细胞（8）数量为1～50个，各层内神经元球体（9）中心点之间的距离范围为100～300μm，各层间的距离为500～1000μm；神经元球体（9）作为神经元分层拓扑结构网络（4）的节点，其数量N和神经元球体（9）之间的有向轴突连接边数M满足 N-1≤M≤N2-N；构建不同网络基序作为神经元分层拓扑结构网络的基本单元，不同网络基序是由不同几何构型及数量的神经元球体构成。
4.根据权利要求1所述的一种结构仿生的三维活性类脑组织生物芯片，其特征在于：所述的血管化微循环通道（5）具有三维分层分叉且互相贯通的中空双层同轴通道结构特征，各个子单元体结构的血管化微循环通道（5）仅有一个子单元体入液口（5-1）和子单元体出液口（5-2），通过外部连接管（13）将各子单元体结构的子单元体入液口（5-1）和其他子单元体出液口（5-2）相连接，连接方式为某子单元体结构的子单元体出液口（5-2）与至少一个其他的子单元体结构的子单元体入液口（5-1）相连接，最先连接子单元体入液口（5-3）及最后连接子单元体出液口（5-4）分别与外部灌流培养系统入液口（14）及外部灌流培养系统出液口（15）相连接，最终形成完整的闭环循环系统，并通过外部灌流培养系统对三维活性脑组织芯片进行灌流培养；各子单元体结构之间的连接顺序与需要仿生的自然神经回路组织的信息通路的上下游关系相同；血管化微循环通道（5）的各层沿水平方向具有分级分叉结构，并沿经过单元体结构几何中心的竖直剖面分为相互对称的两部分，通道的直径及分叉数符合墨里定律，分叉方向为由子单元体入液口（5-1）指向垂直剖面且直径依次逐级减小，由中间垂直剖面指向子单元体出液口（5-2）且直径逐级增大，通道直径范围为10μm～2mm，分叉角度范围为20°～80°。
5.根据权利要求1所述的一种结构仿生的三维活性类脑组织生物芯片，其特征在于：所述的分层柔性阵列电极（6）包括基底层、绝缘层、电极层，分层柔性阵列电极（6）与外部具有记录和刺激功能的神经电生理设备接口（16）相连接；分层柔性阵列电极（6）的各层具有网状结构，层数与神经元分层拓扑结构网络的层数相同，各层与神经元分层拓扑结构网络的相应层之间的距离小于100μm，电极位点的几何构型为圆形，直径为10～20μm，厚度为1～5μm，电极位点的间距为500～2000μm，绝缘层厚度为20μm-50μm，各层整体厚度为50μm-200μm；基底材料为玻璃、硅、合成聚合物；绝缘层材料为聚酰亚胺、聚碳酸酯、聚酯；电极材料包括金、银、铜、铝、铱、铂、铂铱合金、铟锡氧化物、镍、镍铬、碳纳米管、石墨烯、金/银纳米线、导电聚合物。
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