CN115109703A - 一种器官芯片模型 - Google Patents

Abstract

本发明涉及生物医学工程及微流控技术领域，特别是涉及一种器官芯片模型，所述器官芯片模型包括基底，所述基底上设有细胞培养小室和灌流通道，所述细胞培养小室和灌流通道均设有多个，所述灌流通道设于各细胞培养小室之间，并通过渗透膜和细胞培养小室连通，所述灌流通道包括第一灌流通道和第二灌流通道，所述第一灌流通道一端设有第一流体注入孔，另一端设有第一流体收集孔，所述第二灌流通道一端设有第二流体注入孔，另一端设有第二流体收集孔。本发明的器官芯片模型可以灵活装配不同配件，满足不同细胞样本类型的培养要求，能够更加真实地模拟药物或其他物质对器官生理功能的影响，所述器官芯片模型还能用于细胞趋化性实验中。

Description

一种器官芯片模型

技术领域

本发明涉及生物医学工程及微流控技术领域，特别是涉及一种器官芯片模型。

背景技术

器官或类器官芯片是一种基于细胞3D培养同时搭配微流控系统的特殊芯片技术，是通过利用微流控技术控制流体的流动，结合细胞与细胞间相互作用、基质特性以及生物化学和生物力学特性，在芯片上模拟构建出三维的器官生理微系统。研究发现，器官/类器官芯片技术可以更准确和快速地检测药物对人类潜在的毒性和有效性，减少动物实验的时间和经济成本，未来将成为药物筛选的重要手段之一，同时该技术也为研究器官生理结构发育和功能开辟新通道，为体外器官发育培养和脏器移植技术奠定了基础。

研究报道的肝器官芯片研究设计主要集中在模拟“肝细胞-肝血窦”横切面的特征，而忽视了胆管液流的作用和肝小叶系统性生理功能。虽有少量研究提及器官芯片中胆管的设计，但是芯片设计复杂，操作繁琐，3D培养物也难以获取。肺器官芯片设计基本包含模拟肺血管通道和气体流通道。而且目前的器官芯片基本上只是针对特定的某种组织器官设计，只能应用于特定的组织器官的研究，不能兼容其他器官/类器官芯片的研究应用，芯片的应用范围受到很大限制。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种器官芯片模型，用于解决现有技术中的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种器官芯片模型，所述器官芯片模型包括基底，所述基底上设有细胞培养小室和灌流通道，所述细胞培养小室和灌流通道均设有多个，所述灌流通道设于各细胞培养小室之间，并通过渗透膜和细胞培养小室分隔，所述灌流通道包括第一灌流通道和第二灌流通道，所述第一灌流通道一端设有第一流体注入孔，另一端设有第一流体收集孔，所述第二灌流通道一端设有第二流体注入孔，另一端设有第二流体收集孔。

优选的，所述器官芯片模型还包括滤筛床，所述滤筛床的形状与细胞培养小室匹配，所述滤筛床套设于各细胞培养小室内，所述滤筛床包括相连接的底面和侧壁，至少部分侧壁上镶嵌有渗透膜。

优选的，所述第一平面侧壁和第二平面侧壁上镶嵌有渗透膜。渗透膜的类型与相邻灌流通道的渗透膜类型相同。

优选的，所述器官芯片模型还包括隔离框，所述隔离框由第二曲面侧壁、第三平面侧壁、第四平面侧壁合围形成，所述隔离框套设于细胞培养小室内。

本发明还提供所述器官芯片模型在药物研发、营养学研究、细胞趋化性实验中的用途。

如上所述，本发明的器官芯片模型，具有以下有益效果：具有两条独立的灌流通道，两套配件(滤筛床和隔离框)灵活搭配，拆卸和组装便利，可以满足不同细胞样本类型的培养要求(超低吸附培养和基质胶、水凝胶培养方法等)，能够更加真实地模拟药物或其他物质对器官生理功能的影响，包括毒理学和营养学研究等。同时，还能满足细胞的趋化性实验要求，可以同时研究多种趋化因子对细胞生长增殖情况的影响，具有一定的通量实验特征，可以实时观察细胞生长动态。

附图说明

图1显示为本发明的器官芯片模型的立体示意图。

图2显示为本发明的器官芯片模型的俯视图。

图3显示为本发明的器官芯片模型的灌流通道的立体示意图。

图4-1至图4-4显示为本发明的器官芯片模型的滤筛床示意图，其中侧壁上的菱形和方形阴影代表不同的渗透膜。

图5显示为本发明的器官芯片模型的隔离框示意图。

图6显示为本发明的器官芯片模型的灌流方向示意图。

元件标号说明

1 基底

11 细胞培养小室

111 第一细胞培养小室

112 第二细胞培养小室

113 第三细胞培养小室

114 第四细胞培养小室

12 灌流通道

121 第一灌流通道

122 第二灌流通道

123 第一流体注入孔

124 第一流体收集孔

125 第二流体注入孔

126 第二流体收集孔

2 滤筛床

211 底面

212 侧壁

2121 第一曲面侧壁

2122 第一平面侧壁

2123 第二平面侧壁

213 搭边

3 隔离框

31 第二曲面侧壁

32 第三平面侧壁

33 第四平面侧壁

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅说明书附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1和2所示，本发明提供一种器官芯片模型，所述器官芯片模型包括基底1，所述基底1上设有细胞培养小室11和灌流通道12，所述细胞培养小室11和灌流通道12均设有多个，所述灌流通道12设于各细胞培养小室11之间，并通过渗透膜和细胞培养小室11分隔，所述灌流通道12包括第一灌流通道121和第二灌流通道122，所述第一灌流通道121一端设有第一流体注入孔123，另一端设有第一流体收集孔124，所述第二灌流通道122一端设有第二流体注入孔125，另一端设有第二流体收集孔126。

所述基底1外轮廓呈长方体形。在一种实施方式中，所述基底1长宽高为5cm×5cm×1cm。

在本发明的如图2所示的实施方式中，所述各细胞培养小室11相邻组合形成圆柱形。在本发明的某些实施方式中，各细胞培养小室11大小相等。在一种实施方式中，细胞培养小室11设有4个，分别为第一细胞培养小室111、第二细胞培养小室112、第三细胞培养小室113、第四细胞培养小室114，每个细胞培养小室11横截面呈四分之一圆形，四个细胞培养小室11组合形成圆柱形。

细胞培养小室11底部可用超低吸附材料如玻璃，或至少内表面设有超低吸附涂层，如水凝胶涂层等，也可用适合细胞贴壁生长的材料制作，如聚苯乙烯等，底部厚度适用于共聚焦显微观察和拍摄。

多个细胞培养小室11可以单独添加不同类型细胞，注入正常肝细胞或肝癌细胞或细胞混样等，加样过程互不影响，不存在交叉污染。

在本发明的如图3所示的实施方式中，所述第一灌流通道121和第二灌流通道122均为L型通道。所述第一灌流通道121和第二灌流通道122呈十字形排列。这样的排列方式使第一细胞培养小室111和第三细胞培养小室113两侧分别由不同的灌流通道灌流，而第二细胞培养小室112和第四细胞培养小室114两侧由同一种灌流通道灌流。

所述第一灌流通道121和第二灌流通道122与细胞培养小室11相邻的面由渗透膜形成。渗透膜结构可以使各灌流通道内的流体渗透至各细胞培养小室11，或可将细胞培养小室11内的代谢物排出至灌流通道，而且各细胞培养小室11之间也可以进行物质信息交流。

在一种实施方式中，第一灌流通道121与细胞培养小室11相邻的面由PDMS(聚二甲基硅氧烷，Polydimethylsiloxane)膜构成。所述PDMS膜孔径的选择依据共培养细胞类型和大小以及流体成分选择即可。例如PDMS膜孔径为0.1-30μm。优选的，PDMS膜孔径为1-5μm。

在一种实施方式中，第二灌流通道122与细胞培养小室11相邻的面由PC(聚碳酸酯，Polycarbonate)膜构成。第二灌流通道122的渗透膜孔径例如为0.1-30μm。优选的，PC膜孔径为1-5μm。

所述第一灌流通道121和第二灌流通道122可以根据需要灌流不同的流体，例如两条灌流通道可以有以下多种灌流方式：培养液—培养液、培养液—气体流、气体流—气体流。具体的例如在一种实施方式中，所述第一灌流通道121用于培养液灌流，第二灌流通道122用于胆汁液灌流。

灌流时，各灌流通道中的液面稍高于细胞培养小室11中的液面，便于各灌流通道中的分子扩散至细胞培养小室11内。

在本发明的某些实施方式中，所述第一灌流通道121的宽度大于第二灌流通道122的宽度。所述第一灌流通道121或第二灌流通道122的宽度为0.1-1cm。较宽的灌流通道方便在细胞趋化性实验研究中形成趋化因子浓度梯度。

所述第一灌流通道121和第二灌流通道122的底面选用适合细胞贴壁生长的材料，例如聚苯乙烯，以使细胞例如肝窦内皮细胞和胆管内皮细胞、其他肝脏非实质细胞、肺血管内皮细胞可以快速贴壁增殖。所述第一灌流通道121和第二灌流通道122的底面厚度满足共聚焦显微镜观察和拍摄要求即可。

在本发明的如图4-1至4-4所示的实施方式中，所述器官芯片模型还包括滤筛床2，所述滤筛床2的形状与细胞培养小室11匹配，所述滤筛床2套设于各细胞培养小室11内，所述滤筛床2包括相连接的底面211和侧壁212，至少部分侧壁212上镶嵌有渗透膜。

所述滤筛床2的个数与细胞培养小室11的个数相匹配。在一种实施方式中，所述滤筛床2设有四个，分别与第一细胞培养小室111、第二细胞培养小室112、第三细胞培养小室113、第四细胞培养小室114适配。

在本发明的某些实施方式中，所述滤筛床2横截面呈扇形。优选的，所述扇形的圆心角为90度。所述滤筛床2的侧壁212包括依次连接的第一曲面侧壁2121、第一平面侧壁2122、第二平面侧壁2123。

在本发明的某些实施方式中，所述滤筛床2的高度为5～10mm。

所述第一平面侧壁2122或第二平面侧壁2123的长度为8～10mm。

如图4-1所示，所述第一平面侧壁2122和第二平面侧壁2123上镶嵌有渗透膜。渗透膜的类型与相邻灌流通道的渗透膜类型相同。例如图4-1和图3所示，与第一细胞培养小室111适配的滤筛床2，其第一平面侧壁2122镶嵌的渗透膜与第二灌流通道122的渗透膜类型相同，第二平面侧壁2123的渗透膜与第一灌流通道121的渗透膜类型相同。再例如，与第二细胞培养小室112适配的滤筛床2，其第一平面侧壁2122和第二平面侧壁2123镶嵌的渗透膜均与第一灌流通道121的渗透膜类型相同。

在一种实施方式中，所述第一曲面侧壁2121、第一平面侧壁2122、第二平面侧壁2123设有搭边213。所述搭边213的设置可以方便将滤筛床2放入细胞培养小室11或从细胞培养小室11中取出。

所述第一曲面侧壁2121为超低吸附材质或设有超低吸附涂层的超薄结构，所述超低吸附材质例如玻璃，所述超低吸附涂层例如选自明胶涂层或水凝胶涂层或基质胶涂层等。第一曲面侧壁2121的厚度例如为0.01～5mm，优选的，厚度为0.1-0.2mm。底面211的材料适用于细胞例如肝细胞微球和小体积的基质胶3D培养方式，可以采用超低吸附材料，例如硼硅酸盐玻璃(优选为高透明度的硼硅酸盐玻璃)，也可用适合细胞贴壁生长的材料制作，例如聚苯乙烯(优选为高透明度的USP class VI级聚苯乙烯)，只要底面材料及其厚度适用于共聚焦显微观察即可。

在本发明的如图5所示的实施方式中，所述器官芯片模型还包括隔离框3，所述隔离框3由第二曲面侧壁31、第三平面侧壁32、第四平面侧壁33合围形成，所述隔离框3贴设于细胞培养小室11的侧壁内。

所述隔离框3的个数与细胞培养小室11的个数相匹配。在一种实施方式中，所述隔离框3设有四个，分别与第一细胞培养小室111、第二细胞培养小室112、第三细胞培养小室113、第四细胞培养小室114适配。

在本发明的某些实施方式中，所述隔离框3横截面呈扇形。优选的，所述扇形的圆心角为90度。

所述隔离框3与第一曲面侧壁2121相同，也为超低吸附材质或设有超低吸附涂层的超薄结构。隔离框3用于隔离细胞胶状悬液防止堵塞灌流通道，同时尽可能使细胞培养物贴合渗透膜，使隔离框3与细胞培养小室11之间的缝隙尽可能小，以适用于大体积的平铺基质胶3D培养方式，待胶凝固后缓慢取出隔离框3再灌流培养。

在本发明的某些实施方式中，所述器官芯片模型还设有顶盖，所述顶盖用于盖于基底1上，所述顶盖上设有与第一流体注入孔123、第一流体收集孔124、第二流体注入孔125、第二流体收集孔126相匹配的孔。

在本发明的某些实施方式中，所述器官芯片模型还设有封口塞，所述封口塞用于封闭第一流体注入孔123、第一流体收集孔124、第二流体注入孔125、第二流体收集孔126和/或细胞培养小室11。所述封口塞用于细胞趋化性实验中。所述封口塞为橡皮软塞。

所述第一流体注入孔123、第一流体收集孔124、第二流体注入孔125、第二流体收集孔126可外接导管，搭配微流控等动力系统使用。

本发明还提供所述器官芯片模型在药物研发、营养学等研究中的用途。

具体的，所述用途为在研究药物或其他物质与器官的相互作用中的用途。所述器官选自肝器官、肺器官及各自的类器官等。所述类器官是指由组织原代细胞、干细胞或肿瘤细胞在体外3D细胞诱导培养系统建立的，可以复制出组织或器官的复杂空间形态、位置信息和生理功能的细胞团。例如所述药物或其他物质与肝脏的相互作用例如为肝内药物代谢、肝脏对药物代谢的影响或药物对肝脏生理功能的影响、药物的毒理学以及营养学等研究。

本发明的器官芯片模型搭配微流控系统后，各细胞培养小室的微流控环境不同，可以适用于不同研究用途的培养/共培养实验。应用于肝器官/类器官芯片的使用方法如下：

经第一流体注入孔123和第二流体注入孔125分别注入适量的肝窦内皮细胞悬液和胆管内皮细胞悬液，器官芯片模型静置培养保证第一灌流通道121和第二灌流通道122内的细胞贴壁；再向细胞培养小室11中放入滤筛床2或隔离框3，添加肝细胞和适量培养液，置于CO₂培养箱中灌流培养。

如图6所示，所述器官芯片模型的第一流体注入孔123和第二流体注入孔125接入导管和动力泵，新鲜培养液和胆汁液分别从各自的注入孔注入，流经第一灌流通道121和第二灌流通道122，第一灌流通道121和第二灌流通道122分别模拟肝窦血流和胆汁流生理结构，且两种液流方向相反，最后分别汇集至第一流体收集孔124和第二流体收集孔126，各收集孔可连接导管收集管或微流控等动力系统收集流体，也可以手动收集流体。本发明对培养液成分、循环的动力来源和流速不做具体限定。

本发明的器官芯片模型应用于肺器官/类器官芯片的使用方法如下：

从第一流体注入孔123注入肺微血管内皮细胞悬液，静置贴壁后，再向细胞培养小室11中放入滤筛床2或隔离框3，添加肺细胞和适量培养液，最后从第二流体注入孔125通入气体，第一灌流通道121和第二灌流通道122分别模拟肺泡和肺血管。置于CO₂培养箱中灌流培养。

本发明的器官芯片模型应用于细胞趋化性实验研究的使用方法如下：

先从第一流体注入孔123和第二流体注入孔125注入细胞悬液，塞上封口塞后静置均匀贴壁，再向细胞培养小室11中加入趋化因子试剂，塞上细胞培养小室11的封口塞，趋化因子在灌流通道中形成浓度梯度，置于CO₂培养箱中灌流培养，实时观察灌流通道内的细胞生长情况并拍摄图片，ImageJ数据分析。多个细胞培养小室11和多个灌流通道可以同时满足研究多种趋化因子对细胞生长增殖情况的影响，具有一定的通量实验特征。

综上所述，本发明的器官芯片模型：1)可应用于肝器官芯片研究，增加了肝窦液流和胆汁液流系统，可实现肝窦内皮细胞、胆管内皮细胞等其他肝脏非实质细胞的共培养，更加完善了体外器官芯片肝小叶的细胞培养体系；2)可应用于肺器官/类器官芯片研究，实现模拟肺泡和肺血管的器官生理结构；3)所有液流系统和培养小室可实现回收检测。4)可应用于细胞趋化性实验研究，并且可以同时满足研究多种趋化因子对细胞生长增殖情况的影响，具有一定的通量实验特征。5)该芯片结构简单，操作便利，适用面广，可灵活装配和拆卸，满足3D培养方式的不同需求(超低吸附培养和基质胶、水凝胶培养方法等)。6)3D培养物可方便回收，用于下游检测和观察。因此本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (16)

1.一种器官芯片模型，其特征在于，所述器官芯片模型包括基底(1)，所述基底(1)上设有细胞培养小室(11)和灌流通道(12)，所述细胞培养小室(11)和灌流通道(12)均设有多个，所述灌流通道(12)设于各细胞培养小室(11)之间，并通过渗透膜和细胞培养小室(11)分隔，所述灌流通道(12)包括第一灌流通道(121)和第二灌流通道(122)，所述第一灌流通道(121)一端设有第一流体注入孔(123)，另一端设有第一流体收集孔(124)，所述第二灌流通道(122)一端设有第二流体注入孔(125)，另一端设有第二流体收集孔(126)。

2.根据权利要求1所述的器官芯片模型，其特征在于，所述各细胞培养小室(11)相邻设置并形成圆柱形。

3.根据权利要求1所述的器官芯片模型，其特征在于，所述细胞培养小室(11)设有4个，分别为第一细胞培养小室(111)、第二细胞培养小室(112)、第三细胞培养小室(113)、第四细胞培养小室(114)，四个细胞培养小室(11)相邻设置形成圆柱形；和/或，所述细胞培养小室(11)的底面的材料选自聚苯乙烯或硼硅酸盐玻璃；或，所述细胞培养小室(11)的底面上设有水凝胶涂层、明胶涂层、基质胶涂层中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的器官芯片模型，其特征在于，所述第一灌流通道(121)和第二灌流通道(122)均为L型；和/或，所述第一灌流通道(121)和第二灌流通道(122)呈十字形排列。

5.根据权利要求1所述的器官芯片模型，其特征在于，所述灌流通道(12)还包括如下特征中的一项或多项：

1)所述第一灌流通道(121)与细胞培养小室(11)相邻的面由PDMS膜构成；

2)第二灌流通道(122)与细胞培养小室(11)相邻的面由PC膜构成；优选的，所述PDMS膜或PC膜的孔径为0.1-30μm；

3)所述第一灌流通道(121)或第二灌流通道(122)的底面的材料选自聚苯乙烯或硼硅酸盐玻璃。

6.根据权利要求1所述的器官芯片模型，其特征在于，所述第一灌流通道(121)的宽度大于第二灌流通道(122)的宽度。

7.根据权利要求1所述的器官芯片模型，其特征在于，所述器官芯片模型还包括滤筛床(2)，所述滤筛床(2)套设于各细胞培养小室(11)内，所述滤筛床(2)包括相连接的底面(211)和侧壁(212)，至少部分侧壁(212)上镶嵌有渗透膜。

8.根据权利要求7所述的器官芯片模型，其特征在于，所述滤筛床(2)的个数与细胞培养小室(11)的个数相匹配；优选的，所述滤筛床(2)设有四个，分别与第一细胞培养小室(111)、第二细胞培养小室(112)、第三细胞培养小室(113)、第四细胞培养小室(114)适配。

9.根据权利要求7所述的器官芯片模型，其特征在于，所述滤筛床的侧壁(212)包括依次连接的第一曲面侧壁(2121)、第一平面侧壁(2122)、第二平面侧壁(2123)；和/或，所述底面(211)的厚度为0.01～5mm。

10.根据权利要求9所述的器官芯片模型，其特征在于，所述滤筛床(2)还包括以下特征中的一项或多项：

1)第一曲面侧壁(2121)的材料为玻璃，或第一曲面侧壁(2121)至少内表面上设有水凝胶涂层、明胶涂层或基质胶涂层；

2)第一平面侧壁(2122)和第二平面侧壁(2123)上镶嵌有渗透膜；优选的，第一平面侧壁(2122)和第二平面侧壁(2123)上镶嵌的渗透膜的类型与相邻灌流通道的渗透膜类型相同；

3)第一曲面侧壁(2121)的厚度为0.01～5mm；

4)底面(211)的材料选自聚苯乙烯或硼硅酸盐玻璃。

11.根据权利要求9所述的器官芯片模型，其特征在于，所述第一曲面侧壁(2121)、第一平面侧壁(2122)和/或第二平面侧壁(2123)上设有搭边(213)。

12.根据权利要求1所述的器官芯片模型，其特征在于，所述器官芯片模型还包括隔离框(3)，所述隔离框(3)由第二曲面侧壁(31)、第三平面侧壁(32)、第四平面侧壁(33)合围形成，所述隔离框(3)贴设于细胞培养小室(11)的侧壁内。

13.根据权利要求12所述的器官芯片模型，其特征在于，所述隔离框(3)还包括以下特征中的一项或多项：

1)所述隔离框(3)的个数与细胞培养小室(11)的个数相匹配；优选的，所述隔离框(3)设有四个，分别与第一细胞培养小室(111)、第二细胞培养小室(112)、第三细胞培养小室(113)、第四细胞培养小室(114)适配；

2)所述隔离框(3)的材质为玻璃，或所述隔离框(3)至少内表面上设有水凝胶涂层、明胶涂层或基质胶涂层；

所述隔离框(3)的厚度为0.01～5mm。

14.根据权利要求1所述的器官芯片模型，其特征在于，所述器官芯片模型还设有顶盖，所述顶盖用于盖于基底(1)上；优选的，所述顶盖上设有与第一流体注入孔(123)、第一流体收集孔(124)、第二流体注入孔(125)、第二流体收集孔(126)相匹配的孔。

15.根据权利要求1所述的器官芯片模型，其特征在于，所述器官芯片模型还设有封口塞，所述封口塞用于封闭第一流体注入孔(123)、第一流体收集孔(124)、第二流体注入孔(125)、第二流体收集孔(126)和/或细胞培养小室11。

16.权利要求1-15任一所述的器官芯片模型在药物研发、营养学研究、细胞趋化性实验中的用途。

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