CN114907980A - 一种新型的三维细胞培养器官芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型的三维细胞培养器官芯片，涉及器官芯片技术领域。本发明包括上通道集成器、上芯片本体、下芯片本体、下基板，下基板的顶端设置有下芯片本体，下芯片本体的顶端设置有上芯片本体，上芯片本体的顶端设置有上通道集成器。本发明通过上芯片本体、下芯片本体可以翻转地布置，方便将含有人肺微血管内皮细胞培养在PDMS膜的下层，培养细胞更加精确，且通过上通道集成器、下基板可以单独拆装，细胞可以直接培养在PDMS膜上，方便细胞的培养和取出，且由于真空发生器为独立结构，与上下芯片本体直接无物理结构关系，可更换不同压缩比的真空通道，满足了个性化的实验需求。
Description
技术领域
本发明涉及器官芯片技术领域，具体为一种新型的三维细胞培养器官芯片。
背景技术
器官芯片，即Organs-on-chips，简称OOC，能够实现在体外进行实际生物体的模型搭建，并且能够进行细胞培养、细胞循环应力的生物体环境的模拟，同时可以精确控制药物或者测试物的定量及精确控制，从而模拟实际生物体的各种细胞的生长环境，达到药物或者测试物进行真实的实验验证目的；
器官芯片是由光学透明的塑料、玻璃或柔性聚合物，如聚二甲基硅氧烷(PDMS)等构成的微流控细胞培养设备，包括由活细胞组成的灌注空心微通道，通过体外重建组织水平和器官水平的结构和功能，在重现体内器官的生理和病理特征；
现有的技术方案芯片分为上下两层、中间PDMS膜的结果，上下两层的同样也是PDMS材料，使用软光刻技术，蚀刻出形状不一的长方形凹槽，上下两层的凹槽为对称结构，上下两层结构完成后，再通过等离子封装技术将上下两层结构和中的PDMS膜粘结在一起。
因此此芯片实现了带有细胞外基质(ECM)的10μmPDMS膜分隔的三个区域(两个侧边腔、一个中间腔体)，中间腔体通过PDMS膜分割成了上下两个区域，上部区域有肺泡上皮细胞，下部区域含有人肺微血管内皮细胞，从而模拟肺泡-毛细血管屏障。两个侧边室抽真空后会往两侧收缩，中间腔体的PDMS膜就会在真空侧边室的带动下往两侧伸展，用来模拟呼吸时肺泡的扩张，由此该系统形成了一个肺泡屏障和模拟呼吸的应变，如下图所示，但此技术方案目前只是理论上的，因为两侧的侧边室一直处于真空状态，因此中间腔体中的PDMS膜也只存在了一个扩张的状态，无法体现收缩的状态，因此此装置还没有在实际应用过程中实现两侧的真空通道的循环往复收缩、恢复，从而带动中间腔体的PDMS膜进行扩张和收缩，实现真正意义上的模拟肺的呼吸过程。
但是，现有的技术方案存在以下缺陷：
1.两侧的侧边腔在抽真空的过程中，与中间腔体的间隔壁发生向外地弯曲变形，PDMS进行拉伸，因为两侧的侧边室一直处于真空状态，因此中间腔体中的PDMS膜也只存在了一个扩张的状态，无法体现收缩的状态，不能实现模拟肺泡的呼吸功能
2.由于中间腔体空间较小，细胞只能通过液体带动进入腔体中，细胞会在液体的带动下充满整个腔体，不能实现细胞准确的只生长在PDMS膜上的效果，因此侧壁上的细胞与膜上的细胞生长条件不一致，会造成不同细胞之间的实验结果差异，此差异无法避免
3.由于上下两层结构和中间的膜通过等离子技术封装，此技术为一次性封装，实验结束后，细胞已经牢牢生长在PDMS膜上，通过液流无法带动细胞脱落进而导出细胞，因此需要物理破坏芯片将细胞取出。
4.在上述物理破坏芯片的过程中，存在损伤细胞的风险，进一步造成实验结果失败或引入别的偏差，导致实验数据或者结果不准确。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型的三维细胞培养器官芯片，以解决背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种新型的三维细胞培养器官芯片，包括上通道集成器、上芯片本体、下芯片本体、下基板，所述下基板的顶端设置有下芯片本体，所述下芯片本体的顶端设置有上芯片本体，所述上芯片本体的顶端设置有上通道集成器。
优选的，所述上通道集成器、上芯片本体、下芯片本体和下基板均为长宽一样的长方体。
优选的，所述上通道集成器、上芯片本体、下芯片本体、U形真空发生器和PDMS膜通过额外的集成装置装配在一起。
优选的，所述上芯片本体和下芯片本体通过数控和蚀刻进行精密加工，所述上芯片本体和下芯片本体的内侧开设有腔室，所述上芯片本体和下芯片本体通过凸圆和凹槽进行装配配合，确保上下腔体能精确装配，装配精度可达到+/-10μm。
优选的，所述上通道集成器处设置有两个进通道和两个出通道，所述一个进通道和一个出通道为一组，所述一组中的进通道和出通道分别对应上芯片本体和下芯片本体中的腔室，形成腔室中物质的进出。
优选的，所述上通道集成器的内侧安装有透明玻璃的观察窗，方便后续实验过程中对于实验过程的观察。
优选的，所述下基板的内侧安装有透明玻璃的观察窗，方便后续实验过程中对于实验过程的观察。
优选的，所述上芯片本体与下芯片本体之间设置有PDMS膜和U形真空发生器，所述PDMS膜位于U形真空发生器的顶端，U形真空发生器中的真空在一个通道中，能够确保左右两侧的真空为同一个真空压力，保证了PDMS膜延申的一致性。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明通过上芯片本体、下芯片本体可以翻转地布置，方便将含有人肺微血管内皮细胞培养在PDMS膜的下层，培养细胞更加精确；
2、本发明通过上通道集成器、下基板可以单独拆装，细胞可以直接培养在PDMS膜上，方便细胞的培养和取出；
3、本发明由于真空发生器为独立结构，与上下芯片本体直接无物理结构关系，可更换不同压缩比的真空通道，满足了个性化的实验需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明整体的结构示意图；
图2为本发明整体的爆炸图。
图中：1、上通道集成器；2、上芯片本体；3、下芯片本体；4、下基板；5、U形真空发生器；6、PDMS膜。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
请参阅图1-2，一种新型的三维细胞培养器官芯片，包括上通道集成器1、上芯片本体2、下芯片本体3、下基板4，下基板4的顶端设置有下芯片本体3，下芯片本体3的顶端设置有上芯片本体2，上芯片本体2的顶端设置有上通道集成器1。
上通道集成器1、上芯片本体2、下芯片本体3和下基板4均为长宽一样的长方体；
上通道集成器1、上芯片本体2、下芯片本体3、U形真空发生器5和PDMS膜6通过额外的集成装置装配在一起；
上通道集成器1、上芯片本体2、下芯片本体3、下基板4通过物理连接，不存在化学结构上的粘结，拆卸方便，且可存在重复利用的潜力；
上通道集成器1、上芯片本体2、下芯片本体3、下基板4为模块化结构，不同功能的芯片可以相互替换使用，提供了结构上的可扩展性；
上芯片本体2和下芯片本体3通过数控和蚀刻进行精密加工，上芯片本体2和下芯片本体3的内侧开设有腔室，上芯片本体2和下芯片本体3通过凸圆和凹槽进行装配配合，确保上下腔体能精确装配，装配精度可达到+/-10μm；
上通道集成器1处设置有两个进通道和两个出通道，一个进通道和一个出通道为一组，一组中的进通道和出通道分别对应上芯片本体2和下芯片本体3中的腔室，形成腔室中物质的进出；
预留可扩展结构，多个芯片之间可行性矩阵式、立体式组合，通过替换上下夹层的结构实现多功能器官的模拟；
上通道集成器1的内侧安装有透明玻璃的观察窗，方便后续实验过程中对于实验过程的观察；
下基板4的内侧安装有透明玻璃的观察窗，方便后续实验过程中对于实验过程的观察；
上芯片本体2与下芯片本体3之间设置有PDMS膜6和U形真空发生器5，PDMS膜6位于U形真空发生器5的顶端，U形真空发生器5中的真空在一个通道中，能够确保左右两侧的真空为同一个真空压力，保证了PDMS膜6延申的一致性。
上芯片本体2和下芯片本体3可以翻转布置，方便将含有人肺微血管内皮细胞培养在PDMS膜6的下层，培养细胞更加精确；
上通道集成器1和下基板4可以单独拆装，细胞可以直接培养在PDMS膜6上，方便细胞的培养和取出；
U形真空发生器5为独立结构，与上芯片本体2和下芯片本体3无物理结构关系，可更换不同压缩比的真空通道，满足了个性化的实验需求。
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。
Claims (8)
1.一种新型的三维细胞培养器官芯片，其特征在于：包括上通道集成器(1)、上芯片本体(2)、下芯片本体(3)、下基板(4)，所述下基板(4)的顶端设置有下芯片本体(3)，所述下芯片本体(3)的顶端设置有上芯片本体(2)，所述上芯片本体(2)的顶端设置有上通道集成器(1)。
2.根据权利要求1所述的一种新型的三维细胞培养器官芯片，其特征在于：所述上通道集成器(1)、上芯片本体(2)、下芯片本体(3)和下基板(4)均为长宽一样的长方体。
3.根据权利要求1所述的一种新型的三维细胞培养器官芯片，其特征在于：所述上通道集成器(1)、上芯片本体(2)、下芯片本体(3)、U形真空发生器(5)和PDMS膜(6)通过额外的集成装置装配在一起。
4.根据权利要求1所述的一种新型的三维细胞培养器官芯片，其特征在于：所述上芯片本体(2)和下芯片本体(3)通过数控和蚀刻进行精密加工，所述上芯片本体(2)和下芯片本体(3)的内侧开设有腔室，所述上芯片本体(2)和下芯片本体(3)通过凸圆和凹槽进行装配配合。
5.根据权利要求1所述的一种新型的三维细胞培养器官芯片，其特征在于：所述上通道集成器(1)处设置有两个进通道和两个出通道，所述一个进通道和一个出通道为一组，所述一组中的进通道和出通道分别对应上芯片本体(2)和下芯片本体(3)中的腔室。
6.根据权利要求1所述的一种新型的三维细胞培养器官芯片，其特征在于：所述上通道集成器(1)的内侧安装有透明玻璃的观察窗。
7.根据权利要求1所述的一种新型的三维细胞培养器官芯片，其特征在于：所述下基板(4)的内侧安装有透明玻璃的观察窗。
8.根据权利要求1所述的一种新型的三维细胞培养器官芯片，其特征在于：所述上芯片本体(2)与下芯片本体(3)之间设置有PDMS膜(6)和U形真空发生器(5)，所述PDMS膜(6)位于U形真空发生器(5)的顶端。
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