CN116790373A - 一种同时实现力和电刺激的细胞仿生培养芯片及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种同时实现力和电刺激的细胞仿生培养芯片及其制备方法与应用，所述细胞仿生培养芯片包括自下而上依次叠层的基底层、力电刺激层、下层培养基片、微孔薄膜层、上层培养基片；所述力电刺激层、下层培养基片和微孔薄膜层构成了细胞仿生培养腔室；所述上层培养基片和微孔薄膜层构成了上层培养基片的细胞培养腔室；上层培养基片的细胞培养腔室培养的细胞与下层细胞仿生培养腔室培养的细胞进行物质交换。本发明的细胞仿生培养芯片，可用于模拟具有力、电物理刺激，以及与相邻细胞进行物质交换的在体细胞生长微环境，培养细胞再现在体的生理状态，具体应用于药物筛选、病理分析、毒性预测等研究中。
Description
技术领域
本发明属于培养装置技术领域，尤其涉及一种同时实现力和电刺激的细胞仿生培养芯片。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
传统的细胞培养是在培养皿中的静态培养，通过控制培养条件，观察细胞的生长、分化等行为。这种培养方式操作简单，使用广泛，但是无法提供细胞生长、分化所需的整体微环境，导致体外培养的细胞和在体细胞在形态和功能上具有较大差异。在体环境下，细胞通常会承受一些力、电等物理刺激。比如动物体的肺细胞，随着动物体的呼吸，肺细胞会受到一个周期性的牵拉力的刺激；动物体的神经细胞处在一个微弱的电学环境中。因此，体外培养的细胞需要在这样特定的力、电仿生微环境下才能发育成熟并表现出功能性。同时，在体的细胞处在一个整体系统中，细胞间有相互影响，因此需与相邻的异类细胞进行物质交换。
在现有技术中，通过利用气压或磁场控制薄膜变形，在薄膜表面构建细胞仿生培养的力学微环境；或者通过电极化处理或掺杂磁致伸缩性纳米颗粒调制压电薄膜表面电势，构建细胞仿生培养的电学微环境。然而气控或磁控方式响应慢、误差大，难以给细胞准确施加力、电物理刺激，并且现有技术中缺乏能够同时施加力和电刺激的细胞体外培养微环境。同时，普通的静态培养不能实现多种细胞共培养。
发明内容
为了克服上述问题，本发明提供了一种同时实现力和电刺激的细胞仿生培养芯片。本发明提供的细胞仿生培养芯片能够同时实现力和电刺激，并且还能与相邻的异种细胞进行物质交换，使得体外培养的细胞能够再现在体的生理状态。
本发明的第一方面，提供了一种同时实现力和电刺激的细胞仿生培养芯片，所述细胞仿生培养芯片包括自下而上依次叠层的基底层、力电刺激层、下层培养基片、微孔薄膜层、上层培养基片；
所述力电刺激层由自下而上依次叠层的压电驱动层、弹性层和压电响应层构成；所述压电驱动层和基底层相贴合，压电响应层和下层培养基片相贴合；
所述力电刺激层、下层培养基片和微孔薄膜层构成了下层细胞仿生培养腔室；
所述上层培养基片和微孔薄膜层构成了上层培养基片的细胞培养腔室；
在细胞仿生培养腔室中，通过给与压电驱动层以周期性电压激励，在压电效应的作用下带动力电刺激层整体周期性变形，在压电响应层表面产生周期性应力，给培养的细胞以力学刺激，同时，压电响应层通过逆压电效应在表面诱导电势，给培养的细胞以电学刺激，实现力电刺激下的细胞仿生培养；
所述上层培养基片的细胞培养腔室培养的细胞与下层细胞仿生培养腔室培养的细胞进行物质交换。
本发明的第二个方面，提供上述细胞仿生培养芯片的制备方法，所述方法包括：
通过等离子键合技术自下而上依次键合基底层、力电刺激层、下层培养基片、微孔薄膜层、上层培养基片，制成上述细胞仿生培养芯片。
本发明的第三个方面，提供上述细胞仿生培养芯片应用于药物筛选、病理分析、毒性预测等研究。
本发明的有益效果：
(1)本发明的细胞仿生培养芯片，可用于模拟具有力、电物理刺激的在体细胞生长微环境，培养细胞再现在体的生理状态，具体应用于药物筛选、病理分析、毒性预测等研究中。
(2)本发明的细胞仿生培养芯片利用压电材料进行驱动控制，精度高、响应快、可操控性好。
(3)本发明的细胞仿生培养芯片具有通用性，可面向任意需要力电刺激的细胞培养。
(4)本发明的细胞仿生培养芯片主要用于模拟实验，通过构建相应组织的体外模型，实现相关组织功能的仿真模拟。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明细胞仿生培养芯片示意图；
图2是本发明细胞仿生培养芯片剖面图；
其中，1-基底层、2-压电驱动层、3-弹性层、4-压电响应层、5-下层培养基片、6-微孔薄膜层、7-上层培养基片、8-圆柱型孔腔、9-圆柱型孔腔、10-圆柱型孔腔；A和B为流体的进口和出口，C和D为培养基液体的进口和出口，C’和D’为培养基液体的进口和出口，E和F为微孔薄膜层上的通孔。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本发明的第一种典型的实施方式，提供一种同时实现力和电刺激的细胞仿生培养芯片，所述细胞仿生培养芯片包括自下而上依次叠层的基底层、力电刺激层、下层培养基片、微孔薄膜层、上层培养基片；
所述力电刺激层由自下而上依次叠层的压电驱动层、弹性层和压电响应层构成；所述压电驱动层和基底层相贴合，压电响应层和下层培养基片相贴合；
所述力电刺激层、下层培养基片和微孔薄膜层构成了下层细胞仿生培养腔室；
所述上层培养基片和微孔薄膜层构成了上层培养基片的细胞培养腔室；
在细胞仿生培养腔室中，通过给与压电驱动层以周期性电压激励，在压电效应的作用下带动力电刺激层整体周期性变形，在压电响应层表面产生周期性应力，给培养的细胞以力学刺激，同时，压电响应层通过逆压电效应在表面诱导电势，给培养的细胞以电学刺激，实现力电刺激下的细胞仿生培养；
所述上层培养基片的细胞培养腔室培养的细胞与下层细胞仿生培养腔室培养的细胞进行物质交换。
在一种或多种实施方式中，所述基底层采用刚性材料制成，所述刚性材料为石英玻璃；所述基底层的厚度为1～3mm，优选为2mm；基底层是整个芯片的基础支撑。
在一种或多种实施方式中，所述基底层的中部设置圆柱型孔腔，所述圆柱形孔腔为通孔；所述圆柱形孔腔的半径为4～6mm，优选为5mm。圆柱形孔腔限制了力电刺激层的可挠曲变形区域。
在一种或多种实施方式中，所述压电驱动层为钛酸钡薄膜，所述压电驱动层的厚度为40～60μm，优选为50μm。
在一种或多种实施方式中，所述弹性层的材质为：聚二甲基硅氧烷聚合物(PDMS)；所述弹性层的厚度为15～25μm，优选为20μm。
在一种或多种实施方式中，所述压电响应层采用具有优良生物兼容性的压电聚合物制成，进一步优选的，所述压电聚合物为聚偏氟乙烯三氟乙烯聚合物；所述压电响应层的厚度为40～60μm，优选为50μm。
在一种或多种实施方式中，所述下层培养基片和上层培养基片均为聚二甲基硅氧烷聚合物，其厚度均为400～600μm，优选为500μm。
在一种或多种实施方式中，所述下层培养基片和上层培养基片中部均设置圆柱型孔腔；所述下层培养基片的圆柱型孔腔为通孔，所述上层培养基片的圆柱型孔腔为上层培养基片下表面开口的盲孔。
优选的，所述上层培养基片的圆柱型孔腔的高度为250～300μm，优选为300μm。
优选的，所述基底层的圆柱型孔腔、下层培养基片和上层培养基片圆柱型孔腔的轴线重合，且半径相同，所述半径为4～6mm，优选为5mm。
在一种或多种实施方式中，所述上层培养基片圆柱型孔腔两侧通过第一通道分别连接流体的进口A和出口B；所述流体的进口A和出口B为圆形；所述流体的进口A和出口B的半径相同，所述半径为1～2mm，优选为1.5mm。
优选的，所述流体的进口A的圆心、出口B的圆心和上层培养基片圆柱型孔腔的圆心在一条直线上。
在一种或多种实施方式中，所述上层培养基片还设有培养基液体的进口C和出口D，所述培养基液体的进口C和出口D为圆形。
优选的，所述上层培养基片的培养基液体的进口C和出口D分别通过微孔薄膜层上的通孔E和F与下层培养基片培养基液体的进口C’和出口D’相贯通；所述下层培养基片培养基液体的进口C’和出口D’为圆形，所述微孔薄膜层上的通孔E和F为圆形；所述下层培养基片培养基液体的进口C’和出口D’的轴线、微孔薄膜层上的通孔E和F的轴线与上层培养基片的培养基液体的进口C和出口D的轴线重合，且半径相同，所述半径为1～2mm，优选为1.5mm。
优选的，所述下层培养基片圆柱型孔腔两侧通过第二通道分别与下层培养基片培养基液体的进口C’和出口D’相连接。
优选的，下层培养基片培养基液体的进口C’和出口D’的圆心和下层培养基片圆柱型孔腔的圆心在一条直线上。
优选的，所述流体的进口A和出口B，培养基液体的进口C和出口D，培养基液体的进口C’和出口D’均为通孔。
优选的，所述第一通道和第二通道呈叉式分布。
在一种或多种实施方式中，所述微孔薄膜的材质为多孔聚酯膜，所述微孔薄膜的厚度为8～12μm，优选为10μm；多孔聚酯膜具有孔隙，所述孔隙的口径为0.3～0.5μm，优选为0.4μm；多孔聚酯膜上的孔隙可以实现多孔聚酯膜两侧的物质交换。
进一步优选的，所述上层培养基片圆柱型孔腔与微孔薄膜层形成了上层培养基片的细胞培养腔室。
本发明的第二种典型的实施方式，提供上述细胞仿生培养芯片的制备方法，所述方法包括：
通过等离子键合技术自下而上依次键合基底层、力电刺激层、下层培养基片、微孔薄膜层、上层培养基片，制成上述细胞仿生培养芯片。
在一种或多种实施方式中，所述上层培养基片和下层培养基片的制备方法为：将上层培养基片和下层培养基片的设计图打印在透明胶片上作为掩模，通过掩模板SU-8光刻法在单晶硅基片上制作母板，采用浇筑法将PDMS和固化剂混合液浇注在硅母板上，固化脱模后得到上层培养基片和下层培养基片的母版，采用打孔器在上层培养基片和下层培养基片的母版上进行打孔，得到流体的进口A和出口B，培养基液体的进口C和出口D，培养基液体的进口C’和出口D’，进而得到上层培养基片和下层培养基片。
在一种或多种实施方式中，在压电驱动层和压电响应层表面溅射电极，并进行防护绝缘。
本发明的第三种典型的实施方式，提供上述细胞仿生培养芯片应用于药物筛选、病理分析、毒性预测等研究。
实施例1
如图1～2所示，一种同时实现力和电刺激的细胞仿生培养芯片，所述细胞仿生培养芯片包括自下而上依次叠层的基底层、力电刺激层、下层培养基片、微孔薄膜层、上层培养基片；
所述力电刺激层、下层培养基片和微孔薄膜层构成了细胞仿生培养腔室。
所述基底层采用刚性材料制成，所述刚性材料为石英玻璃；所述基底层的厚度为2mm；基底层是整个芯片的基础支撑。所述基底层的中部设置圆柱型孔腔，所述圆柱形孔腔为通孔，其半径为5mm，圆柱形孔腔限制了力电刺激层的可挠曲变形区域。
所述力电刺激层由自下而上依次叠层的压电驱动层、弹性层和压电响应层构成。所述压电驱动层和基底层相贴合，压电响应层和下层培养基片相贴合。
所述压电驱动层为钛酸钡薄膜，所述压电驱动层的厚度为50μm。所述弹性层的材质为：聚二甲基硅氧烷聚合物(PDMS)；所述弹性层的厚度为20μm。所述压电响应层采用具有优良生物兼容性的压电聚合物制成，为聚偏氟乙烯三氟乙烯聚合物；所述压电响应层的厚度为50μm。
所述下层培养基片和上层培养基片均为聚二甲基硅氧烷聚合物，其厚度均为500μm。
所述下层培养基片和上层培养基片中部均设置圆柱型孔腔；所述下层培养基片的圆柱型孔腔为通孔，所述上层培养基片的圆柱型孔腔为上层培养基片下表面开口的盲孔。所述基底层的圆柱型孔腔、下层培养基片和上层培养基片圆柱型孔腔的轴线重合，且半径相同，半径为5mm。上层培养基片的圆柱型孔腔的高度为300μm。
所述上层培养基片圆柱型孔腔两侧通过第一通道分别连接流体的进口A和出口B；所述流体的进口A和出口B为圆形；所述流体的进口A的圆心、出口B的圆心和上层培养基片圆柱型孔腔的圆心在一条直线上。所述流体的进口A和出口B的半径相同，所述半径为1.5mm。
所述上层培养基片还设有培养基液体的进口C和出口D，所述培养基液体的进口C和出口D为圆形。所述上层培养基片的培养基液体的进口C和出口D分别通过微孔薄膜层上的通孔E和F与下层培养基片培养基液体的进口C’和出口D’相贯通；所述下层培养基片培养基液体的进口C’和出口D’为圆形，所述微孔薄膜层上的通孔E和F为圆形；所述下层培养基片培养基液体的进口C’和出口D’的轴线、微孔薄膜层上的通孔E和F的轴线与上层培养基片的培养基液体的进口C和出口D的轴线重合，且半径相同，半径为1.5mm。
所述下层培养基片圆柱型孔腔两侧通过第二通道分别与下层培养基片培养基液体的进口C’和出口D’相连接。下层培养基片培养基液体的进口C’和出口D’的圆心和下层培养基片圆柱型孔腔的圆心在一条直线上。所述流体的进口A和出口B，培养基液体的进口C和出口D，培养基液体的进口C’和出口D’均为通孔。所述第一通道和第二通道呈叉式分布。
所述微孔薄膜的材质为多孔聚酯膜，所述微孔薄膜的厚度为10μm；多孔聚酯膜具有孔隙，所述孔隙的口径为0.4μm；多孔聚酯膜上的孔隙可以实现多孔聚酯膜两侧的物质交换。
所述上层培养基片圆柱型孔腔以及微孔薄膜层形成了上层培养基片的细胞培养腔室。
本实施例细胞仿生培养芯片用于细胞仿生培养的方法：
在上层培养腔室的微孔薄膜层上培养一种细胞，在下层培养腔室的压电响应层上培养相关联的另外一种细胞。向上层培养基片上的流体的进口A中充入无菌空气或者是培养液体，流体充满整个上层培养基片的细胞培养腔室后从上层培养基片上的流体出口B逸出。向上层培养基片上的培养基液体的进口C中充入下层培养细胞所用的液体培养基，液体会充满整个下层培养基片的细胞仿生培养腔室，后液体培养基从上层培养基片上的培养基液体的出口D流出。在培养的过程中，上层培养基片的细胞培养腔室培养的细胞与下层细胞仿生培养腔室培养的细胞进行物质交换。
细胞仿生培养腔室中：在细胞仿生培养腔室中，细胞在压电响应层上进行培育，通过给与压电驱动层以周期性电压激励，在压电效应的作用下带动力电刺激层整体周期性变形，在压电响应层表面产生周期性应力，给培养的细胞以力学刺激，同时，压电响应层通过逆压电效应在表面诱导电势，给培养的细胞以电学刺激，实现力电刺激下的细胞仿生培养。
实施例2
上层培养基片和下层培养基片的制备方法为：将上层培养基片和下层培养基片的设计图打印在透明胶片上作为掩模，通过掩模板SU-8光刻法在单晶硅基片上制作母板，采用浇筑法将PDMS和固化剂混合液浇注在硅母板上，固化脱模后得到上层培养基片和下层培养基片的母版，采用打孔器在上层培养基片和下层培养基片的母版上进行打孔，得到流体的进口A和出口B，培养基液体的进口C和出口D，培养基液体的进口C’和出口D’，进而得到上层培养基片和下层培养基片。
在压电驱动层和压电响应层表面溅射电极，并进行防护绝缘。
通过等离子键合技术自下而上依次键合基底层、力电刺激层、下层培养基片、微孔薄膜层、上层培养基片，制成上述细胞仿生培养芯片。
Claims (10)
1.一种同时实现力和电刺激的细胞仿生培养芯片，其特征在于，所述细胞仿生培养芯片包括自下而上依次叠层的基底层、力电刺激层、下层培养基片、微孔薄膜层、上层培养基片；
所述力电刺激层由自下而上依次叠层的压电驱动层、弹性层和压电响应层构成；所述压电驱动层和基底层相贴合，压电响应层和下层培养基片相贴合；
所述力电刺激层、下层培养基片和微孔薄膜层构成了下层细胞仿生培养腔室；
所述上层培养基片和微孔薄膜层构成了上层培养基片的细胞培养腔室；
在细胞仿生培养腔室中，通过给与压电驱动层以周期性电压激励，在压电效应的作用下带动力电刺激层整体周期性变形，在压电响应层表面产生周期性应力，给培养的细胞以力学刺激，同时，压电响应层通过逆压电效应在表面诱导电势，给培养的细胞以电学刺激，实现力电刺激下的细胞仿生培养；
所述上层培养基片的细胞培养腔室培养的细胞与下层细胞仿生培养腔室培养的细胞进行物质交换。
2.如权利要求1所述的细胞仿生培养芯片，其特征在于，所述基底层采用刚性材料制成，所述刚性材料为石英玻璃；所述基底层的厚度为1～3mm，优选为2mm；
或，所述基底层的中部设置圆柱型孔腔，所述圆柱形孔腔为通孔；所述圆柱形孔腔的半径为4～6mm，优选为5mm。
3.如权利要求1所述的细胞仿生培养芯片，其特征在于，所述压电驱动层为钛酸钡薄膜，所述压电驱动层的厚度为40～60μm，优选为50μm。
4.如权利要求1所述的细胞仿生培养芯片，其特征在于，所述弹性层的材质为：聚二甲基硅氧烷聚合物；所述弹性层的厚度为15～25μm，优选为20μm；
或，所述压电响应层采用具有优良生物兼容性的压电聚合物制成，进一步优选的，所述压电聚合物为聚偏氟乙烯三氟乙烯聚合物；所述压电响应层的厚度为40～60μm，优选为50μm。
5.如权利要求1所述的细胞仿生培养芯片，其特征在于，所述下层培养基片和上层培养基片均为聚二甲基硅氧烷聚合物，其厚度均为400～600μm，优选为500μm；
或，所述下层培养基片和上层培养基片中部均设置圆柱型孔腔；所述下层培养基片的圆柱型孔腔为通孔，所述上层培养基片的圆柱型孔腔为上层培养基片下表面开口的盲孔；
优选的，所述上层培养基片的圆柱型孔腔的高度为250～300μm，优选为300μm；
优选的，所述基底层的圆柱型孔腔、下层培养基片和上层培养基片圆柱型孔腔的轴线重合，且半径相同，所述半径为4～6mm，优选为5mm。
6.如权利要求5所述的细胞仿生培养芯片，其特征在于，所述上层培养基片圆柱型孔腔两侧通过第一通道分别连接流体的进口A和出口B；所述流体的进口A和出口B为圆形；所述流体的进口A和出口B的半径相同，所述半径为1～2mm，优选为1.5mm。
优选的，所述流体的进口A的圆心、出口B的圆心和上层培养基片圆柱型孔腔的圆心在一条直线上；
或，所述上层培养基片还设有培养基液体的进口C和出口D，所述培养基液体的进口C和出口D为圆形；优选的，所述上层培养基片的培养基液体的进口C和出口D分别通过微孔薄膜层上的通孔E和F与下层培养基片培养基液体的进口C’和出口D’相贯通；所述下层培养基片培养基液体的进口C’和出口D’为圆形，所述微孔薄膜层上的通孔E和F为圆形；所述下层培养基片培养基液体的进口C’和出口D’的轴线、微孔薄膜层上的通孔E和F的轴线与上层培养基片的培养基液体的进口C和出口D的轴线重合，且半径相同，所述半径为1～2mm，优选为1.5mm。
7.如权利要求6所述的细胞仿生培养芯片，其特征在于，所述下层培养基片圆柱型孔腔两侧通过第二通道分别与下层培养基片培养基液体的进口C’和出口D’相连接；
或，下层培养基片培养基液体的进口C’和出口D’的圆心和下层培养基片圆柱型孔腔的圆心在一条直线上；
或，所述流体的进口A和出口B，培养基液体的进口C和出口D，培养基液体的进口C’和出口D’均为通孔；
或，所述第一通道和第二通道呈叉式分布；
或，所述微孔薄膜的材质为多孔聚酯膜，所述微孔薄膜的厚度为8～12μm，优选为10μm；多孔聚酯膜具有孔隙，所述孔隙的口径为0.3～0.5μm，优选为0.4μm；多孔聚酯膜上的孔隙可以实现多孔聚酯膜两侧的流体以及培养基液体的交换；
或，所述上层培养基片圆柱型孔腔与微孔薄膜层形成了上层培养基片的细胞培养腔室。
8.上述权利要求1～7任一项所述的细胞仿生培养芯片的制备方法，其特征在于，通过等离子键合技术自下而上依次键合基底层、力电刺激层、下层培养基片、微孔薄膜层、上层培养基片，制成上述细胞仿生培养芯片。
9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述上层培养基片和下层培养基片的制备方法为：将上层培养基片和下层培养基片的设计图打印在透明胶片上作为掩模，通过掩模板SU-8光刻法在单晶硅基片上制作母板，采用浇筑法将PDMS和固化剂混合液浇注在硅母板上，固化脱模后得到上层培养基片和下层培养基片的母版，采用打孔器在上层培养基片和下层培养基片的母版上进行打孔，得到流体的进口A和出口B，培养基液体的进口C和出口D，培养基液体的进口C’和出口D’，进而得到上层培养基片和下层培养基片；
或，在压电驱动层和压电响应层表面溅射电极，并进行防护绝缘。
10.权利要求1～7任一项所述的细胞仿生培养芯片应用于药物筛选、病理研究、毒性预测研究。
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| CN202310777706.8A CN116790373A (zh) | 2023-06-28 | 2023-06-28 | 一种同时实现力和电刺激的细胞仿生培养芯片及其制备方法与应用 |
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