CN114989937A - 一种集成机械激励的器官芯片、芯片阵列和制作方法 - Google Patents

Abstract

一种集成机械激励的器官芯片、芯片阵列和制作方法，包括外壳和主体，该主体设有第一腔和两空槽；该第一腔分成细胞接种区和两培养区，该细胞接种区用于接种包裹着细胞的凝胶，该两培养区分别位于细胞接种区的前后侧以用于灌注培养液，且细胞接种区与两培养区之间分别设有微柱结构以阻挡凝胶扩散使得细胞集中于细胞接种区并形成3D结构，第一腔底面设有弹性膜；两空槽分别位于主体的左右两侧，该外壳罩设于主体外且与空槽形成有第二腔，且第一腔和第二腔交界处设置有柔性柱；通过作用第二腔使其产生负压带动柔性柱形变使得弹性膜变形对细胞产生机械激励。本发明适用于需机械激励的组织培养，采用阵列化的器官芯片可为高通量药物检测提供硬件支撑。

Description

一种集成机械激励的器官芯片、芯片阵列和制作方法

技术领域

本发明涉及器官芯片机械激励元件设计与生产技术领域，特别是指一种集成机械激励的器官芯片、芯片阵列和制作方法。

背景技术

目前，类似心肌细胞、肺相关细胞、肌细胞等，它们在体内长时间处于受拉、受压的力环境中。而在体外培养时，往往因无法模拟体内原生力环境而使细胞缺失重要的外部刺激。导致在体外培养的组织成熟度与原生组织相去甚远，大大限制了体外培养组织的应用场景。故需要对细胞施加外部机械激励，重建体内力环境，进而诱导组织成熟。

现阶段，研究者一般通过夹具固定搭载细胞的支架，使用外部设备对夹具输入位移，以此对细胞施加机械激励。然而这种方式难以进行片上集成，且通常输入位移的外部设备体积过大、输出通道有限，难以满足对复数个器官芯片输出激励。而随着软光刻和激光加工的发展，通过气压控制的机械激励结构被制造。它们通常被设计在长流道的两端，以此保证流道中央发生均匀的应变，但所带来的是长流道的细胞使用量的问题。同时软光刻与激光加工的工艺流程复杂，难以对阵列化的器官芯片进行一体制造，由此带来的是成本的增加和制造稳定性的下降。故急需一种合理的集成机械激励元件的器官芯片阵列的设计方案，与其对应的制作方法。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种集成机械激励的器官芯片、芯片阵列和制作方法。

本发明采用如下技术方案：

一种集成机械激励的器官芯片，其特征在于：包括外壳和主体，该主体设有第一腔和两空槽；该第一腔分成细胞接种区和两培养区，该细胞接种区用于接种包裹着细胞的凝胶，该两培养区分别位于细胞接种区的前后侧以用于灌注培养液为细胞提供营养物质，且细胞接种区与两培养区之间分别设有微柱结构以阻挡凝胶扩散使得细胞集中于细胞接种区并形成3D 结构，第一腔底面设有弹性膜；两空槽分别位于主体的左右两侧，该外壳罩设于主体外且与空槽形成有第二腔，且第一腔和第二腔交界处设置有柔性柱；通过作用第二腔使其产生负压带动柔性柱形变使得弹性膜变形对细胞产生机械激励。

优选的，所述外壳设有顶板和至少两侧板，其中两侧板位于主体左右侧以分别封闭对应的空槽；所述主体顶部的厚度、外壳的侧板的厚度均大于所述主体底部的厚度；所述柔性柱顶端与所述主体顶部相连，所述柔性柱底端与所述主体底部相连，所述第二腔产生负压时，两所述压柔性柱底端相对背向移动实现形变。

优选的，所述主体在所述第一腔和第二腔交界处还设有两柔性铰链，所述柔性柱前后端分别与该两柔性铰链相连。

优选的，所述微柱结构包括若干微柱，相邻微柱之间距离为20μm-150μm。

优选的，所述主体顶部还设有培养液入口、培养液出口、细胞接种口、第一气口和第二气口，该培养液入口与其中一所述培养区连通，该培养液出口与另一所述培养区连通；该细胞接种口与所述细胞接种区连通；该第一气口与其中一所述第二腔连通，该第二气口与另一所述第二腔连通。

一种集成机械激励的器官芯片集成阵列，包括基片，其特征在于：还包括若干阵列分布于基片上的所述的一种集成机械激励的器官芯片。

优选的，所述器官芯片与所述基片通过复合材料增材制造工艺进行一体化制造。

优选的，还包括培养液入口流道、培养液出口流道、细胞接种口流道、第一气口流道和第二气口流道；该培养液入口流道与所述器官芯片的其中一所述培养区连通，该培养液出口流道与所述器官芯片的另一所述培养区连通，该细胞接种口流道与所述器官芯片的细胞接种区连通，该第一气口流道与所述器官芯片的其中一所述第二腔连通，该第二气口流道与器官芯片的另一所述第二腔连通。

一种集成机械激励的器官芯片集成阵列制作方法，其特征在于：用于制作所述一种集成机械激励的器官芯片集成阵列，包括

1)设计所述器官芯片的结构，包括外壳和主体；

2)采用复合材料增材制造工艺一体化成型制作所述器官芯片和所述基片；

3)采用等离子体清洁所述器官芯片内部的第一腔和第二腔；

4)在所述培养区进行生物相容性涂层处理；

5)使用FN溶液对细胞接种区进行亲水处理；

6)将注射泵与所述器官芯片的细胞接种区连接以接种包裹着细胞的凝胶，将气泵与所述器官芯片的第二腔连接以输入负压，将蠕动泵与所述器官芯片的培养区相连以灌注培养液。

优选的，所述步骤1)中，具体包括如下：

1.1)预计相应细胞所需的机械激励；

1.2)根据所需的机械激励选取刚度大的材料作为外壳的打印材料，选取柔性材料作为主体的打印材料；

1.3)根据材料信息和机械激励，使用仿真软件辅助进行柔性柱、柔性铰链、弹性膜的长、宽、高的设计；

1.4)制作样品并实验测试弹性膜变形与第二腔负压关系，若测试不通过，则回到步骤 1.3)。

由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明采用复合材料增材制造工艺，进行集成机械激励元件的器官芯片阵列的一体化制造。由于喷墨和直写增材制造工艺相对于软光刻与激光加工的高效性与稳定性，其能制造多材料复合的结构，大大缩短了制造周期与成本。

本发明采用集成机械激励元件的器官芯片，不同于传统的通过夹具加载拉伸方式，集成机械激励元件可进行复数个片上拉伸；不同于长流道的设计，通过柔性铰链连接柔性柱与外部硬质框架，通过微柱结构约束包裹着细胞的凝胶，可有效减少细胞的损耗并提升形变的均匀性。

本发明采用阵列化基片与基片基座来定位复数个器官芯片，使得外部设备与器官芯片能够更便利的连接，为高通量药物检测提供硬件基础。

附图说明

图1为器官芯片截面示意图；

图2为器官芯片流道示意图；

图3为弹性膜和柔性柱动作原理图；

图4为器官芯片示意图；

图5为基片局部流道示意图

图6为阵列化基片示意图；

图7为一体化器官芯片-阵列化基片制造示意图；

图8为集成器官芯片阵列整体示意图；

图9为实验测试弹性膜变形与腔内负压关系图；

其中：10、外壳，11、顶板，12、侧板，20、主体，21、第一腔，22、第二腔，23、细胞接种区，24、培养区，25、弹性膜，26、微柱结构，27、柔性柱，28a、培养液入口，28b、培养液出口，28c、细胞接种口，28d、第一气口，28e、第二气口，29、柔性铰链，30、基片， 31、培养液入口流道，32、培养液出口流道，33、细胞接种口流道，34、第一气口流道，35、第二气口流道，36、蠕动泵接口，37、注射泵接口，38、气泵接口，40、复合材料增材制造模块，41、基板。

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。

本发明中，对于术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。对于描述中，采用了“上”、“下”、“左”、“右”、“前”和“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

另外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

参见图1至图4，一种集成机械激励的器官芯片，包括外壳10和主体20，该主体20设有第一腔21和两空槽；该第一腔21分成细胞接种区23和两培养区24，该细胞接种区23用于接种包裹着细胞的凝胶，该两培养区24分别位于细胞接种区23的前后侧以用于灌注培养液为细胞提供营养物质，且细胞接种区23与两培养区24之间分别设有微柱结构26以阻挡凝胶扩散使得细胞集中于细胞接种区23并形成3D结构。第一腔底面设有弹性膜25。

进一步的，每个微柱结构26包括若干微柱，若干微柱从左至右依次排列，或者从右到左依次排列。其中相邻微柱26的间距在20μm～150μm之间，以提供足够的约束力在不阻挡培养液扩散的同时减少凝胶的扩散。该微柱结构26不阻挡弹性膜25形变，也不阻挡培养区24 的培养液进入细胞接种区23。

主体20的两空槽分别位于主体20的左右两侧，位于右侧的空槽的外侧设有开口，位于左侧的空槽的外侧设有开口，该外壳10罩设于主体20外，其封闭两空槽的开口并与空槽形成有第二腔22。其中，外壳10为刚性框架并设有顶板11和至少两侧板12，顶板11位于主体20的顶部，两侧板12位于主体20左右侧以分别封闭对应的空槽。主体20顶部的厚度、外壳10的侧板12的厚度均大于主体20底部的厚度，则主体20顶部的刚度、外壳10的侧板12的刚度均大于主体20底部的刚度。

第一腔21和第二腔22交界处设置有柔性柱27，即通过柔性柱27分隔第一腔21和第二腔22。该柔性柱27顶端与主体20顶部相连，柔性柱27底端与主体20底部相连。主体20 在第一腔21和第二腔22交界处还设有两柔性铰链29，柔性柱27前后端分别与该两柔性铰链29相连。该柔性铰链29可为弧形。

由于外壳10作为外部硬质框架的固定，当第二腔22产生负压，则仅柔性柱27变形，即两压柔性柱27底端相对背向移动带动柔性柱27形变使得弹性膜25变形对细胞产生机械激励，由于柔性铰链29的设计保证了细胞接种区23发生相对均匀的应变。

进一步的，主体20顶部还设有培养液入口28a、培养液出口28b、细胞接种口28c、第一气口28d和第二气口28e，该培养液入口28a与其中一培养区24连通，该培养液出口28b与另一培养区24连通；该细胞接种口28c与细胞接种区23连通；该第一气口28d与其中一第二腔22连通，该第二气口28e与另一第二腔22连通。对应的，外壳10的顶板11可设置与培养液入口28a、培养液出口28b、细胞接种口28c、第一气口28d和第二气口28e分别适配的通孔。该培养液入口28a、培养液出口28b、细胞接种口28c、第一气口28d和第二气口28e 用于连接外部设备，包括蠕动泵、注射泵、气泵等。

本发明还提出一种集成机械激励的器官芯片集成阵列，包括基片30和若干阵列分布于基片30上的上述的一种集成机械激励的器官芯片。该器官芯片与基片30通过复合材料增材制造工艺进行一体化制造。

进一步的，参见图5，图6，该基片30上还包括培养液入口流道31、培养液出口流道32、细胞接种口流道33、第一气口流道34和第二气口流道35等。该培养液入口流道31与每个器官芯片的其中一培养区24连通，用于提供为每个器官芯片注入培养液的通道。该培养液出口流道32与每个器官芯片的另一培养区24连通。该细胞接种口流道33与器官芯片的细胞接种区23连通，用于提供为每个器官芯片接种包裹细胞的凝胶的通道。该第一气口流道34与器官芯片的其中一第二腔22连通，该第二气口流道35与器官芯片的另一第二腔22连通，用于提供为每个器官芯片的第二腔22进行抽气产生负压的通道。

本发明的器官芯片集成阵列，该培养液入口流道31和培养液出口流道32还设有与蠕动泵相连的蠕动泵接口36，该细胞接种口流道33还设有与注射泵相连的注射泵接口37。该第一气口流道34和第二气口流道35还设有与气泵相连的气泵接口38。

控制蠕动泵工作将包裹细胞的凝胶注入基片30上的每个器官芯片的细胞接种区23，由于凝胶基本不会流动，且加入的凝胶高度小于微柱26高度，所以并不会扩散到培养区24；控制蠕动泵工作将培养液注入基片30上的每个器官芯片的培养区24。参见图3中a)原始放松状态的器官芯片。当需要对细胞施加机械激励时，控制气泵工作，对每个器官芯片的第二腔22抽气使其产生负压，柔性柱27发生形变带动底部弹性膜25变形，弹性膜25带动与其相连的组织发生变形，即器官芯片转换成图3中b)输出机械激励时的器官芯片状态。

本发明还提出一种集成机械激励的器官芯片集成阵列制作方法，用于制作一种集成机械激励的器官芯片集成阵列，包括：

1)设计器官芯片的结构，包括外壳10和主体20，主体20内包括有第一腔21、两空槽、微柱结构26等。该步骤具体包括如下：

1.1)预计相应细胞所需的机械激励也即弹性膜25的拉伸范围，例如心肌细胞、肺细胞、肌细胞等的应变，为材料选择与机械拉伸结构设计提供依据。

1.2)选取刚度大的材料作为外壳10的打印材料，选取柔性材料作为主体20的打印材料，即根据需要输入的拉伸范围选择相应刚度的柔性树脂材料，实现调节材料的力学性能。

1.3)使用仿真软件辅助进行柔性柱27、柔性铰链29、弹性膜25的长、宽、高的设计；该步骤采用仿真设计机械拉伸结构关键尺寸，通过材料信息与机械激励确定尺寸构建模型，使用仿真软件进行参数化扫描得出柔性柱27、柔性铰链29、弹性膜25的较优尺寸。

1.4)制作样品并实验测试弹性膜25变形与第二腔22负压关系，若测试不通过，则回到步骤1.3)，例如，参见图9中的仿真拟合线和测试拟合线。该步骤通过实际测试器官芯片受到负压后弹性膜25的形变，作为机械刺激策略的依据。若弹性膜25的形变范围达不到预设拉伸范围，则回到1.3)重新调节结构的关键尺寸，若通过，则器官芯片的结构符合要求。

2)采用复合材料增材制造工艺一体化成型制作器官芯片和基片30，该复合材料增材制造工艺包括有喷墨、光固化、直写工艺中的一种或多种。参见图7，采用复合材料增材制造模块40在基板41上进行打印基片30和器官芯片等。

3)采用等离子体清洁器官芯片内部的第一腔21和第二腔22；可使用氧等离子体对器官芯片整体进行清洗，去除加工过程中不必要的杂物，并对芯片内部流道进行亲水处理，有助于后一步处理。

4)生物相容性涂层处理：增加芯片内部的生物相容性；可使用生物相容性凝胶对器官芯片的培养区24进行涂层处理，静置一段时间后洗去凝胶，增加细胞与基底的粘附。

5)使用FN溶液对细胞接种区23进行亲水处理；

6)通过软管将元件与外部设备连通，即将注射泵与器官芯片的细胞接种区23连接以接种包裹着细胞的凝胶，将气泵与器官芯片的第二腔22连接以输入负压，将蠕动泵与器官芯片的培养区24相连以灌注培养液。

本发明通过过阵列化基片搭载集成机械激励元件的器官芯片，以实现外部设备对复数个器官芯片进行控制，实现高通量的实验。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (10)

1.一种集成机械激励的器官芯片，其特征在于：包括外壳和主体，该主体设有第一腔和两空槽；该第一腔分成细胞接种区和两培养区，该细胞接种区用于接种包裹着细胞的凝胶，该两培养区分别位于细胞接种区的前后侧以用于灌注培养液为细胞提供营养物质，且细胞接种区与两培养区之间分别设有微柱结构以阻挡凝胶扩散使得细胞集中于细胞接种区并形成3D结构，第一腔底面设有弹性膜；两空槽分别位于主体的左右两侧，该外壳罩设于主体外且与空槽形成有第二腔，且第一腔和第二腔交界处设置有柔性柱；通过作用第二腔使其产生负压带动柔性柱形变使得弹性膜变形对细胞产生机械激励。

2.如权利要求1的一种集成机械激励的器官芯片，其特征在于：所述外壳设有顶板和至少两侧板，其中两侧板位于主体左右侧以分别封闭对应的空槽；所述主体顶部的厚度、外壳的侧板的厚度均大于所述主体底部的厚度；所述柔性柱顶端与所述主体顶部相连，所述柔性柱底端与所述主体底部相连，所述第二腔产生负压时，两所述压柔性柱底端相对背向移动实现形变。

3.如权利要求1所述的一种集成机械激励的器官芯片，其特征在于：所述主体在所述第一腔和第二腔交界处还设有两柔性铰链，所述柔性柱前后端分别与该两柔性铰链相连。

4.如权利要求1所述的一种集成机械激励的器官芯片，其特征在于：所述微柱结构包括若干微柱，相邻微柱之间距离为20μm-150μm。

5.如权利要求1所述的一种集成机械激励的器官芯片，其特征在于：所述主体顶部还设有培养液入口、培养液出口、细胞接种口、第一气口和第二气口，该培养液入口与其中一所述培养区连通，该培养液出口与另一所述培养区连通；该细胞接种口与所述细胞接种区连通；该第一气口与其中一所述第二腔连通，该第二气口与另一所述第二腔连通。

6.一种集成机械激励的器官芯片集成阵列，包括基片，其特征在于：还包括若干阵列分布于基片上的权利要求1至5中任一项所述的一种集成机械激励的器官芯片。

7.如权利要求6所述的一种集成机械激励的器官芯片集成阵列，其特征在于：所述器官芯片与所述基片通过复合材料增材制造工艺进行一体化制造。

8.如权利要求6所述的一种集成机械激励的器官芯片集成阵列，其特征在于：还包括培养液入口流道、培养液出口流道、细胞接种口流道、第一气口流道和第二气口流道；该培养液入口流道与所述器官芯片的其中一所述培养区连通，该培养液出口流道与所述器官芯片的另一所述培养区连通，该细胞接种口流道与所述器官芯片的细胞接种区连通，该第一气口流道与所述器官芯片的其中一所述第二腔连通，该第二气口流道与器官芯片的另一所述第二腔连通。

9.一种集成机械激励的器官芯片集成阵列制作方法，其特征在于：用于制作权利要求6所述一种集成机械激励的器官芯片集成阵列，包括

1)设计所述器官芯片的结构，包括外壳和主体；

2)采用复合材料增材制造工艺一体化成型制作所述器官芯片和所述基片；

3)采用等离子体清洁所述器官芯片内部的第一腔和第二腔；

4)在所述培养区进行生物相容性涂层处理；

5)使用FN溶液对细胞接种区进行亲水处理；

6)将注射泵与所述器官芯片的细胞接种区连接以接种包裹着细胞的凝胶，将气泵与所述器官芯片的第二腔连接以输入负压，将蠕动泵与所述器官芯片的培养区相连以灌注培养液。

10.如权利要求9所述的一种集成机械激励的器官芯片集成阵列制作方法，其特征在于：所述步骤1)中，具体包括如下：

1.1)预计相应细胞所需的机械激励；

1.2)根据所需的机械激励选取刚度大的材料作为外壳的打印材料，选取柔性材料作为主体的打印材料；

1.3)根据材料信息和机械激励，使用仿真软件辅助进行柔性柱、柔性铰链、弹性膜的长、宽、高的设计；

1.4)制作样品并实验测试弹性膜变形与第二腔负压关系，若测试不通过，则回到步骤1.3)。

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