CN116547376A - 用于细胞培养的微流体细胞培养装置和方法 - Google Patents

用于细胞培养的微流体细胞培养装置和方法 Download PDF

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候昂·阮
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Abstract

公开了一种用于细胞培养的微流体细胞培养装置(100)。微流体细胞培养装置(100)包括：两个或更多个介质储器(102、104)；具有非平面表面(108)的第一微流体室(106)；作为压力室的第二微流体室(110)；柔性无孔膜(112)，该柔性无孔膜将第一微流体室(106)和第二微流体室(110)分隔开，其中，柔性无孔膜(112)与第一微流体室(106)的非平面表面(108)相对；以及一个或多个微流体通道(114、116、124、126)，该一个或多个微流体通道将第一微流体室(106)连接到两个或更多个介质储器(102、104)。还公开了一种使用上述微流体细胞培养装置(100)进行细胞培养的方法。

Description

用于细胞培养的微流体细胞培养装置和方法
技术领域
本公开总体上涉及细胞培养技术，更具体地涉及用于细胞培养的微流体细胞培养装置。此外，本公开涉及细胞培养的方法。
背景技术
细胞具有在体内生长和分化的固有特性。然而，也可以使细胞在体外生长，以模拟与生物体相关的体内过程。值得注意的是，体外细胞培养试验已成为评价多种细胞相互作用、细胞损伤和愈合机制等的重要手段。然而，多种细胞模型，例如来自诸如脑、脊髓、外周神经和神经肌肉接头的细胞的神经系统模型很难使用体外细胞培养试验来复制或研究，主要是因为这种试验无法解释这些细胞模型在其自然环境中的多层次细胞相互作用。因此，神经系统模型可以使用膜模型或通道模型来研究。
膜模型通常使用多孔膜作为用于细胞附着和/或向细胞供应营养介质的支架。通常，可以使用包括多孔膜的微流体装置来复制和研究多种细胞模型，例如血管模型。然而，这种微流体装置并没有被优化用于脑研究(即神经系统模型)，例如确定多种压力对神经细胞的影响。通常，这种微流体装置中的多孔膜无法操纵施加在该多孔膜上的压力(通过培养室的液体压力或膜上的机械压力)来形成可靠的装置。此外，微流体装置的多孔膜通常是刚性的和易碎的，并且容易被撕裂，导致装置不可靠。此外，多孔膜还具有不善于引导神经元轴突生长的缺点，因此不能用于对灰质以外的神经损伤进行准确建模。
最近，已经生产出微流体挤压装置来解决与常规微流体装置相关的问题。这种微流体挤压装置采用无孔膜将微流体挤压装置分隔成2部分，并挤压在布置在微流体挤压装置中合适位置的基底上生长的细胞培养物。然而，现有的微流体挤压装置也没有针对脑研究(即神经系统模型)进行优化，因为当试图模拟脑创伤时，无孔膜导致室压差在生理相关水平上过高。
通道模型更适合于容纳神经系统细胞培养物，并旨在沿着特定的通道、管道、凝胶等形成神经轴突，神经细胞可以通过该通道、管道、凝胶等或在该通道、管道、凝胶等中生长。将理解的是，神经元需要轴突生长的物理引导。现有的基于微流体通道的装置被设计为将神经系统细胞培养物容纳在通道中，并对神经系统细胞培养物施加压力以引起神经系统细胞培养物损伤或出血。然而，大多数的这种通道是窄的，并且其制备材料是塑料或聚硅氧烷，因此，很难使用空气或液体压力以可控的方式在这种通道上施加压力。因此，主要由于施加的压力低而使得这种基于微流体通道的装置不适用于研究脑损伤。
目前，使用小鼠模型来研究神经系统模型。这种小鼠模型通常涉及用标准力击打小鼠颅骨，从而引起脑损伤或出血，并最终牺牲小鼠以进行数据收集。然而，动物模型在复制人神经系统模型方面不是很有效，而且在道德上也有问题。此外，小鼠还具有与专门建造的设施、训练有素的技术人员和长的等待时间相关的高成本，因为小鼠在几个月的时间内复制和生长，每只小鼠只能产生一个数据点。此外，小鼠模型与频繁的人干预的需求相关，从而使常规技术效率低。
因此，考虑到上述讨论，需要克服与用于细胞培养，特别是用于研究神经组织损伤的常规技术相关的缺点。
发明内容
本公开寻求提供一种用于细胞培养的微流体细胞培养装置。本公开还寻求提供一种细胞培养的方法。本公开寻求提供体外细胞培养和了解多种细胞相互作用和/或过程的现有问题的解决方案。本公开的目的是提供一种解决方案，该解决方案至少部分地克服了现有技术中遇到的问题，并针对微流体细胞培养装置提供了一种有效且可靠的设计，该设计实现了由细胞的最佳生长所定义的更高质量的细胞，以分析细胞(具体是脑细胞)的损伤和愈合，或在该细胞上测试潜在物质，例如药物、治疗剂、毒素、污染物等。
在一个方面，本公开的实施例提供了一种用于细胞培养的微流体细胞培养装置，该微流体细胞培养装置包括
-两个或更多个介质储器；
-具有非平面表面的第一微流体室；
-作为压力室的第二微流体室，
-柔性无孔膜，该柔性无孔膜将第一微流体室和第二微流体室分隔开，其中该柔性无孔膜与第一微流体室的非平面表面相对；和
-一个或多个微流体通道，该一个或多个微流体通道将所述第一微流体室连接到两个或更多个介质储器。
在另一个方面，本公开的实施例提供了一种使用微流体细胞培养装置进行细胞培养的方法，该微流体细胞培养装置包括：
-两个或更多个介质储器；
-具有非平面表面的第一微流体室；
-作为压力室的第二微流体室，
-柔性无孔膜，该柔性无孔膜将第一微流体室和第二微流体室分隔开，其中该柔性无孔膜与第一微流体室的非平面表面相对；和
-一个或多个微流体通道，该一个或多个微流体通道将第一微流体室连接到两个或更多个介质储器，
其中，所述方法包括在第一微流体室的非平面表面上培养生物材料。
本公开的实施例基本上消除了或至少部分地解决了现有技术中的上述问题，以及使得能够在微流体细胞培养装置中有效地供应介质并改进所用培养介质的移除，以实现细胞的最佳生长。有益地，微流体细胞培养装置设计适合于对人类神经系统进行建模，以便通过改变第一微流体室中的流体压力来研究脑的流体压力的增加，从而提供更复杂、可调谐和可重复的系统来对不同类型的脑损伤进行建模。
本公开的其它方面、优点、特征和目的将从附图和以下结合所附权利要求解释的说明性实施例的详细描述中变得显而易见。
将理解的是，在不脱离所附权利要求所限定的本公开的范围的情况下，本公开的特征易于以各种组合进行组合。
附图说明
当结合附图阅读时，可以更好地理解以上概述以及以下说明性实施例的详细描述。为了说明本公开的目的，在附图中示出了本公开的示例性构造。然而，本公开不限于本文公开的具体方法和工具。此外，本领域技术人员将理解，附图不是按比例绘制的。相似的元件尽可能用相同的数字表示。
现在将参考以下图，仅通过示例性的方式来描述本公开的实施例，其中：
图1和图2分别是根据本公开的实施例的用于细胞培养的微流体细胞培养装置的透视图和分解图；和
图3是根据本公开的实施例的用于细胞培养的方法的步骤的流程图。
在附图中，带下划线的附图标记用于表示带下划线的附图标记位于其上的项目或与带下划线的附图标记相邻的项目。无下划线的附图标记涉及通过将无下划线的附图标记与项目关联的线标识的项目。当附图标记无划线并附有相关的箭头时，该无下划线的附图标记用于标识箭头所指向的一般项目。
具体实施方式
以下详细描述说明了本公开的实施例以及可以实现该实施例的方式。尽管已经公开了实施本公开的一些方式，但是本领域技术人员将认识到，用于实施或实践本公开的其他实施例也是可能的。
在一个方面，本公开的实施例提供了一种用于细胞培养的微流体细胞培养装置，该微流体细胞培养装置包括：
-两个或更多个介质储器；
-具有非平面表面的第一微流体室；
-作为压力室的第二微流体室，
-柔性无孔膜，该柔性无孔膜将第一微流体室和第二微流体室分隔开，其中，该柔性无孔膜与第一微流体室的非平面表面相对；和
-一个或多个微流体通道，该一个或多个微流体通道将第一微流体室连接到两个或更多个介质储器。
在另一个方面，本公开的实施例提供了一种使用微流体细胞培养装置进行细胞培养的方法，该方法包括：
-两个或更多个介质储器；
-具有非平面表面的第一微流体室；
-作为压力室的第二微流体室，
-柔性无孔膜，该柔性无孔膜将第一微流体室和第二微流体室分隔开，其中，该柔性无孔膜与第一微流体室的非平面表面相对；和
-一个或多个微流体通道，该一个或多个微流体通道将所述第一微流体室连接到两个或更多个介质储器，
其中，所述方法包括在第一微流体室的非平面表面上培养生物材料。
本公开提供上述微流体细胞培养装置。微流体细胞培养装置具有微流体通道，该微流体通道用于神经系统细胞培养，并且为生长细胞提供引导以定位在期望位置和模拟神经系统模型。微流体细胞培养装置能够培养细胞或诸如类器官、球体、组织片等的任何含细胞体。而且，微流体细胞培养装置被设计为持续提供新鲜细胞(即生物样品)、营养饲料和各种分析物，以实现细胞的最佳生长和测试目的。此外，微流体细胞培养装置通过有效模拟人体组织和器官中的流体流动而提供细胞在生长时的有效产生。本公开的装置能够通过将球状类器官加入到装置中，将该球状类器官捕获在装置的中心，并对该球状类器官施加压力以模拟脑损伤(诸如颅骨断裂会引起的脑损伤)来研究脑类器官。而且，微流体细胞培养装置是一种用于实时研究细胞损伤和愈合的具有整体能量、时间和成本效益的解决方案。有益地，所施加的压力可基于用于研究不同类型脑损伤的细胞类型或实验类型调节，例如可在强度或施加时间(毫秒到分钟的范围内)方面调节。此外，有益地，微流体细胞培养装置解决了与常规的基于膜的微流体挤压装置以及基于通道的微流体装置相关的关于其不能用于脑研究的问题。此外，微流体细胞培养装置(及使用其的方法)能够用人细胞以高通量检测脑损伤，并避免在临床前脑创伤研究领域使用动物模型。
在本公开中，微流体细胞培养装置用于细胞培养。本文所用的术语“细胞培养”是指在人工创造的环境中，在受控条件下，以一生长速率从少量到大量生长细胞的过程。所述受控条件适合于细胞的最佳生长，并且包括用于生长的合适容器、生长介质(包括营养饲料、生长因子、激素)和物理化学参数(诸如pH、渗透压、湿度、温度、无菌条件)。而且，提供少量细胞(即接种物)作为装置的输入，并且接收大量细胞(即培养的细胞)作为输出。将理解的是，可以在实现所需的细胞生长之后加入新的细胞。可选地，可以在生长介质和一种或多种分析物中培养细胞。可选地，将一种或多种分析物加入到细胞培养物中，以监测一种或多种分析物对细胞和/或多种细胞过程的影响。可选地，一种或多种分析物可以包括但不限于治疗剂、药物、污染物和毒素。可选地，多种细胞过程包括但不限于生长和再生、分化、运动、分裂、粘附、分泌、死亡、基因型、表型、代谢。
在整个本公开中，本文使用的术语“微流体细胞培养装置”是指模拟自然生物环境并为其中的生物材料(诸如细胞)创造体外微生理环境的装置。在这方面，微流体细胞培养装置结合了微流体流动、脉管系统和屏障，以为生物材料的生长提供活细胞样条件。值得注意的是，生物材料具有通过在最佳生长条件下使细胞增殖而生长的先天机制。生长介质和微流体细胞培养装置为生物材料的生长提供这种最佳条件，例如合适的温度、pH、营养物、水分、气体交换等。而且，微流体细胞培养装置包括在单个紧凑的易于操纵的单元中培养生物材料所需的所有部件。微流体细胞培养装置可用于生长细胞和研究细胞相互作用、细胞损伤和愈合机制等。此外，这种微流体细胞培养装置可用于分析多种药理学或毒理学化合物对细胞的影响。
而且，本公开的微流体细胞培养装置可以具有各种形状(诸如圆形或平面的)、尺寸和制备，以适应各种细胞培养和细胞过程。可选地，微流体细胞培养装置可以具有不同的形状，诸如正方形棱柱、矩形棱柱、圆柱体、球体、圆盘、载玻片、芯片、膜、板、垫、管、股、盒等。可选地，微流体细胞培养装置可以具有不同的尺寸以能够容易地操纵其中的内容物，并且与诸如微量滴定板、多通道移液器、显微镜、喷墨型阵列点样仪(inkjet-type arrayspotters)、光刻阵列合成设备、阵列扫描仪或读取器、荧光检测器、红外(IR)检测器，质谱仪、热循环仪、高通量机械、机器人等的各种标准实验室设备兼容。
可选地，微流体细胞培养装置使用制备材料来制造，该制备材料选自以下各项中的任一种：聚二甲基硅氧烷(PDMS)、FlexdymTM聚合物、硫醇烯聚合物、基于UV可固化环氧树脂的光致抗蚀剂、PMMA、聚苯乙烯、PLGA、软性热塑性弹性体(sTPE)、苯乙烯嵌段共聚物(BCP)、SU-8聚合物或它们的任意组合。值得注意的是，微流体细胞培养装置由通常适合于细胞培养、防水并且足够坚固以在使用过程中经受各种生物和/或生物化学过程的影响的制备材料来制造。可选地，所述制备材料提供最佳的流量、微流体、生理条件等，从而模拟生物材料的自然功能。在示例中，微流体细胞培养装置的制备材料允许气体分子或两种液体或一种液体与穿过其中的气体之间的小分子不直接接触地持续交换。这种分子的间接扩散使细胞保持更长时间的新鲜和活力。微流体细胞培养装置使用制备材料的多层来制造。通常，所述制备材料的多层具有足够的厚度以承受生长细胞的重量并进行各种过程。
可选地，制造和加工技术可以包括但不限于注射成型、二次成型、三维打印、光刻等。在示例中，使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)(一种含有碳和硅的矿物有机聚合物)作为用于制造微流体细胞培养装置的制造材料。值得注意的是，PDMS以其生物相容性、透明性、柔韧性、透气性、低溶解性和低表面张力而闻名。在该示例中，制造微流体细胞培养装置包括将PDMS基础单体与交联剂(用于PDMS的固化)混合，将所得混合物倒入具有期望形状和尺寸的微结构模具中，并使该混合物经受最佳温度以获得模具的弹性体复制体。而且，将多层PDMS堆叠在彼此之上，以产生具有复杂几何形状的结构，从而能够添加膜、屏障、导管和其他可以根据需要集成的潜在事物。使用等离子体结合或粘合材料将多个层结合在一起。而且，可选地，对微流体细胞培养装置进行等离子体处理，用乙醇和缓冲液冲洗以去除气泡，并施加含有细胞粘附材料(例如胶原、纤连蛋白、层粘连蛋白、透明质酸、其他基质蛋白或它们的组合)的涂覆溶液。通常，将微流体细胞培养装置孵育预定时间，之后去除涂覆溶液，并且在加入生物材料之前清洗微流体细胞培养装置。在示例中，微流体细胞培养装置可以包括6层PDMS，每层的厚度在100-3000微米(μm)之间的范围内。在示例中，上限可以是1cm或2cm。微流体细胞培养装置的每层的厚度可以例如为100、500、1000、1500、2000或2500μm至500、1000或1500、2000、2500或3000μm。在替代性示例中，可以使用其他聚硅酸盐材料或塑料来制造微流体细胞培养装置。
将理解的是，上述微流体细胞培养装置是单个单元，并且可以将多个这种单元组合以形成按照ANSI孔板格式或其他这种高通量系统的高通量孔板格式芯片或单元阵列。有益地，这种高通量系统能够成倍地执行(和分析)组织创伤和愈合模型。而且，这种高通量系统允许高效的自动化以及机器人操作。
可选地，微流体细胞培养装置可以设计为透明板或芯片以提高光学清晰度，或者设计为涂覆板或芯片以用于荧光和/或发光研究。有益地，微流体细胞培养装置可用于与各种标准多孔细胞培养板配合，以用于克隆、孵育、筛查等各种应用。通常，标准多孔细胞培养板具有限定的外部尺寸，通常为2:3的矩形矩阵。标准多孔细胞培养板可以选自例如包括2×3、3×4、4×6、6×8、8×12、16×24、32×48和48×72孔矩阵的标准的6、12、24、48、96、384、1536和3456孔细胞培养板，以用于高通量分析。因此，多孔细胞培养板的孔尺寸、直径和孔之间的距离也根据行业标准来定义。可选地，本公开的微流体细胞培养装置可以以片材的形式大量生产并冲压成期望的形状(诸如球形)，以适应多孔细胞培养板的孔。将理解的是，由此围出的尺寸和体积不能大于孔本身。而且，根据微流体细胞培养装置与不同的多孔细胞培养板格式的使用，该微流体细胞培养装置应具有相同的外部尺寸。
此外，特定孔板格式的微流体细胞培养装置的尺寸可以基于多孔细胞培养板格式的最大长度和多孔细胞培养板格式的最大宽度来定义。为了材料的完整性，最大长度计算为孔间距离(即微流体细胞培养装置中的三个孔)的倍数减去微流体室壁的某一最小厚度，因为从制造和可用性的角度来看，这是相关的。类似地，最大宽度计算为孔间距离(即微流体细胞培养装置中的1个孔)的倍数减去微流体室壁的某一最小厚度。
在示例中，微流体细胞培养装置可以与标准384孔板格式(ANSI SLAS 4-2004(R2012)，孔位置的微板标准)一起使用。在这方面，微流体细胞培养装置的内部尺寸可以例如为3.7mm x 12.7mm(宽度x长度)。而且，对于1536和3456孔板格式，微流体细胞培养装置的内部尺寸将分别大致减小两倍和三倍。在这方面，为了在3456孔板格式装置中使用，微流体细胞培养装置的内部尺寸可以是1.0mm x 4.0mm。此外，微流体细胞培养装置的高度可以在5mm至20mm的范围内。将理解的是，如果要在具有根据ANSI标准的外部尺寸的多孔细胞培养板格式中添加额外的孔，则可以增加微流体细胞培养装置的长度。将理解的是，微流体细胞培养装置的外部尺寸也将遵循标准384孔板格式(孔板外形尺寸–ANSI/SLAS 1-2004(R2012))。
可选地，细胞培养是三维细胞培养。本文所用的术语“三维细胞培养”是指在受控条件下培养单个或多个细胞，以类似于体内细胞生长地在三维中生长和与其周围环境相互作用。三维细胞培养使用无细胞三维支架(或基底)或无支架液体悬浮介质来生长细胞。三维基底包括但不限于水凝胶基质、多孔膜和固体支架。有益地，三维细胞培养为三维细胞培养物提供了更多的用于细胞粘附和细胞内信号传导的接触空间。有益地，三维细胞培养物可用于药物发现、组织工程以及药理学和毒理学研究，例如分析各种物质对细胞的影响。
可选地，三维细胞培养是模拟神经系统的细胞培养。在实施方式中，微流体细胞培养装置可以用于对人神经系统进行建模。在这方面，所述装置可以设计为培养脑细胞，和/或诱导细胞的创伤(或损伤)，随后使得其他细胞相互作用并克服所造成的损伤。
可选地，所述生物材料选自细胞、细胞球体、类器官和组织中的至少一种。所述生物材料选自具有生长速率的一组细胞。在最佳条件下，生物样品通常与其自然环境分离。可选地，生物样品的分离方法选自本领域已知的常规细胞分离方法，因此为了本公开的简洁性，本文没有详细描述。可选地，生物材料是细胞系、单层培养的细胞、嵌入基质中的细胞、器官、微生物培养物，或它们的组合。可选地，所述生物材料是类器官或球体。可选地，生物材料的尺寸可以在1至6mm之间。通常，生物材料的尺寸可以为从1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5或5.5mm至1.5、2，2.5、3，3.5、4，4.5、5、5.5或6mm。将理解的是，生物样品可以是相同类型的单一细胞或共同培养的不同类型的多种细胞。
可选地，所述细胞选自神经细胞、胶质细胞、血管内皮细胞、成纤维细胞、肌肉细胞、星形细胞和周细胞中的至少一种或它们的任意组合。神经细胞是大多数生物体的神经组织的主要组成部分。神经细胞或神经元是通过称为突触的特殊连接与其他细胞进行交流的可电兴奋的细胞。神经细胞在神经系统中发挥着重要作用，诸如对影响感觉器官的刺激(例如触摸、声音、光线、气味或味觉)做出反应，并向脊髓或脑发送信号；从脊髓和脑接收信号以控制肌肉收缩或腺体输出；以及将神经细胞连接到附近的其他神经细胞。胶质细胞是维持体内平衡，形成髓鞘并为神经细胞、神经传递和突触连接提供支持、保护和氧气的非神经元细胞。星形细胞是脑和脊髓中的为形成血脑屏障的内皮细胞提供生化支持、为神经组织提供营养、保持细胞外离子平衡、调节脑血流量，以及在感染或受伤后提供脑或脊髓的修复和瘢痕形成过程的一种胶质细胞。周细胞包裹内皮细胞，保持脑的稳态和止血功能，并维持血脑屏障。成纤维细胞在伤口愈合中起着至关重要的作用。将理解的是，相同或不同类型的细胞彼此相互作用以实现各种生理过程的正常进行。可选地，细胞可以来源于微生物、病毒、真菌、植物或动物，以研究其各种细胞过程。
用于细胞培养的微流体细胞培养装置包括两个或更多个介质储器。本文使用的术语“介质储器”是指用于储存用于细胞培养的生长介质的储存隔室、器皿、容器等。两个或更多个介质储器中的每个介质储器包括顶端和与顶端相对的底端，该顶端和底端之间围出预定体积以容纳液体介质(诸如生长介质)。而且，两个或更多个介质储器中的每个在顶端上具有第一开口并且在底端上具有第二开口，其中，第一开口允许将新鲜的液体介质加入到两个或更多个介质储器中，并且第二开口允许分配液体介质以用于细胞培养。将理解的是，液体介质提供了模拟细胞生长的自然环境的人工生长环境。通常，液体介质包括细胞生长所需的营养物、生长因子和激素，并且调节细胞培养物的pH和渗透压。可选地，液体介质可以含有氨基酸、葡萄糖、盐、维生素和其他营养物的混合物，并且可以粉末或液体形式获得。
此外，微流体细胞培养装置包括具有非平面表面的第一微流体室和作为压力室的第二微流体室。第一微流体室和第二微流体室类似于微流体室的两个连续的、在操作上联接的部分(使得一个微流体室的底端与另一个微流体室的顶端对齐)，该微流体室用于培养各种类型的生物材料，即细胞或含有细胞的体。第一微流体室和第二微流体室中的每个都包括顶端和与顶端相对的底端，在顶端和底端之间围出相应的预定体积。而且，第二微流体室位于第一微流体室的顶部上，使得第二微流室的底端通向第一微流体室的顶端(或与第一微流体室对齐)，并且第二微流体室的顶端面向微流体细胞培养装置的开口顶表面。将理解的是，第二微流体室的顶端不是开口的而是封闭的，并且具有联接到压力致动器的压力入口。而且，第二微流体室通常不含任何物质，因此起到真空室的作用。将理解的是，微流体室布置在两个或更多个介质储器之间，其中，所述第一微流体室布置为与两个或更多个介质储器中的每个的底端上的第二开口相对应(即与该第二开口对齐)，并且所述第二微流体室布置为与两个或更多个介质储器的每个中的顶端上的第一开口相对应(即与该第一开口对齐)。
可选地，第二微流体室填充有气体或液体。在这方面，第二微流体室与压力致动器结合使用。压力致动器用于利用压力致动流体流动。可选地，压力可以是空气压力、液体压力、机械压力、它们的组合或任何其他类型的压力中的任何一种，以研究流体压力对细胞培养的影响。而且，流体压力可用于研究任何类型的细胞培养物，其中细胞经受机械或流体压力(即空气或液体压力)。而且，在气动或液体致动系统中，可以通过精确的压力控制实现标准压力。可选地，第二微流体室与采用空气进行致动的气动压力致动器结合使用。可选地，使用压力致动器用气体或液体填充第二微流体室，以分别创建气动或液体压力。在高通量格式中，可以结合压力致动器以形成包括多个压力通道的更大的单元，这是期望能够用单个压力致动器同时致动多个微流体细胞培养装置。可选地，压力致动器可以是与注射器或全自动压力致动器一样低技术的。
将理解的是，柔性无孔膜是透气的，并且气动压力可能会随着时间的推移而损失，因此，在这个阶段，可以将一种或多种分析物加入到因所述气动压力而损伤或受到应力的细胞培养物中，以研究该细胞培养物的细胞过程。而且，由于气动压力可能会随着时间的推移而损失，因此可以选择液压来致动柔性无孔膜，以进行更长时间的实验。替代性地，流体致动可以通过柔性机械杆来执行。在这方面，柔性机械杆可以铸造到微流体细胞培养装置中，如果每个微流体细胞培养装置执行相同的机械动作，则该柔性机械杆将能够在每个微流体培养装置中提供相同的压力。
本文中使用的术语“非平面表面”是指具有三维品质的表面。此外，第一微流体室的底端包括非平面表面。非平面表面通常类似于具有非平面特征的粗糙表面。非平面表面通常提供用于定位和引导生物材料生长的空间。具体而言，非平面表面能够模拟神经系统细胞培养物，和/或帮助将类器官定位在其中施加压力是最佳的期望位置，即第一微流体室的中心，以研究神经系统模型。
可选地，非平面表面具有一个或多个坑。本文中使用的术语“坑”是指能够在其中进行细胞培养的小型化孔。一个或多个坑具有用于容纳生物样品的体积和用于生物样品生长的预定量的培养介质。可选地，一个或多个坑嵌入所述第一微流体室中。可选地，两个相邻的坑被每个坑的壁厚分隔开。可选地，一个或多个坑具有预定的横截面。通常，预定的横截面包括形状、尺寸、布置等。可选地，一个或多个坑成形为轮廓、坑、凹槽、脊、柱、尖状、条纹或半球。可选地，一个或多个坑具有圆锥形横截面、立方体横截面、立方横截面、圆柱形横截面、球形横截面、椭圆形横截面、六边形横截面、多边形横截面等中的一个。可选地，一个或多个坑具有平坦的底部、具有最小圆形边缘(凹形)的底部、V形底部或U形底部。
可选地，一个或多个坑具有在0.3-3.0mm之间的高度和在0.1-3.0mm之间的厚度。一个或多个坑的高度通常可以为从0.3、0.6、0.9、1.2、1.5、1.8、2.1、2.4或2.7毫米(mm)至0.6、0.9，1.2、1.5，1.8、2.1，2.4、2.7或3.0mm，并且一或多个坑的厚度通常可以为从0.1、0.3、0.6，0.9、1.2，1.5、1.8，2.1，2.4或2.7mm至0.3、0.6、0.9、1.2、1.5、1.8、2.1、2.4、2.7或3.0mm。将理解的是，所述多种形状和尺寸应允许细胞在生长过程中在一个或多个坑中的膨胀和容纳，同时仍保持介质(和/或一种或多种分析物)从该坑中流过以保持细胞存活。
将理解的是，为了以高通量的方式实现细胞培养，坑的数量可以尽可能多。在这种情况下，可以减小每个坑的厚度，以增加第一微流体室的每平方面积的坑数量。然而，通过减小厚度来增加坑的数量可能导致微流体细胞培养装置的品质较低以及细胞培养无效。在示例中，较高数量的坑可能带来以下风险：微流体细胞培养装置在模制和脱模时的材料完整性，以及微流体细胞培养装置在标准多孔细胞培养板中的放置不准确，例如导致生物材料错误加载到坑底部的角落而不是坑中心的定向错误的放置。在这方面，本公开的微流体细胞培养装置在第一微流体室中提供例如4至25个坑来产生高通量细胞培养，而不会带来微流体细胞培养装置的材料完整性的风险。
将理解的是，当坑的数量多于一个时，坑排列成行，行可以排列成阵列单元。可选地，阵列单元可以选自正方形阵列单元、矩形阵列单元、圆形阵列单元或六边形阵列单元。更可选地，正方形阵列单元包括成坑矩阵的四个或更多个坑，而六边形阵列包括成坑矩阵的六个或更多个坑。可选地，正方形阵列单元可以具有以下之一：包括4个坑的2×2矩阵、包括9个坑的3×3矩阵、包括16个坑的4×4矩阵、包括25个坑的5×5矩阵、包括100个坑的10×10矩阵等。可选地，矩形阵列单元或圆形阵列单元可以包括成坑矩阵的一个或多个坑。在示例中，矩形阵列单元具有包括8个坑的1×8矩阵。将理解的是，当一个或多个坑成形为凹槽或脊时，凹槽或脊形坑可以排列成各自彼此平行或彼此成角度的行。在示例中，8个凹槽或脊形坑可以排列为1×8的坑矩阵。
此外，微流体细胞培养装置包括将第一微流体室和第二微流体室分隔开的柔性无孔膜，其中，柔性无孔膜布置成与第一微流体室的非平面表面相对。本文中使用的术语“膜”是指具有第一面和第二面的平面片材。柔性无孔膜布置在第一微流体室和第二微流体室之间。在这方面，柔性无孔膜布置在第一微流体室和第二微流体室之间，使得柔性无孔膜的第一面面向第一微流体室的非平面表面，并且柔性无孔膜的第二面面向微流体细胞培养装置的开口顶表面。换句话说，第一微流体室、柔性无孔膜和第二微流体室布置为堆叠体。有益地，当将压力施加到柔性无孔膜时，该柔性无孔膜能够进行流体致动。
可选地，柔性无孔膜具有柱塞区域。本文使用的术语“柱塞区域”是指从柔性无孔膜上出现的突起。将理解的是，柱塞区域设计成压靠相应的表面并对其施加压力。可选地，柱塞区域的高度为50-500微米。柱塞区域的高度通常可以为从50、100、150、200、300或400微米(μm)至100、150、200、300、400或500μm。
可选地，柱塞区域包括被布置成面向非平面表面的一个或多个特征。具体地，柔性无孔膜布置在第一微流体室和第二微流体室之间，使得柱塞区域面向第一微流体室的非平面表面。更具体地，该一个或多个特征从柱塞区域的面向第一微流体室的非平面表面的一侧突出。一个或多个特征设计为在与该一个或多个特征相对的表面上的特定位置处，例如在第一微流体室的非平面表面上的一个或多个坑处施加压力。替代性地，一个或多个特征可以用作探头或针状物，所述探头或针状物可以放置在于第一微流体室的一个或更多个坑内部生长的肿瘤类器官内部，从而能够从生长中的肿瘤内部收集样品。
可选地，一个或多个特征对应于一个或多个坑。一个或多个特征和一个或多个坑彼此相对地布置为彼此面对。此外，特征与坑对齐，从而能够在特定位置(即对应的坑)处施加压力。因此，特征要么是与坑对应的突起(negative)，要么以在对应坑中滑动的方式设计。可选地，一个或多个特征垂直于对应布置的一个或多个坑，并且能够在对应的一个或多个坑中滑动。可选地，一个或多个特征与对应布置的一个或多个坑互补，并且是与一个或多个坑对应的突起。可选地，将经由柱塞区域的一个或多个特征的压力施加限制为凹槽或特征不覆盖第一微流体室的非平面表面上的在柱塞区域或一个或多个特征下方的一个或多个坑的整个区域，从而使得在一个或多个坑中生长的细胞经受较小的压力。
因此，在这方面，可选地，一个或多个特征具有与一个或多个坑的预定的横截面很大程度上互补的预定的横截面。通常，一个或多个特征的预定的横截面包括形状、尺寸、布置等。可选地，一个或多个特征成形为轮廓、坑、凹槽、脊、柱、尖状、条纹或半球。可选地，一个或多个特征具有圆锥形横截面、立方体横截面、立方横截面、圆柱形横截面、球形横截面、椭圆形横截面、六边形横截面、多边形横截面等中的一种横截面。可选地，一个或多个特征具有平坦的底部、具有最小圆形边缘的底部(凸形)、V形底部或U形底部。可选地，一个或多个特征具有在0.3-3.0mm之间的高度和在0.1-3.0mm之间的厚度。一个或多个坑的高度通常可以为从0.3、0.6、0.9、1.2、1.5、1.8、2.1、2.4或2.7毫米(mm)至0.6、0.9，1.2、1.5，1.8、2.1，2.4、2.7或3.0mm，并且一或多个坑的厚度通常可以为从0.1、0.3、0.6，0.9、1.2，1.5、1.8，2.1，2.4或2.7mm至0.3、0.6、0.9、1.2、1.5、1.8、2.1、2.4、2.7或3.0mm。在示例中，当一个或多个坑的横截面为立方体时，对应的一个或多个特征的横截面为立方体，使得一个或多个特征的横截面小于一个或多个坑的横截面，以使特征能够穿入对应的坑。在另一示例中，具有凹形形状的一个或多个坑具有用于在该一个或多个坑中滑动的具有凸形形状的对应一个或多个特征。优选地，与其他类型相比，具有平坦底部或具有最小圆形边缘的底部(凹形)的一个或多个特征更容易制造。而且，为了压在有条纹的非平面表面上，具有平坦底部(矩形)的一个或多个特征是在所有坑上获得均匀压力的优选几何形状。而且，具有短高度和凹端的一个或多个特征是优选的，但是如果细胞培养物是类器官的，则具有六边形或八边形横截面的一个或多个特征和对应的一个或多个坑可以是优选的，因为一个或多个特征的细小边缘将圆形类器官保持在一个或多个坑中的适当位置。可选地，具有V形底部(或圆锥形端或尖状)的一个或多个特征可以用作针状物，该针状物将一种或多种分析物(诸如药物或其他材料)注射到类器官中。替代性地，所述特征可以用作注射器，以研究类器官内部的化学状态。而且，在实施例中，可以将所述特征与一个或多个电极组合以产生不同的模拟模型。
可选地，当特征的数量多于一个时，特征以阵列单元的形式排列，该阵列单元选自正方形阵列单元、矩形阵列单元、圆形阵列单元和六边形阵列单元中的一种阵列单元。在这方面，将理解的是，为了使一个或多个特征对应于一个或多个坑，特征的数量应当与坑的数量相同。而且，一个或多个特征的排列方式应该与一个或多个坑的排列方式相同。更具体地，如果特征以例如正方形阵列单元、矩形阵列单元、圆形阵列单元或六边形阵列单元排列，则坑也应当以正方形阵列单元、矩形阵列单元、圆形阵列单元或六边形阵列单元排列。可选地，正方形阵列单元包括成特征矩阵的四个或更多个特征，而六边形阵列包括成特征矩阵的六个或更多个特征。可选地，正方形阵列单元可以具有以下之一：包括4个特征的2×2矩阵、包括9个特征的3×3矩阵、包括16个特征的4×4矩阵、包括25个特征的5×5矩阵、包括100个特征的10×10矩阵等。可选地，矩形阵列单元或圆形阵列单元可以包括成特征矩阵的一个或多个特征。在示例中，矩形阵列单元包括1×8矩阵，该矩阵包括8个特征。将理解的是，当一个或多个特征成形为凹槽或脊时，该凹槽或脊形特征可以布置成各自彼此平行或彼此成角度的行。在示例中，8个凹槽或脊形特征可以排列为1×8的特征矩阵。
可选地，具有特征的柔性无孔膜可以通过将聚二甲基硅氧烷(PDMS)、Flexdym或其他聚硅氧烷材料铸造成薄膜来制备，其中模具包括具有期望形状和位置的凹陷。模具中的所述薄膜在孵育和从模具缩回时则成为柔性无孔膜上的突起特征，该突起特征配置为在一个或多个坑和该一个或多个坑中的内容物上施加压力。可选地，柔性无孔膜由生物相容性的材料组成。可选地，当施加来自柔性无孔膜的竖直压力时，一个或多个特征向细胞施加横向压力。而且，可以选择特征的制造材料，使得当柔性无孔膜施加一定压力时达到期望的压力。
可选地，生物材料(即细胞或含细胞体)可以以悬浮液、一次一个或以混合物的形式加入到第一微流体室的一个或多个坑中。可选地，生物材料可以在悬浮在含有生物材料的液体介质或缓冲溶液中的同时装载到第一微流体室的一个或多个坑中。将液体中的生物材料孵育预定的孵育时间段(基于所使用的细胞类型)，以在第一微流体室的一个或多个坑中产生三维细胞培养物。可选地，在一个或多个坑中，预定的孵育时间段可以是例如4天。所述生长时间段使得在一个或多个坑中产生三维细胞培养物。当细胞培养物准备好时，向第二微流体室加入空气或液体，以向柔性无孔膜施加压力来致动该柔性无孔膜。基于细胞的类型或根据测试可能需要的，可以使柔性无孔膜的致动保持数秒、数分钟或数小时。柔性无孔膜的致动使得柔性无孔膜的一个或多个特征对第一微流体室的非平面表面的一个或多个坑中的细胞培养物造成损伤或应力。可选地，可以将细胞或含细胞体装载到微流体细胞培养装置的非平面表面的一个或多个坑的中心。随后可以用柔性无孔膜来压细胞或含细胞体，该柔性无孔膜具有一个或多个具有凹形凹痕的特征，该凹形凹痕允许细胞或含细胞体在被压时保持原位，该凹形凹痕也更均匀地分配力。
有益地，柔性无孔膜致动适合于对人神经系统进行建模。神经系统模型可以具有第一微流体室的脊状或条纹状非平面表面，以提供神经细胞生长的方向。此外，为了实现模拟器官或组织的自然功能的所述装置，采用以其微流体和流动动力学性质而闻名并适合于细胞培养的合格制造材料。
可选地，非平面表面的制造材料基于当第二微流体室处于预定压力时该制造材料的结构完整性来选择。具体地，当第二微流体室达到预定压力时，非平面表面的制造材料必须失去其结构完整性。更可选地，非平面表面的制造材料可以在第二微流体室施加的压力下破碎、粉碎、撕裂等等。具体地，非平面表面的制造材料必须在来自第二微流体室的特定负荷或预定压力下断裂或在结构上变形。在这方面，当模拟神经细胞损伤时，目的可能是向神经细胞施加足够的压力以引起严重的细胞损伤。在这方面，可能需要使包括一个或多个特征的柱塞区域到达非平面表面的一个或多个坑的底部。而且，一个或多个特征对应于一个或多个坑，并且用作与一个或多个坑对应的突起。替代性地，一个或多个特征和一个或多个坑可以使用软材料制造，该软材料在施加足够的压力时会断裂。而且，这种软材料充当神经细胞的生长引导，但在对其施加压力时会变形，从而使足够的压力施加在神经细胞上。此外，使用软材料使得一个或多个特征和一个或多个坑的不同形式因子能够彼此锁定，以在将软材料压碎或断裂时对神经细胞造成损伤。
可选地，非平面表面的制造材料基于当第二微流体室处于预定压力时要施加在生物材料上的期望的预定压力来选择。将理解的是，制造材料可以基于要培养的生物材料的类型来选择。值得注意的是，不同的生物材料具有不同的结构完整性，并且需要不同水平的压力来对生物材料造成损伤或应力。而且，非平面表面的制造材料也必须使得能够在其上生长细胞。
可选地，非平面表面由聚硅氧烷材料、水凝胶材料中的至少一种制成。而且，非平面表面由柔软且薄的材料制成。水凝胶材料可以是天然、合成或混合材料，包括但不限于胶原蛋白、纤维蛋白、藻酸盐、聚丙烯酰胺、聚乙二醇、透明质酸和多肽。可选地，水凝胶可以起到生物墨水的作用，以从2D基底以逐层的方式打印细胞，或者直接在另一水凝胶内以三维方式打印细胞。有益地，聚硅氧烷材料或水凝胶材料可以用作细胞培养基底，该细胞培养基底允许细胞膨胀并为体外正常的细胞生长提供气氛。此外，有益地，所述材料为生长中的细胞提供疏水屏障和高透氧性。而且，所述材料适合于电致动。此外，将理解的是，由于所述材料的柔软性，细胞培养物在三维中生长，从而更好地模拟生物环境，而不是像传统塑料材料或玻璃材料那样具有平的形状、异常的极化和分化表型的丧失。
可选地，第一微流体室具有非平面表面，该非平面表面布置在平面表面之上，其中，平面表面由玻璃材料、塑料材料中的至少一种制成。在这方面，玻璃材料和塑料材料提供了平坦的、非生理上坚硬的表面，非平面表面布置在该表面上，以使细胞在该非平面表面上三维生长。而且，当通过柔性无孔膜施加压力时，玻璃材料和塑料材料提供了细胞破坏所需的硬度。
可选地，第一微流体室具有粘性涂层，该粘性涂层配置为将生物材料粘附在粘性涂层上，并通过灌注培养生物材料。本文中使用的术语“粘性涂层”是指增强细胞在表面上的附着的涂层，该表面例如第一微流体室，优选第一微流体室的非平面表面。可选地，粘性涂层在第一微流体室的非平面表面上衬在第一微流体室上。更可选地，粘性涂层衬在用于制造非平面表面的聚硅氧烷材料或水凝胶材料上。有益地，粘性涂层通常增强或促进细胞对该粘性涂层的附着，使得细胞能够粘附到表面、在表面上移动、增殖等。
可选地，非平面表面具有嵌入其中的电极或传感器。除了致动柔性无孔膜及柔性无孔膜的使一个或多个坑中的细胞培养物受到损伤和应力的一个或多个特征之外，还可以用放置在第一微流体室的相对端上的电极刺激非平面表面。来自电极的电流增强了细胞生长并促进了细胞的愈合和再生。有益地，电极可以通过增加毛细管密度和灌注、改善伤口氧合以及促进肉芽和成纤维细胞活性来帮助加速伤口愈合。将理解的是，在非平面结构的相对端上的额外刺激使得能够有效地模拟我们的神经系统细胞培养的基础。
此外，微流体细胞培养装置包括将第一微流体室连接到两个或更多个介质储器的一个或多个微流体通道。本文使用的术语“微流体通道”是指用于将流体(诸如液体介质)从两个或更多个介质储器供应到微流体细胞培养装置的毛细管布置。微流体通道在运行时向第一微流体室供应介质(和/或一种或多种分析物)。此外，微流体通道配置为向第一微流体室的每个坑供应不同浓度的一种或多种分析物。
可选地，将微流体通道集成到微流体细胞培养装置中，即在PDMS层之间。可选地，可以使用与微流体细胞培养装置的层的制造材料相同的制造材料或使用不同的材料(例如特氟隆、玻璃、光纤等)来制造微流体通道。更可选地，将具有集成在其中的微流体通道的微流体细胞培养装置的制造材料的多层紧密密封(或彼此粘附)，以防止流过微流体通道中的流体从微流体通道流出。
可选地，一个或多个微流体通道穿过柔性无孔膜。可选地，一个或多个微流体通道穿过柔性无孔膜的柱塞区域。柔性无孔膜中的一个或多个微流体通道配置为向第一微流体室中的细胞培养物递送预定量的液体介质。而且，柔性无孔膜中的一个或多个微流体通道可以配置为向细胞培养物施加分子、蛋白质、抗体、脂质、脂质颗粒、胶束、细胞片段、全细胞和含细胞结构中的至少一种。可选地，施加所述化合物可以用于染色和成像、药物测试和/或向细胞提供刺激的目的。而且，柔性无孔膜中的一个或多个微流体通道可用于施加荧光抗体，而不是表达荧光蛋白的细胞系，以进行实时或延时成像。在这方面，可选地，柔性无孔膜中的一个或多个微流体通道可用于创建阵列，以在细胞培养物存活时同时用多种荧光标记物对一个或多个坑进行染色。这使得人们能够实时研究细胞培养系统，从单个实验中收集多个时间点，并对多个感兴趣的分子进行染色。从而减少了海量数据集所需的实验数量。
可选地，柔性膜中的一个或多个微流体通道具有一个或多个出口。可选地，该一个或多个出口穿过柔性无孔膜的柱塞区域。一个或多个出口通常从主要的一个或多个微流体通道突出，以通向微流体细胞培养装置的不同部分或微流体细胞培养装置的外部。将理解的是，一个或多个微流体通道在一个或多个出口和第一微流体室之间竖直延伸，并延伸穿过柔性无孔膜，并且主要的一个或多个微流体通道本身在两个或更多个储器和第一微流体室之间水平延伸。
更可选地，一个或多个出口中的每个出口具有第一端和第二端，其中，第一端通向第一微流体室，并且第二端通向以下各项中的至少一个：与第二微流体室的顶端相对应的一侧；一个或多个生物材料储器；以及外部出口，使得一个或多个微流体通道将第一微流体室连接到一个或多个出口。而且，第一微流体室通过一个或多个微流体通道连接到一个或多个出口，该一个或多个微流体通道在柔性无孔膜内部延伸并且竖直向上平行于第二微流体室延伸。将理解的是，一个或多个出口中的每个出口的第一端通向第一微流体室，以将液体介质从两个或更多个介质储器提供到第一微流体室。可选地，一个或多个出口的通向微流体细胞培养装置外部的第二端配置为在施加压力之后从损伤的生物材料(细胞或组织)获得样品。可选地，一个或多个出口的通向微流体细胞培养装置外部的第二端配置为将分析物或类似或不同类型的生物材料(细胞或组织)加入到损伤的生物材料(细胞或组织)中。将理解的是，一个或多个出口的第二端通向第二微流体室外部，以当为了致动柔性无孔膜而将压力施加到第二微流体室时避免气体或流体在第一微流体室和第二微流体室之间流动。替代性地，液体介质在一个或多个微流体通道中的运动可以通过倾斜微流体细胞培养装置而手动实现。此外，一个或多个出口的第二端能够收获培养的细胞，除去用过的液体介质，并从细胞培养物中清除死细胞和碎片。而且，一旦组织因压力而受到损伤或应力，可以将另外的细胞加入到细胞培养物中。所述另外的细胞包括但不限于免疫细胞，诸如单核细胞、巨噬细胞、淋巴细胞或任何其他类型的适合组织的免疫细胞。此外，在柔性无孔膜中的一个或多个微流体通道的一个或多个出口可以配置为从损伤的细胞获取流出物样品(即使该损伤的细胞处于压力下时)以进行分析。可选地，一个或多个出口用于将化学或生物试剂引入到细胞培养物上或组织中。
可选地，一个或多个特征以及一个或多个坑可能导致图像的某些区域的图像模糊，因为材料密度与液体介质相比的差异导致光在图像场上不规则地弯折。
可选地，可以从外部出口收获生长的、受伤的或愈合的细胞。替代性地，可以通过将针状物或注射器通入第一微流体室内提取细胞来实现细胞的收获。
可选地，两个或更多个介质储器或一个或多个生物材料储器连接到压力致动器。可选地，与两个或更多个介质储器或一个或多个生物材料储器连接的压力致动器可以与联接到第二微流体室的压力致动器相同或不同。压力致动器能够使要分别在两个或更多个介质储器或一个或多个生物材料储器中流通的含有生物材料的液体介质和缓冲溶液运动。而且，在两个或更多个介质储器或一个或多个生物材料储器中的压力致动还使得将含有生物材料的液体介质和缓冲溶液供给到第一微流体室的一个或多个坑中以进行细胞培养。在示例中，压力致动器可以使得每5小时将含有生物材料的10μl液体介质和1μl的缓冲溶液分配到第一微流体室中，并且可以通过外部出口移出流出介质以进行分析。
可选地，微流体细胞培养装置包括引导元件(或凸片)，该引导元件(或凸片)用于容易地将微流体细胞培养装置从多孔细胞培养板上拿取、放置和移除。可选地，微流体细胞培养装置包括微生物屏障，该微生物屏障在细胞生长和储存期间防止微生物的生长和/或病毒的污染。
本公开还涉及如上所述的方法。以上关于上述第一方面公开的各实施例和变型经适当修改后适用于该方法。
可选地，细胞培养是三维细胞培养。
可选地，三维细胞培养是模拟神经系统的细胞培养。
可选地，该方法包括布置柔性无孔膜以面对非平面表面，该柔性无孔膜具有包括一个或多个特征的柱塞区域。
可选地，非平面表面具有一个或多个坑。
可选地，一个或多个特征对应于一个或多个坑。
可选地，一个或多个特征垂直于对应布置的一个或多个坑。
可选地，一个或多个特征与对应布置的一个或多个坑互补。
可选地，该方法包括布置一个或多个微流体通道以穿过柔性无孔膜。
可选地，该方法包括经由穿过柔性无孔膜的一个或多个微通道将生物材料提供到第一微流体室，其中，将生物材料接收到与柔性无孔膜相对的非平面表面的一个或多个坑中。
可选地，该方法包括通过柔性无孔膜向生物材料施加压力。
可选地，通过穿过柔性无孔膜的一个或多个微流体通道灌注碎屑。
可选地，该方法还包括将化学试剂或生物试剂施加到生物材料上，以改变生长和再生、分化、运动、分裂、粘附、分泌、死亡、基因型、表型、代谢中的至少一种。
可选地，在加入生物材料之前，通过向第二微流体室施加压力来压下柔性无孔膜，并且之后将生物材料培养预定时间，直到通过降低第二微流体室中的压力使柔性无孔膜恢复到该柔性无孔膜的中性状态。
本公开还涉及制造如上所述的柔性无孔膜的方法。以上关于上述第一方面公开的各实施例和变型在适当修改后适用于制造柔性无孔膜的方法。
一种制造柔性无孔膜的方法，其中，一个或多个微流体通道穿过该柔性无孔膜。
附图的详细说明
参考图1，示出了根据本公开的实施例的用于细胞培养的微流体细胞培养装置100的透视图。微流体细胞培养装置100包括：两个或更多个介质储器，诸如介质储器102和104；具有非平面表面108的第一微流体室106；作为压力室的第二微流体室110；柔性无孔膜112，该柔性无孔膜将第一微流体室106和第二微流体室110分隔开，其中，柔性无孔膜112与第一微流体室106的非平面表面108相对；以及一个或多个微流体通道，诸如微流体通道114和116，该微流体通道114和116将第一微流体室106连接到两个或更多个介质储器102和104。而且，第二微流体室110包括联接到压力致动器(未示出)的压力入口118。此外，微流体细胞培养装置100的外侧具有一个或多个微流体通道124和126的一个或多个出口，诸如出口120和122，该一个或多个微流体通道124和126在柔性无孔膜112内部延伸并且竖直向上平行于第二微流体室110延伸。而且，第一微流体室106通过一个或多个微流体通道(诸如微流体通道124和126)连接到一个或多个出口(诸如出口120和122)，该微流体通道124和126在柔性无孔膜112内部延伸并且竖直向上平行于第二微流体室110延伸。
而且，第一微流体室106的非平面表面108包括一个或多个坑，诸如坑128。
将理解的是，所示为微流体细胞培养装置100的单个单元，并且可以将多个这种单元组合以形成高通量孔板格式的芯片或单元阵列，在该芯片或单元阵列中组织创伤和愈合模型可以成倍地执行(和分析)。而且，这种芯片或单元阵列允许自动化以及机器人操纵。在这方面，可以结合膜致动通道以形成较大的单元，从而用单个压力单元同时致动多个膜。
参考图2，示出了根据本公开的实施例的用于细胞培养的微流体细胞培养装置100的分解图200。如图所示，微流体细胞培养装置的多层架构具有六层，即第一层202、第二层204、第三层206、第四层208、第五层210和第六层212，各自分别具有预定的第一、第二、第三、第四、第五和第六厚度。微流体细胞培养装置100的第一层202是顶层，该顶层包括两个或更多个储器102、104的开口以及一个或多个微流体通道124、126的一个或多个出口120、122的开口。将理解的是，一个或多个微流体通道124、126在一个或多个出口120、122和第一微流体室106之间竖直延伸并延伸穿过柔性无孔膜112，一个或多个微流体通道114、116本身在两个或更多个储器102、104和第一微流体室106之间水平延伸。微流体细胞培养装置100的第二层204包括两个或更多个储器102、104以及第二微流体室110，第二微流体室110包括联接到压力致动器的压力入口118和穿过该第二微流体室中的一个或多个微流体通道124、126的一个或多个出口120、122的部段。微流体细胞培养装置100的第三层206和第四层208包括柔性无孔膜112和一个或多个微流体通道124、126的部段，该柔性无孔膜包括具有一个或多个特征(未示出)的柱塞区域(未示出)，该一个或多个微流体通道124、126在第一层202中的一个或多个出口120、122和第五层中210中的第一微流体室106之间竖直延伸。微流体细胞培养装置100的第五层210包括第一微流体室106和一个或多个微流体通道114、116。而且，第五层210保持一个或多个微流体通道114、116集成到微流体细胞培养装置100中。微流体细胞培养装置100的第六层212包括在第一微流体室106中的一个或多个坑，诸如坑128。如图所示，由于与第一微流体室106中的一个或多个坑(诸如坑128)互补，柱塞区域是具有凹形凹痕的凸起圆柱体。
参考图3，示出了根据本公开的实施例的细胞培养的方法的步骤的流程图300。在步骤302，在第一微流体室的非平面表面上培养生物材料。
步骤302仅是说明性的，在不脱离本文权利要求的范围的情况下，还可以提供增加一个或多个步骤的其他替代方案。
在不脱离由所附权利要求所限定的本公开的范围的情况下，可以对上述本公开的实施例进行修改。用于描述和说明本公开的诸如“包括”、“包含”、“并入”、“具有”、“是”之类的表述旨在以非排他性的方式进行解释，即允许未明确描述的项目、组件或元件也存在。对单数的提及也应解释为涉及复数。

Claims (35)

1.一种用于细胞培养的微流体细胞培养装置(100)，所述微流体细胞培养装置(100)包括：
-两个或更多个介质储器(102、104)；
-具有非平面表面(108)的第一微流体室(106)；
-作为压力室的第二微流体室(110)，
-柔性无孔膜(112)，所述柔性无孔膜将所述第一微流体室(106)和所述第二微流体室(110)分隔开，其中，所述柔性无孔膜(112)与所述第一微流体室(106)的非平面表面(108)相对；和
-一个或多个微流体通道(114、116、124、126)，所述一个或多个微流体通道将所述第一微流体室(106)连接到所述两个或更多个介质储器(102、104)。
2.根据权利要求1所述的微流体细胞培养装置(100)，其中，所述柔性无孔膜(112)具有柱塞区域。
3.根据权利要求1或2所述的微流体细胞培养装置(100)，其中，所述柱塞区域的高度为50至500微米。
4.根据权利要求1或2所述的微流体细胞培养装置(100)，其中，所述柱塞区域包括一个或多个特征，所述一个或多个特征布置成面对所述非平面表面(108)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的微流体细胞培养装置(100)，其中，所述一个或多个特征具有横截面。
6.根据权利要求中任一项所述的微流体细胞培养装置(100)，其中，特征的数量为多于一个，并且所述特征以阵列单元的形式排列，所述阵列单元选自正方形阵列单元、矩形阵列单元、圆形阵列单元和六边形阵列单元中的一种阵列单元。
7.根据前述权利要求中任一项所述的微流体细胞培养装置(100)，其中，所述非平面表面(108)具有一个或多个坑(128)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的微流体细胞培养装置(100)，其中，所述一个或多个特征对应于所述一个或多个坑(128)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的微流体细胞培养装置(100)，其中，所述一个或多个特征垂直于对应布置的所述一个或多个坑(128)。
10.根据权利要求7所述的微流体细胞培养装置(100)，其中，所述一个或多个特征与对应布置的所述一个或多个坑(128)互补。
11.根据前述权利要求中任一项所述的微流体细胞培养装置(100)，其中，所述一个或多个微流体通道(114、116、124、126)穿过所述柔性无孔膜(108)。
12.根据前述权利要求中任一项所述的微流体细胞培养装置(100)，其中，所述柔性膜中的一个或多个微流体通道(114、116、124、126)具有一个或多个出口(120、122)。
13.根据前述权利要求中任一项所述的微流体细胞培养装置(100)，其中，所述一个或多个出口(120、122)中的每个出口具有第一端和第二端，所述第一端通向所述第一微流体室(106)，并且所述第二端通向以下中的至少一个：
-与所述第二微流体室(110)的顶端对应的一侧；
-一个或多个生物材料储器(102、104)；和
-外部出口，
使得所述一个或多个微流体通道将所述第一微流体室(106)连接到所述一或多个出口(120、122)。
14.根据前述权利要求中任一项所述的微流体细胞培养装置(100)，其中，所述第二微流体室(110)填充有气体或液体。
15.根据前述权利要求中任一项所述的微流体细胞培养装置(100)，其中，所述非平面表面(108)的制造材料基于当所述第二微流体室(110)处于预定压力时要施加在生物材料上的期望的预定压力来选择。
16.根据前述权利要求中任一项所述的微流体细胞培养装置(100)，其中，所述非平面表面(108)的制造材料基于当所述第二微流体室(110)处于预定压力时所述制造材料的结构完整性来选择。
17.根据前述权利要求中任一项所述的微流体细胞培养装置(100)，其中，所述非平面表面(108)由聚硅氧烷材料、水凝胶材料中的至少一种制成。
18.根据前述权利要求中任一项所述的微流体细胞培养装置(100)，其中，所述第一微流体室(106)具有布置在平面表面之上的非平面表面(108)，所述平面表面由玻璃材料、塑料材料中的至少一种制成。
19.根据前述权利要求中任一项所述的微流体细胞培养装置(100)，其中，所述非平面表面(108)具有嵌入所述非平面表面中的电极或传感器。
20.根据前述权利要求中任一项所述的微流体细胞培养装置(100)，其中，所述第一微流体室(106)具有粘性涂层，所述粘性涂层配置为将生物材料粘附到所述粘性涂层上，并通过灌注培养所述生物材料。
21.根据前述权利要求中任一项所述的微流体细胞培养装置(100)，其中，所述生物材料选自细胞、细胞球体、类器官和组织中的至少一种。
22.根据前述权利要求中任一项所述的微流体细胞培养装置(100)，其中，所述细胞选自神经细胞、胶质细胞、血管内皮细胞、成纤维细胞、肌肉细胞、星形细胞和周细胞中的至少一种或它们的任何组合。
23.根据前述权利要求中任一项所述的微流体细胞培养装置(100)，其中，所述两个或更多个介质储器(102、104)或一个或多个生物材料储器连接到压力致动器。
24.一种使用根据权利要求1至23所述的微流体细胞培养装置(100)进行细胞培养的方法，所述微流体细胞培养装置包括：
-两个或更多个介质储器(102、104)；
-具有非平面表面(108)的第一微流体室(106)；
-作为压力室的第二微流体室(110)，
-柔性无孔膜(112)，所述柔性无孔膜将所述第一微流体室(106)和所述第二微流体室(110)分隔开，其中，所述柔性无孔膜(112)与所述第一微流体室(106)的非平面表面(108)相对；和
-一个或多个微流体通道(114、116、124、126)，所述一个或多个微流体通道将所述第一微流体室(106)连接到所述两个或更多个介质储器(102、104)，
其中，所述方法包括在所述第一微流体室(106)的非平面表面(108)上培养生物材料。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，所述细胞培养是三维细胞培养。
26.根据权利要求24或25所述的方法，其中，所述三维细胞培养是模拟神经系统的细胞培养。
27.根据权利要求24至26中任一项所述的方法，其中，所述方法包括布置所述柔性无孔膜(12)以面对所述非平面表面(108)，所述柔性无孔膜具有包括一个或多个特征的柱塞区域。
28.根据权利要求24至27中任一项所述的方法，其中，所述非平面表面(108)具有一个或多个坑(128)，其中，所述一个或多个坑(28)布置为与所述柔性无孔膜(12)相对并对应于所述柔性无孔膜(112)的柱塞区域的一个或多个特征。
29.根据权利要求24至28中任一项所述的方法，其中，所述方法包括布置一个或多个微流体通道以穿过所述柔性无孔膜(112)。
30.根据权利要求24至29中任一项所述的方法，其中，所述方法包括经由穿过所述柔性无孔膜(112)的一个或多个微通道(114、116、124、126)将所述生物材料提供到所述第一微流体室，其中，所述生物材料接收到与所述柔性无孔膜(112)相对的所述非平面表面(108)的一个或多个坑(128)中。
31.根据权利要求24至30中任一项所述的方法，其中，所述方法包括通过所述柔性无孔膜(112)向所述生物材料施加压力。
32.根据权利要求24至31中任一项所述的方法，其中，通过穿过所述柔性无孔膜(112)的一个或多个微流体通道(114、116、124、126)灌注碎片。
33.根据权利要求24至32中任一项所述的方法，还包括将化学试剂或生物试剂施加到所述生物材料上以改变生长和再生、分化、运动、分裂、粘附、分泌、死亡、基因型、表型、代谢中的至少一种。
34.根据权利要求24至33中任一项所述的方法，其中，在加入所述生物材料之前，通过向所述第二微流体室(110)施加压力来压下所述柔性无孔膜(112)，并且之后将生物材料培养预定时间，直到通过降低所述第二微流体室中的压力而使所述柔性无孔膜(112)恢复到所述柔性无孔膜的中性状态。
35.一种制造柔性无孔膜(112)的方法，其中，一个或多个微流体通道(114、116、124、126)穿过所述柔性无孔膜。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8293524B2 (en) * 2006-03-31 2012-10-23 Fluxion Biosciences Inc. Methods and apparatus for the manipulation of particle suspensions and testing thereof
US10532354B2 (en) * 2013-07-16 2020-01-14 Vanderbilt University Multicompartment layered and stackable microfluidic bioreactors and applications of same
NL2022085B1 (en) * 2018-11-28 2020-06-25 Mimetas B V Device for assessing mechanical strain induced in or by cells

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