CN116004384A - 一种可拔插、通量化的多器官互连芯片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可拔插、通量化的多器官互连芯片，包括盖板、多种器官培养小室、多器官互连芯片基体以及贴合于多器官互连芯片基体底部的高透光性封底膜；所述的多器官互连芯片基体上设置有若干小室插入孔，培养液灌流的进出口和连通各器官的微管道，以及两连或者四连或者六连的腔室；所述的小室插入孔内安装有多种器官培养小室，可以嵌入多器官互连芯片基体中；所述的盖板安装在多器官互连芯片基体上部内用于防止污染。本发明可以实现多器官互连，灌流培养，具有制作简单，易批量化生产，兼容性强，可兼容多种器官培养，可进行显微观察，与多种商用检测设备兼容，兼容自动化装置，按照一定程序进行小室拔插，满足现代药物研发工业自动化操作需求。

Description

一种可拔插、通量化的多器官互连芯片

技术领域

本发明涉及生物器件制造技术领域，特别是涉及一种可拔插、通量化的多器官互连芯片。

背景技术

药物开发是一个低效的资源密集型过程，新药开发的平均成本往往超过10亿美元。许多药物在第三阶段试验失败或在上市后表现出严重的副作用，最终导致药物开发失败。动物模型的预测能力有限是导致90％的候选药物在人体试验中失败的主要原因。目前医学研究主要依赖于简单的人类细胞培养或啮齿动物模型。简单的细胞培养是直观且便于操作的，但其预测能力因缺乏生物功能而有限。相比之下，动物模型具有更加强大的生理功能，但由于动物和人类生理学的差异，造成预测失败。器官芯片技术寻求通过在组织特定的三维环境中培养人体细胞来结合这两种模型的优势，通过构建人类遗传学、生理学和病理学多样性特征来实现对人体复杂系统的模拟，可用于医学研究以及提高药物开发效率等目的。

单器官芯片侧重于模仿单个器官功能，但在更高层次的组织中模拟器官之间的相互作用仍然十分具有挑战性。从整体的角度来看，人体的复杂性源于其各个组成部分之间在组织内部不同层次上动态的相互作用，模拟这些相互作用对于在体外模仿复杂生理系统的综合行为至关重要。集成多个器官单元的多器官芯片可看作一个整体，通过管道将不同器官之间进行联接，形成类似于人体的消化、运动、免疫等系统。因此开发兼容性强、通量化的多器官芯片在药物开发和个性化医疗方面具有巨大的应用前景。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可拔插、通量化的多器官互连芯片，作为多细胞培养、器官培养、多器官共培养装置，可用于药物筛选和个性化医疗等方面。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种可拔插、通量化的多器官互连芯片，所述可拔插多器官互连培养芯片，包括多器官互连芯片基体上的盖板、多种器官培养小室插入物多器官互连芯片基体、以及贴合于多器官互连芯片基体底部的高透光性封底膜。

所述盖板和芯片基体可以由机械雕刻，激光雕刻，三维打印，浇筑成型等多种加工方式成型；

所述盖板内嵌于芯片基体上部，可通过手动或负压吸盘机械手臂等多种方式将盖板加载或者移除。

所述盖板为无色透明，可以透过盖板实时观察培养芯片内器官培养状态。

所述多种器官培养小室插入物为加工的Transwell小室类似物或直接使用商用的Transwell小室插入物；

所述多种器官培养小室插入物由侧壁和底部多孔结构两部分构成，所述多孔结构可以是微通道、多孔膜、微栅栏或水凝胶等具备多孔渗透性的材料或结构；

所述多种器官培养小室插入物与多器官互连基体之间通过微通道、多孔膜、微栅栏或水凝胶连接。微通道、多孔膜、微栅栏或水凝胶的存在，既避免了细胞培养室中的细胞进入到互连基体中或基体中的细胞进入到器官培养小室插入物中，同时允许液体、细胞因子、外泌体、药物或细胞代谢物穿过，实现器官之间进行互连通讯。

进一步地，器官培养小室插入物外侧壁面设置至少一个定位柱，所述细胞培养小室插入物通过包旋转、嵌入等多种方式卡入多器官芯片基体，因此，可根据需要，通过流体灌注实现不同的器官之间任意互连。

进一步地，器官培养小室插入物外侧壁面顶部至少设置一个机械手卡位，所述机械手卡位可以为任意形状，便于机械手抓取器官培养小室插入物，并将准确卡入芯片基体小室插入孔中。

所述每个器官培养小室插入物可以培养一种或者多种器官，器官可以以细胞球、类器官、活体组织等细胞的聚集体的形式存在于小室插入物内部或外部。细胞的培养方式包括贴附在小室插入物的底部多孔结构或悬浮于液体培养基中或者在三维基质中培养。

所述芯片基体具有外部液体接孔、流体进入芯片基体通道，内部流体灌注孔、小室插入孔，小室插入卡口、器官连通流道，流体流出芯片通道等多种结构。

所述芯片基体的尺寸规格与商用细胞培养6孔板、12孔板、24孔板、48孔板、96孔板具有相同的尺寸，可兼容酶标仪、显微镜等多种检测设备；所述小室插入孔位置与商用孔板培养孔圆心位置一致，可兼容多种自动化移液装置。

所述芯片基体包含的外部连接孔通过鲁尔接头等微管道连接外部隔膜泵、蠕动泵、气压泵或注射泵将培养基泵入芯片。

所述芯片基体至少具有两个流体灌注通道，其中一个为流体进入芯片基体通道，另一个为流体流出芯片通道，两个液体灌注流道通道分别内嵌于芯片基体长轴方向内，且两端与外部液体接孔相连；

所述流体进入芯片基体通道在水平高度上略高于流体进出芯片基体通道，可以在芯片基体内部液体液面的高度差可以驱动流体流动。

所述芯片基体内部具有若干个器官培养小室插入孔，根据共培养的器官数，形成不同的阵列，具有可拓展性。

所述两侧靠近流体灌注通道或的器官培养小室插入孔具有一个圆弧斜面，可与流体灌注通道相切或相交，形成多个内部流体灌注孔。

所述器官培养小室插入孔侧面具有对称的小室插入卡口，器官培养小室插入物可以通过竖直插入基体后，旋转一定角度，实现小室插入物固定于芯片基体内，便于培养或观察。

所述器官培养小室插入孔通过芯片基体底部的器官连通流道相互连接，允许两个或两个以上的相同或不同器官之间任意连通，通过流体灌注提供类似血液的方式连通各个器官，并为器官提供剪切力环境；

所述芯片基体底部由封底膜，封底膜可为高透光性封底膜或玻璃或高分子透光性材料，对芯片基体底部通道进行封闭。在提供封闭的液体环境的同时，提供高透光性以进行细胞或器官显微观察。

本发明提供一种可拔插多器官互连培养芯片的使用方式包括：

向所述器官插入物小室底部多孔结构外侧接种血管内皮细胞，于37℃培养，得到具有血管连通结构的芯片；

向所述器官插入物小室底部多孔结构外侧接种不同器官细胞和基质材料混合的细胞悬液或细胞团或类器官或微组织，于37℃培养，得到多种器官的小室插入物；

将上述含有血管细胞层的不同器官插入物按照实验需求，依次排列于芯片培养微孔中，将芯片基体底部，使用高透光性膜进行封闭。

将可拔插多器官互连培养芯片与外部管道和外部泵装置进行连接，使用血管内皮细胞培养基，在37℃培养箱中或其他小型细胞配养装置中进行灌注培养。

一种具有屏障或球状类器官的构建方式，具体步骤如下：

步骤一：使用胶原，包括Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ等多种胶原、基质胶或水凝胶等其他具有包被功能的材料，于器官培养小室底部多孔材料内部或外部进行包被。

步骤二：将一定浓度血管内皮细胞悬液，按照一定体积添加于器官培养小室底部多孔结构外侧，静止至少2小时，使细胞贴壁生长形成血管。

步骤三：将一定浓度屏障类器官如肠道、皮肤、肺、血脑屏障等的细胞悬液，按照一定体积添加于器官培养小室底部多孔结构内侧，添加该器官培养所需培养基，静止至少2小时，使细胞贴壁生长形成含有血管的屏障类器官。

步骤四：将一定浓度球状类器官如肝脏、心脏或其他器官的类器官混合基质胶悬液，按照一定体积添加于器官培养小室底部多孔结构内侧，放入培养箱加热固化基质胶后，添加该器官培养所需培养基，进行静置或灌流培养。

有益效果：本发明涉及一种可拔插、通量化的多器官互连芯片，具有以下优点：

(1)、本发明提供多器官共培养芯片，整体制作简单，可以进行灌流培养，芯片整体大小与商用细胞培养多孔板一致，可兼容多种培养或检测设备，本发明还可以通过自动化装置，按照一定程序进行小室拔插，满足现代药物研发工业自动化操作需求；

(2)、本发明提供的芯片可进行多种形式的器官培养，可以根据不同器官的生理特性构建器官；同时各个培养小室相对独立，可使用器官所需求的培养基进行独立培养；

(3)、本发明提出的多种器官连接方式是通过芯片底部通道，芯片可利用外部管道或者泵设装置进行循环灌流培养，同时，通道内部具有血管内皮细胞以及高度差，可在芯片内模拟血液循环系统的器官灌注；

(4)、所创造的共培养互连芯片可根据需求进行任意多个器官组装，共培养的器官数量具有可拓展性，可根据需求将两个或两个以上的器官进行连接共培养。

附图说明

图1是本发明所述的可拔插多器官互连培养芯片爆炸示意图；

图2是本发明所述的器官培养小室插入物爆炸示意图；

图3是本发明所述的可拔插多器官培养芯片俯视局部示意图；

图4是本发明所述的可拔插多器官互连培养芯片侧面剖视示意图；

图5是本发明所述的小肠屏障类器官明场照片。

图示：1、盖板，2、多种器官培养小室插入物，3、多器官互连芯片基体，4、高透光性封底膜，2-1、机械手卡位，2-2、定位柱，2-3、多孔结构，3-1、外部连接孔，3-2、流体进入芯片基体通道，3-3、内部流体灌注孔，3-4、小室插入孔，3-5、小室插入卡口，3-6、器官连通流道，3-7、流体流出芯片通道。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种可拔插、通量化的多器官互连芯片，如图1—4所示，所述可拔插多器官互连培养芯片，包括多器官互连芯片基体上的盖板1、多种器官培养小室插入物2、多器官互连多器官互连芯片基体3、以及贴合于多器官互连芯片基体底部的高透光性封底膜4。

所述盖板1和多器官互连芯片基体3可以由机械雕刻，激光雕刻，三维打印，浇筑成型等多种加工方式成型；可以采用聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate,PMMA)、聚苯乙烯(Polystyrene，PS)或一些具有高生物相容性地三维打印材料，多器官互连芯片基体3尺寸与商用多孔细胞培养板尺寸一致，长轴长度为127.50mm，短轴长度为82.25mm。

所述盖板1内嵌于多器官互连芯片基体3上部，可通过手动或负压吸盘等多种方式将盖板放置于或者移除。

所述盖板1为无色透明，可以透过盖板1实时观察培养芯片内器官培养状态。

所述多种器官培养小室插入物2为加工的Transwell小室类似物或直接使用商用的Transwell小室插入物；

所述多种器官培养小室插入物2由侧壁和底部多孔结构2-3两部分构成，所述多孔结构2-3可以是微通道、多孔膜、微栅栏或水凝胶等具备多孔渗透性的材料或结构；

进一步地，器官培养小室插入物2外侧壁面设置至少一个定位柱2-2，优选地，两个长方体或圆柱体定位柱2-2结构对称分布于器官培养小室侧壁外部，突出高度为0.5～3mm。所述细胞培养小室插入物通过包嵌入、旋转等多种方式卡入多器官芯片基体，并由定位柱实现器官培养小室插入物2精确定位。因此，可根据需要，通过流体灌注实现不同的器官之间任意互连。

进一步地，器官培养小室插入物2外侧壁面顶部至少设置一个机械手卡位2-1，所述机械手卡位可以为任意形状，便于机械手抓取器官培养小室插入物2，并将准确卡入芯片基体小室插入孔3-4中。优选地，两个钳形结构机械手卡位2-1对称分布于器官培养小室侧壁外侧顶部，长度为2～10mm。

所述每个器官培养小室插入物2可以培养一种或者多种器官，器官可以以贴壁培养、细胞球、类器官、活体组织等细胞的聚集体的形式存在于小室插入物内部或外部。细胞的培养方式包括贴附在小室插入物的多孔结构2-4或悬浮于液体培养基中或者在三维基质中培养。

所述多器官互连芯片基体3具有外部液体接孔3-1、流体进入芯片基体通道3-2，内部流体灌注孔3-3、小室插入孔3-4，小室插入卡口3-5、器官连通流道3-6，流体流出芯片通道3-7等多种结构。

所述多器官互连芯片基体3包含的外部连接孔3-1通过鲁尔接头等微管道连接外部隔膜泵、蠕动泵、气压泵或注射泵将培养基泵入芯片。

所述多器官互连芯片基体3至少具有两个流体灌注通道，其中一个为流体进入芯片基体通道3-2，另一个为流体流出芯片通道3-7，流体通道直径为1～5mm，以四器官共培养芯片为例，两个液体灌注流道通道3-2分别内嵌于多器官互连芯片基体3长轴方向内，距离芯片基体底部4～10mm，且两端与竖直方向的外部液体接孔3-1相连，外部孔直径为2～5mm，与商用流体零部件鲁尔接头配合使用；

所述流体进入芯片基体通道3-2在水平高度上略高于流体进出芯片基体通道3-70.5～3mm，可以在芯片基体内部液体液面的高度差可以驱动流体流动。

所述芯片基体内部具有若干个器官培养小室插入孔3-4，根据共培养的器官数，形成不同的阵列，具有可拓展性。以四器官共培养芯片为例，器官培养小室插入孔形成4×6排布于多器官互连芯片基体3内。

所述两侧靠近流体灌注通道3-2或流体流出芯片通道3-7的器官培养小室插入孔3-4具有一个圆弧斜面，与流体灌注通道3-2或流体流出芯片通道3-7相交，形成每侧6个内部流体灌注孔3-3。

所述器官培养小室插入孔3-4侧面具有对称的小室插入卡口3-5，器官培养小室插入物可以通过竖直插入基体后，旋转一定1～90°角度后，实现小室插入物固定于芯片基体内，便于培养或观察。

所述器官培养小室插入孔3-4通过多器官互连芯片基体3底部的器官连通流道3-6相互连接，允许两个或两个以上的相同或不同器官之间任意连通，通过流体灌注提供类似血液的方式连通各个器官，并为器官提供剪切力环境；

高透光性封底膜4可为高透光性封底膜或玻璃或高分子透光性材料进行封闭，可以在提供封闭的液体环境的同时，提供高透光性以进行细胞或器官显微观察。

实施例1

向所述器官插入物小室2底部多孔结构2-2外侧接种血管内皮细胞，于37℃培养，得到具有血管连通结构的芯片；

向所述器官插入物小室2底部多孔结构2-2内侧接种不同器官细胞和基质材料混合的细胞悬液或细胞团或类器官或微组织，于37℃培养，得到多种器官的小室插入物；

将可拔插多器官互连培养芯片通过高压或紫外或酒精浸泡等方式进行彻底杀菌，使用高透光性封底膜4进行底部通道封闭。

在进行多器官共培养之前，使用完全培养基进行至少30分钟孵育，以构建合适的培养环境。

将上述含有血管细胞层的不同器官插入物按照实验需求，依次排列于芯片培养微孔中；

通过鲁尔接头和管道将芯片基体2上的流体外部连接孔3-1与外部隔膜泵装置进行连接，使用血管内皮细胞培养基，在37℃培养箱中或其他小型细胞配养装置中以0.3～1.5mL/min的流体速度进行灌注培养，每隔24～48小时更换一次器官培养小室插入物中培养基。

实施例2

(1)、配置浓度为50～500μg/mL的Ⅰ型胶原PBS溶液，每个小室添加10～200μL于器官培养小室内，最终以5～20μg/m2的密度包被器官培养小室底部多孔材料，4℃下过夜。

(2)、第二天使用洁净的PBS清洗1～3遍。倒置器官培养小室插入物，使用PBS稀释，浓度为5～30％的基质胶，浓度为5～30％，每个器官培养小室插入物2底部多孔结构(2-2)滴加10～200μL包被液，室温下孵育1h，洁净PBS冲洗一遍。

(3)、添加50～200μL浓度为0.1～5×10⁶个/mL的血管内皮细胞悬液，于器官培养小室底部多孔结构2-2外侧，37℃静止至少2小时，使细胞贴壁生长。

(4)、倒置器官培养小室插入物，将配制的浓度为0.1～5×10⁶个/mLCaco-2细胞悬液，添加于器官培养小室底部多孔结构非血管侧，每个培养小室添加50～200μL，并添加足量培养基，静止至少2小时，使细胞贴壁生长形成含有血管的小肠屏障类器官，具体情况如图5所示。

以上对本申请所提供的一种可拔插、通量化的多器官互连芯片，进行了详细介绍，本文中应用了具体例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (8)

1.一种可拔插、通量化的多器官互连芯片，其特征在于：包括盖板(1)、多种器官培养小室插入物(2)、多器官互连芯片基体(3)以及贴合于多器官互连芯片基体(3)底部的高透光性封底膜(4)，所述的多器官互连芯片基体(3)上设置有若干小室插入孔(3-4)，所述的小室插入孔(3-4)内安装有多种器官培养小室插入物(2)，所述的盖板(1)安装在多器官互连芯片基体(3)上部内用于密封多器官互连芯片基体(3)，所述的多器官互连芯片基体(3)内设置有若干与小室插入孔(3-4)底部连通的器官连通流道(3-6)，所述的多器官互连芯片基体(3)内至少具有两个流体灌注通道，其中一个为流体进入芯片基体通道(3-2)，另一个为流体流出芯片通道(3-7)，所述的小室插入孔(3-4)与流体进入芯片基体通道(3-2)或流体流出芯片通道(3-7)之间均设置有内部流体灌注孔(3-3)，所述的多器官互连芯片基体(3)上设置有与流体进入芯片基体通道(3-2)连通的外部连接孔(3-1)。

2.根据权利要求1所述的一种可拔插、通量化的多器官互连芯片，其特征在于：所述的流体进入芯片基体通道(3-2)在水平高度上略高于流体进出芯片基体通道(3-7)0.5～3mm，可以在芯片基体内部液体液面的高度差可以驱动流体流动。

3.根据权利要求1所述的一种可拔插、通量化的多器官互连芯片，其特征在于：所述的小室插入孔(3-4)侧面具有对称的小室插入卡口(3-5)，多种器官培养小室插入物(2)可以竖直插入后，旋转1～90°角度，实现多种器官培养小室插入物(2)固定在多器官互连芯片基体(3)内。

4.根据权利要求1所述的一种可拔插、通量化的多器官互连芯片，其特征在于：所述的多种器官培养小室插入物(2)的底部采用多孔结构(2-3)，所述的多孔结构(2-3)采用多孔渗透性材料制成。

5.根据权利要求1所述的一种可拔插、通量化的多器官互连芯片，其特征在于：所述的多种器官培养小室插入物(2)的外侧壁面设置至少一个定位柱(2-2)。

6.根据权利要求1所述的一种可拔插、通量化的多器官互连芯片，其特征在于：所述的多种器官培养小室插入物(2)的外侧壁顶部至少设置一个机械手卡位(2-1)。

7.根据权利要求6所述的一种可拔插、通量化的多器官互连芯片，其特征在于：所述的机械手卡位(2-1)呈钳形结构，共有两个对称分布于多种器官培养小室插入物(2)，长度为2～10mm。

8.根据权利要求1所述的一种可拔插、通量化的多器官互连芯片，其特征在于：所述的高透光性封底膜(4)采用玻璃或高分子透光性材料。

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