CN114854584A - 一种多层结构的器官芯片 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多层结构的器官芯片，包括从上至下依次层叠设置的上流道层、上多孔膜层、组织层、下多孔膜层以及下流道层，上流道层包括第一灌注口、第二灌注口、第一上流道口和第二上流道口；含有细胞的水凝胶通过第一灌注口或第二灌注口灌注到第一灌注通道或第二灌注通道内，在上多孔膜层以及下多孔膜层的阻挡下，含有细胞的水凝胶对组织腔室进行填充动作；而后利用第一上流道口、第二上流道口注入细胞培养液，分别通过第一多孔膜和第二多孔膜渗透到组织腔室中以培养细胞。本发明可实现含有细胞的水凝胶的灌注通道与细胞培养液灌注通道的分离，含有细胞的水凝胶的灌注不会对细胞培养液的通道进行堵塞，实现细胞培养液在器官芯片中循环均匀刺激细胞。

Description

一种多层结构的器官芯片

技术领域

本发明属于生物医学工程和微流控技术领域，具体涉及一种多层结构的器官芯片。

背景技术

器官芯片是一种通过微加工工艺制造的微流体细胞培养系统，可以在人体外对细胞进行三维培养以模拟人体内的器官功能。器官芯片在药物研发筛选、疾病模型评价、个性化医疗等领域有着很好的应用前景。

在药物上市前必须进行药物的毒理性测试和安全性验证，传统的药物毒理性测试通常在二维细胞模型或者动物体内进行。二维细胞培养模式难以模拟人体组织器官中复杂生理活动。动物实验也存在周期长、成本高、不易观察等缺点，且近年来动物实验存在许多伦理上的争论。因此，器官芯片的提出有望在人体外建立更加真实的生理模型，并能成为一种仿生、高效、方便的生理学研究及药物开发工具。

目前，较为常见的器官芯片主要包括含有细胞的水凝胶灌注通道以及培养液灌注通道。但是，现有的器官芯片存在以下缺陷：1、部分器官芯片为单层芯片，使得细胞灌注通道以及培养液灌注通道都在同一层，在注入含有细胞的水凝胶的操作中，难免发生水凝胶堵塞培养液通道的现象，使得所培养的细胞或组织不能受到培养液的均匀刺激；2、部分器官芯片的组织腔室的空间比较小，难以相对大体积的培养细胞或组织。

发明内容

为了解决目前许多单层器官芯片中注入含有细胞的水凝胶堵塞培养液通道的问题以及相对大体积的培养细胞或组织，本发明提供了一种多层结构的器官芯片。

基于上述目的，本发明通过如下技术方案实现：

一种多层结构的器官芯片，包括从上至下依次层叠设置的上流道层、上多孔膜层、组织层、下多孔膜层以及下流道层；组织层上设有组织腔室，组织层上设有与组织腔室相连接的第一灌注通道、第二灌注通道，组织腔室两侧分别设有第五通孔、第六通孔；下流道层上设置有间隙配合的第一下流道口、第二下流道口、第一下流道以及第二下流道。

优选地，上多孔膜层上设有第一多孔膜，第一多孔膜的两侧分别设有间隙配合的第一通孔、第二通孔、第三通孔、第四通孔；下多孔膜层上设有与第一多孔膜相配合的第二多孔膜，第二多孔膜两侧分别设有第七通孔、第八通孔；上流道层上设有相互配合的第一灌注口、第二灌注口、第一上流道以及第二上流道，第一灌注口侧设有与第一灌注口间隙配合的第一上流道口、第二上流道口，第二灌注口侧设有与第二灌注口间隙配合的第三上流道口、第四上流道口。

优选地，第一上流道口与第四上流道口通过第一上流道、第二上流道相连通；第一下流道口与第二下流道口通过第一下流道、第二下流道相连通；第一灌注口与第一通孔以及第一灌注通道相贯通；第二灌注口与第二通孔以及第二灌注通道相贯通；第二上流道口与第三通孔、第五通孔以及第七通孔相贯通；第三上流道口与第四通孔、第六通孔以及第八通孔相贯通。

优选地，第一灌注通道、第二灌注通道分别设置在组织腔室的对角线两端。

优选地，第一灌注口、第二灌注口与第一多孔膜竖直方向上的垂直投影间隙配合。

优选地，第一上流道、第二上流道均设置在上流道层朝向上多孔膜层一侧的侧面上；第一下流道、第二下流道均设置在下流道层朝向下多孔膜层一侧的侧面上。

优选地，第一上流道口、第四上流道口与第一上流道、第二上流道连接处设置为菱形；第一下流道口、第二下流道口与第一下流道、第二下流道连接处设置为菱形；第一上流道与第二上流道按螺旋缠绕方式相互缠绕交错；第一下流道与第二下流道按螺旋缠绕方式相互缠绕交错。

优选地，第一上流道与第二上流道形成的上流道区域覆盖第一多孔膜；第一下流道与第二下流道形成的下流道区域面积覆盖第二多孔膜。

优选地，组织层的厚度优选为100-1000μm；上流道层、下流道层的厚度优选为2-10mm、5mm；第一上流道、第二上流道、第一下流道、第二下流道的厚度优选为100-600μm、100μm；上多孔膜层、下多孔膜层的厚度为30-150μm、50μm。

优选地，组织腔室的形状可为矩形，以使得具有相对较大的平面面积。

优选地，上流道层的上方设置有多个分别与第一灌注口、第二灌注口相连接的储液池；第一储液池的高度与第二储液池的高度相等，第三储液池和第四储液池的液面高度相等，第一储液池和第二储液池的培养液液面比第三储液池和第四储液池高。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

（1）细胞培养的组织层与培养液的流道层分开设置以及上下多孔膜层的设置，细胞的注胶不会影响之后培养液充分浸润组织腔室，使得所培养的细胞或组织可以受到培养液的均匀刺激；

（2）组织腔室的平面形状以及组织层的厚度可以在优选范围内进行调整，以使得相对大体积的培养细胞或组织。

综上，本发明通过对组织层、流道层的分开设置，能够将含有细胞的水凝胶及细胞培养液的灌注过程进行分别灌注，通过第一灌注口或第二灌注口将含有细胞的水凝胶灌注到第一灌注通道或第二灌注通道内，在上多孔膜层以及下多孔膜层的阻挡下，含有细胞的水凝胶对组织腔室进行填充动作；而后利用第一上流道口、第二上流道口注入细胞培养液，分别通过第一多孔膜和第二多孔膜渗透到组织腔室中以培养细胞，实现细胞培养液在器官芯片中的循环，在此过程中，由于含有细胞的水凝胶的灌注通道与细胞培养液灌注通道的分离，含有细胞的水凝胶的灌注不会对细胞培养液的通道进行堵塞。

附图说明

图1是实施例1中本发明的结构示意图；

图2是实施例1中储液池在上流道层顶面上的分布结构示意图；

图3是实施例1中上流道层的结构示意图；

图4是实施例1中图3的A部结构示意图；

图5是实施例1中上多孔膜层的结构示意图；

图6是实施例1中图5的B部结构示意图；

图7是实施例1中组织层的结构示意图；

图8是实施例1中下多孔膜层的结构示意图；

图9是实施例1中图8的C部结构示意图；

图10是实施例1中下流道层的结构示意图；

图11是实施例1中图10的D部结构示意图。

图中，1、上流道层；11、第一灌注口；12、第一上流道口；13、第二上流道口；14、第二灌注口；15、第三上流道口；16、第四上流道口；17、第一上流道；18、第二上流道；2、上多孔膜层；21、第一通孔；22、第二通孔；23、第三通孔；24、第四通孔；25、第一多孔膜；3、组织层；31、第一灌注通道；32、第二灌注通道；33、组织腔室；34、第五通孔；35、第六通孔；4、下多孔膜层；41、第七通孔；42、第八通孔；43、第二多孔膜；5、下流道层；51、第一下流道口；52、第二下流道口；53、第一下流道；54、第二下流道；61、第一储液池；62、第二储液池；63、第三储液池；64、第四储液池。

具体实施方式

以下通过具体实施例对本发明作进一步详细说明，但并不限制本发明的范围。

实施例1：

一种多层结构的器官芯片，其结构如图1-图11所示，包括从上至下依次层叠设置的上流道层1、上多孔膜层2、组织层3、下多孔膜层4以及下流道层5；组织层3上设有组织腔室33，组织层3上设有与组织腔室33相连接的第一灌注通道31、第二灌注通道32，组织腔室33两侧分别设有第五通孔34、第六通孔35；下流道层5上设置有间隙配合的第一下流道口51、第二下流道口52、第一下流道53以及第二下流道54。

上多孔膜层2上设有第一多孔膜25，第一多孔膜25的两侧分别设有间隙配合的第一通孔21、第二通孔22、第三通孔23、第四通孔24；下多孔膜层4上设有与第一多孔膜25相配合的第二多孔膜43，第二多孔膜43两侧分别设有第七通孔41、第八通孔42；上流道层1上设有相互配合的第一灌注口11、第二灌注口14、第一上流道17以及第二上流道18，第一灌注口11侧设有与第一灌注口11间隙配合的第一上流道口12、第二上流道口13，第二灌注口14侧设有与第二灌注口14间隙配合的第三上流道口15、第四上流道口16。

第一上流道口12与第四上流道口16通过第一上流道17、第二上流道18相连通；第一下流道口51与第二下流道口52通过第一下流道53、第二下流道54相连通；第一灌注口11与第一通孔21以及第一灌注通道31相贯通；第二灌注口14与第二通孔22以及第二灌注通道32相贯通；第二上流道口13与第三通孔23、第五通孔34以及第七通孔41相贯通；第三上流道口15与第四通孔24、第六通孔35以及第八通孔42相贯通。

第一灌注通道31、第二灌注通道32分别设置在组织腔室33的对角线两端。第一灌注口11、第二灌注口14与第一多孔膜25竖直方向上的垂直投影间隙配合。第一上流道17、第二上流道18均设置在上流道层1朝向上多孔膜层2一侧的侧面上；第一下流道53、第二下流道54均设置在下流道层5朝向下多孔膜层4一侧的侧面上。第一上流道口12、第四上流道口16与第一上流道17、第二上流道18连接处设置为菱形；第一下流道口51、第二下流道口52与第一下流道53、第二下流道54连接处设置为菱形。

第一上流道17与第二上流道18形成的上流道区域覆盖第一多孔膜25；第一下流道53与第二下流道54形成的下流道区域面积覆盖第二多孔膜43。

组织层3的厚度优选为100-1000μm；上流道层1、下流道层5的厚度优选为2-10mm、5mm；第一上流道17、第二上流道18、第一下流道53、第二下流道54的厚度优选为100-600μm、100μm；上多孔膜层2、下多孔膜层4的厚度为30-150μm、50μm；组织腔室33为具有相对较大的平面面积的矩形。

上流道层1的上方设置有多个分别与第一灌注口11、第二灌注口14相连接的储液池。

本器官芯片组装以及培养细胞的过程如下：

步骤一、将器官芯片的上流道层1、上多孔膜层2、组织层3、下多孔膜层4以及下流道层5按一定顺序组装好之后，并在各层的的连接边缘加以密封处理，如果各层的材料是PDMS（聚二甲基硅氧烷），可通过等离子的方式来键合。

步骤二、含有细胞的水凝胶通过第一灌注口11或第二灌注口14进行灌注，第一灌注口11含有细胞的水凝胶通过第一通孔21流到第一灌注通道31内，第二灌注口14含有细胞的水凝胶通过第二通孔22流到第二灌注通道32内，由于上多孔膜层2以及下多孔膜层4的阻挡，含有细胞的水凝胶会逐渐通过第一灌注通道31或第二灌注通道32填充满整个组织腔室33。

步骤三、细胞培养液从第一上流道口12和第二上流道口13注入，第一上流道口12的细胞培养液经过第一上流道17和第二上流道18充满整个上流道区域，再通过第四上流道口16进行循环；第二上流道口13的细胞培养液通过第三通孔23、第五通孔34、第七通孔41流到第一下流道口51再经过第一下流道53和第二下流道54充满整个下流道区域，而后通过第二下流道口52、第八通孔42、第六通孔35、第四通孔24流向第三上流道口15，实现细胞培养液在器官芯片中的循环，上流道区域、下流道区域内的细胞培养液通过第一多孔膜25和第二多孔膜43渗透到组织腔室33中以培养细胞，实现细胞培养液在器官芯片中的循环。

其中，保持第一储液池61的高度与第二储液池62的高度相等，第三储液池63和第四储液池64的液面高度相等，第一储液池61和第二储液池62的细胞培养液液面比第三储液池63和第四储液池64高；第一储液池61与第一上流道口12连通，第二储液池62与第二上流道口13连通，第三储液池63与第三上流道口15连通，第四储液池64与第四上流道口16连通。

上流道层1和下流道层5的厚度可为5mm，流道的厚度可为100μm，上多孔膜层2和下多孔膜层4的厚度可为50μm，组织层3的厚度可以在100-1000μm的优选范围之间调整。组织腔室33的形状可为矩形，以使得具有相对较大的平面面积。

除此以外，本领域技术人员还可以根据实际需要，设计组织腔室33的形状、入口、流道等其他一些局部尺寸，本实施例对此并不具体限制。

综上所述，本发明提供了一种多层的器官芯片，解决了目前许多单层器官芯片中注入含有细胞的水凝胶堵塞培养液通道的问题；该器官芯片的组织层3的厚度和组织腔室33的形状可在优选范围内调整，以使得相对大体积的培养细胞或组织。

实施例2：

一种多层结构的器官芯片，与实施例1的不同之处在于：上流道层1、下流道层5的厚度优选为5mm。

实施例3：

一种多层结构的器官芯片，与实施例1的不同之处在于：上多孔膜层2、下多孔膜层4的厚度优选为50μm。

实施例4：

一种多层结构的器官芯片，与实施例1的不同之处在于：流道的厚度优选为100μm。

实施例5：

一种多层结构的器官芯片的培养方法，步骤包括：

步骤一、将器官芯片的上流道层1、上多孔膜层2、组织层3、下多孔膜层4以及下流道层5按一定顺序组装好之后，并在各层的的连接边缘加以密封处理，如果各层的材料是PDMS（聚二甲基硅氧烷），可通过等离子的方式来键合。

步骤二、含有细胞的水凝胶通过第一灌注口11、第二灌注口14进行灌注，第一灌注口11含有细胞的水凝胶通过第一通孔21流到第一灌注通道31内，第二灌注口14含有细胞的水凝胶通过第二通孔22流到第二灌注通道32内，由于上多孔膜层2以及下多孔膜层4的阻挡，含有细胞的水凝胶会逐渐通过第一灌注通道31、第二灌注通道32填充满整个组织腔室33。

步骤三、细胞培养液从第一上流道口12、第四上流道口16、第二上流道口13、第三上流道口15注入，第一上流道口12、第四上流道口16的细胞培养液经过第一上流道17和第二上流道18充满整个上流道区域，第二上流道口13的细胞培养液通过第三通孔23、第五通孔34、第七通孔41流到第一下流道口51再经过第一下流道53和第二下流道54充满整个下流道区域，第三上流道口15的细胞培养液通过第四通孔24、第六通孔35、第八通孔42流到第二下流道口52再经过第一下流道53和第二下流道54充满整个下流道区域，细胞培养液通过第一多孔膜25和第二多孔膜43渗透到组织腔室33中以培养细胞，实现细胞培养液在器官芯片中的循环；

其中，保持第一储液池61的高度与第二储液池62的高度相等，第三储液池63和第四储液池64的液面高度相等，第一储液池61和第二储液池62的细胞培养液液面比第三储液池63和第四储液池64高。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，但不仅限于上述实例，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多层结构的器官芯片，其特征在于，包括从上至下依次层叠设置的上流道层、上多孔膜层、组织层、下多孔膜层以及下流道层；所述组织层上设有组织腔室，组织层上设有与组织腔室相连接的第一灌注通道、第二灌注通道，组织腔室两侧分别设有第五通孔、第六通孔；所述下流道层上设置有间隙配合的第一下流道口、第二下流道口、第一下流道以及第二下流道。

2.根据权利要求1所述的多层结构的器官芯片，其特征在于，所述上多孔膜层上设有第一多孔膜，第一多孔膜的两侧分别设有间隙配合的第一通孔、第二通孔、第三通孔、第四通孔；所述下多孔膜层上设有与第一多孔膜相配合的第二多孔膜，第二多孔膜两侧分别设有第七通孔、第八通孔；所述上流道层上设有相互配合的第一灌注口、第二灌注口、第一上流道以及第二上流道，第一灌注口侧设有与第一灌注口间隙配合的第一上流道口、第二上流道口，第二灌注口侧设有与第二灌注口间隙配合的第三上流道口、第四上流道口。

3.根据权利要求2所述的多层结构的器官芯片，其特征在于，所述第一上流道口与第四上流道口通过第一上流道、第二上流道相连通；所述第一下流道口与第二下流道口通过第一下流道、第二下流道相连通；所述第一灌注口与第一通孔以及第一灌注通道相贯通；所述第二灌注口与第二通孔以及第二灌注通道相贯通；所述第二上流道口与第三通孔、第五通孔以及第七通孔相贯通；所述第三上流道口与第四通孔、第六通孔以及第八通孔相贯通。

4.根据权利要求3所述的多层结构的器官芯片，其特征在于，所述第一灌注通道、第二灌注通道分别设置在组织腔室的对角线两端。

5.根据权利要求4所述的多层结构的器官芯片，其特征在于，所述第一灌注口、第二灌注口与第一多孔膜竖直方向上的垂直投影间隙配合。

6.根据权利要求5所述的多层结构的器官芯片，其特征在于，所述第一上流道、第二上流道均设置在上流道层朝向上多孔膜层一侧的侧面上；所述第一下流道、第二下流道均设置在下流道层朝向下多孔膜层一侧的侧面上。

7.根据权利要求6所述的多层结构的器官芯片，其特征在于，所述第一上流道口、第四上流道口与第一上流道、第二上流道连接处设置为菱形；所述第一下流道口、第二下流道口与第一下流道、第二下流道连接处设置为菱形。

8.根据权利要求7所述的多层结构的器官芯片，其特征在于，所述第一上流道与第二上流道形成的上流道区域覆盖第一多孔膜；所述第一下流道与第二下流道形成的下流道区域面积覆盖第二多孔膜。

9.根据权利要求8所述的多层结构的器官芯片，其特征在于，所述组织层的厚度为100-1000μm；所述上流道层、下流道层的厚度为2-10mm；所述第一上流道、第二上流道、第一下流道、第二下流道的厚度为100-600μm；所述上多孔膜层、下多孔膜层的厚度为30-150μm；组织腔室的具有较大的平面面积。

10.根据权利要求1或9所述的多层结构的器官芯片，其特征在于，所述上流道层的上方设置有多个分别与第一灌注口、第二灌注口相连接的储液池。

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