CN117701385A - 一种基于多孔膜的药物多级代谢器官芯片及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供基于多孔膜的多级代谢器官芯片，包括多孔薄膜层和芯片上、下层，芯片上层下表面设有N个互不交叉的上流体通道。芯片下层上表面设有N‑1个代谢腔室，各代谢腔室在芯片上层的投影分别与相邻两个上流体通道交叠，且各代谢腔室均通过多孔薄膜层与其相邻的两个上流体通道连通。其中，多孔薄膜层为细胞不能透过且细胞代谢分泌物能够透过的材料制成，N为大于等于2的整数。通过设置可以供代谢产物传递的多孔薄膜层，使得第一个上流体通道中细胞与测试药物产生的代谢产物进入芯片下层的代谢腔室，代谢腔室中的代谢产物又进入到芯片上层的下一个流体通道并与其中的细胞可以继续与上一级产生的代谢产物作用，从而可以研究药物细胞多级代谢的影响。

Description

一种基于多孔膜的药物多级代谢器官芯片及其应用

技术领域

本发明涉及生物医学工程和微流控技术领域，特别是涉及基于多孔膜的药物多级代谢器官芯片及其应用。

背景技术

器官芯片是一种由微流控芯片发展而来的细胞培养装置，其通过微制造、干细胞、材料和生物组织工程等技术的交叉融合，在体外构建生理功能和结构接近体内的仿生模型，并且可提供稳定可控的微环境。因此在疾病模拟、个性化医疗和新药研发等领域越来越受到人们的广泛关注。

药物代谢是指药物从给药部位进入到机体产生药效到机体排出的基本过程之一。药物代谢过程首先是药物从给药部位到血液的吸收过程；然后药物进入血液后随血液循环向全身分布；随后药物从各血管转运进入肝脏器官并在药物代谢酶的作用下，对药物进行氧化、还原、分解或者结合，从而不同程度的改变药物的结构；最后药物以原型或代谢物的形式通过排泄器官或分泌器官排出体外。因此，药物代谢过程可以帮助人们更好地了解药物及代谢产物的作用机制和效果，这一过程与多种细胞微环境以及药物理化特性相关，也对新药研发、药物评价、临床用药等方面都具有重要的意义。

目前体外药物代谢实验主要通过细胞模型和动物模型开展，细胞模型因其有很好的重复性和可操作性，可以方便地进行药物剂量的添加和作用时间的控制。但是，细胞模型大多是对细胞进行二维培养，即使是三维类器官培养也难以重构细胞在器官内的微环境并且每个培养单元相对独立，无法实现药物同一环境下与不同细胞多级作用后，细胞代谢产物的研究。为了更好的再现药物在体内的微环境，药物代谢实验中采用动物模型是对细胞模型的一个重要补充。但是，动物模型又无法对药物代谢过程进行实时观测，而且动物模型毕竟与人体存在物种差异，常常导致无法在人体内发挥药物测试效果。

鉴于上述实验方法的不足，本申请发明人旨在经过长时间的研究和实践，开发了本发明的基于多孔膜的多级代谢器官芯片。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的不足，本发明的主要目的在于提供一种基于多孔膜的多级代谢器官芯片，本申请器官芯片由上至下依次包括芯片上层，多孔薄膜层和芯片下层，在芯片上层的多个独立的上流体通道进行单种细胞的培养效率高或者实现多种细胞的同时培养，通过在芯片上层和芯片下层之间设置可以供代谢产物传递的多孔薄膜层，从而使得上流体通道产生的代谢产物进入芯片下层的代谢腔室，代谢腔室中的代谢产物可以进入到芯片上层的下一个流体通道，从而可以研究药物作用下对细胞多级代谢的影响。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明是通过包括如下技术方案实现的。

本发明第一方面提供一种基于多孔膜的多级代谢器官芯片，所述器官芯片由上至下依次包括芯片上层，多孔薄膜层和芯片下层；所述芯片上层的下表面设有N个上流体通道，且各所述上流体通道互不交叉；所述芯片下层的上表面设有N-1个代谢腔室，各代谢腔室在芯片上层的投影分别位于相邻的两个上流体通道之间且与相邻的两个上流体通道交叠，且各代谢腔室均通过所述多孔薄膜层与其相邻的两个上流体通道连通；

其中，多孔薄膜层为细胞不能透过且细胞代谢分泌物能够透过的材料制成；N为大于等于2的整数。

在一些优选实施方案中，所述上流体通道两端对应的芯片上层分别设有贯穿所述芯片上层的灌注通孔；所述灌注通孔的一侧暴露于器官芯片外，另一侧与所述上流体通道连通。

在一些优选实施方案中，各所述灌注通孔外部均设有储液管。

在一些优选实施方案中，所述储液管的材质为玻璃或高分子聚合材料。

在一些优选实施方案中，所述代谢腔室的一端设有传输口；所述传输口与所述流体通道的一端所对应的灌注通孔在芯片上层的投影重叠。

在一些优选实施方案中，各所述上流体通道平行；和/或，各所述上流体通道之间的间隔相同。

在一些优选实施方案中，所述上流体通道的通道内宽为0.4～0.8mm。

在一些优选实施方案中，各所述代谢腔室平行；和/或，各所述代谢腔室之间的间隔相同。

在一些优选实施方案中，所述代谢腔室的腔室内宽为0.5～1.5mm。

在一些优选实施方案中，所述上流体通道与所述代谢腔室的夹角为30～120°。

在一些优选实施方案中，所述上流体通道与所述代谢腔室垂直。

在一些优选实施方案中，使用状态下，所述芯片上层，多孔薄膜层和芯片下层依次贴合连接且密封。

在一些优选实施方案中，所述多孔薄膜层至少采用一张多孔薄膜制成；和/或，所述多孔薄膜层的孔径为0.4-30μm；和/或，所述多孔薄膜层材料为有机高分子材料；和/或，所述多孔薄膜层采用胶原蛋白浸润修饰；

在一些优选实施方案中，所述多孔薄膜层的厚度为0.1～0.3mm；和/或，所述多孔薄膜层材料的材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚碳酸酯。

在一些优选实施方案中，所述芯片下层的厚度小于所述芯片上层的厚度。

在一些优选实施方案中，所述芯片上层的厚度为2～3mm；和/或，所述芯片下层的厚度为1～1.5mm。

在一些优选实施方案中，所述多孔薄膜层覆盖各所述上流体通道和各所述代谢腔室。

在一些优选实施方案中，所述芯片上层和芯片下层的材料均为有机高分子材料。

在一些优选实施方案中，所述芯片上层和芯片下层的材料均聚二甲基硅氧烷或COC塑料。

在一些具体实施方案中，所述芯片上层的下表面设有相互平行且长度依次递减的第一流体通道、第二流体通道、第三流体通道和第四流体通道；

所述芯片下层的上表面设有第一代谢腔室、第二代谢腔室和第三代谢腔室；

其中，所述第一代谢腔室在芯片上层的投影与所述第一流体通道和第二流体通道交叠，所述第二代谢腔室在芯片上层的投影与所述第二流体通道和第三流体通道交叠，所述第三代谢腔室在芯片上层的投影与所述第三流体通道和第四流体通道交叠。

在一些具体实施方案中，所述第一流体通道设有第一通道槽和位于所述第一通道槽两端的左一灌注孔和右一灌注孔；

所述第二流体通道设有第二通道槽和位于所述第二通道槽两端的左二灌注孔和右二灌注孔；所述第一代谢腔室设有第一中腔室和位于第一中腔室一端的第一传输口，所述第一传输口与所述左二灌注孔在芯片上层上的投影重叠，所述第一中腔室和所述第一通道槽在芯片上层上的投影交叉；

其中，第三流体通道和第四流体通道的结构与第一通道和第二通道相同；

所述第二代谢腔室和第三代谢腔室的结构和设置方式与第一代谢腔室相同。

本发明第二方面提供所述的基于多孔膜的多级代谢器官芯片在疾病模拟、药物研发和营养学研究中的应用。

在一些优选实施方案中，基于多孔膜的多级代谢器官芯片在研究体外药物多级代谢中的应用。

如上所述，本发明的基于多孔膜的多级代谢器官芯片，主要具有以下有益效果：

1)在芯片上层的多个独立的上流体通道单种细胞的培养效率或者实现多种细胞的同时培养。通过在芯片上层和芯片下层之间设置可以供代谢产物传递的多孔薄膜层，从而使得第一个上流体通道中细胞与测试药物产生的代谢产物进入芯片下层的代谢腔室，代谢腔室中的代谢产物可以进入到芯片上层的下一个流体通道，下一个流体通道中的细胞可以继续与上一级产生的代谢产物作用，顺序进行多级处理，从而可以研究药物作用下对细胞多级代谢的影响。

2)通过在流体通道两端对应的芯片上层分别设有贯穿所述芯片上层的灌注通孔，灌注通孔的一侧暴露于器官芯片外，另一侧与上流体通道连通。可以在代谢产物作用过程中随时进行采样，缩短了药物代谢实验的时间，从而可以提升药物与细胞作用的代谢产物结果的可靠性。

3)通过在灌注通孔外部均设有储液管，通过各个储液管中的液体的量来调整压力，从而实现液体或代谢产物在芯片的各流道、各代谢腔室中的运动的动力。

附图说明

图1显示为本发明的基于多孔膜的多级代谢器官芯片的整体结构示意图。

图2显示为本发明的基于多孔膜的多级代谢器官芯片的不带储液管的爆炸图。

图3显示为本发明的基于多孔膜的多级代谢器官芯片的芯片上层的结构示意图。

图4显示为本发明的基于多孔膜的多级代谢器官芯片的芯片下层的结构示意图。

图5显示为本发明的基于多孔膜的多级代谢器官芯片的芯片上层的俯视图(芯片上层正面)。

图6显示为本发明的基于多孔膜的多级代谢器官芯片的芯片上层的仰视图(芯片上层背面)。

图7显示为本发明的基于多孔膜的多级代谢器官芯片的芯片下层的俯视图(芯片下层正面)。

图1～图7中附图标记如下：

1 芯片上层

100 上流体通道

101 第一流体通道

1011 第一通道槽

1012 左一灌注孔

1013 右一灌注孔

102 第二流体通道

1021 第二通道槽

1022 左二灌注孔

1023 右二灌注孔

103 第三流体通道

1031 第三通道槽

1032 左三灌注孔

1033 右三灌注孔

104 第四流体通道

1041 第四通道槽

1042 左四灌注孔

1043 右四灌注孔

2 多孔薄膜层

200 灌注通孔

3 芯片下层

300 代谢腔室

301 第一代谢腔室

3011 第一中腔室

3012 第一传输口

302 第二代谢腔室

3021 第二中腔室

3022 第二传输口

303 第三代谢腔室

3031 第三中腔室

3032 第三传输口

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述内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图1至图7。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得能涵盖的范围内。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。

本发明提供基于多孔膜的多级代谢器官芯片，参阅图1，器官芯片由上至下依次包括芯片上层1，多孔薄膜层2和芯片下层3。芯片上层1的下表面设有N个上流体通道100，且各上流体通道100互不交叉，芯片下层3的上表面设有N-1个代谢腔室300，各代谢腔室300在芯片上层1的投影分别位于相邻的两个上流体通道100之间且与相邻的两个上流体通道100交叠，且各代谢腔室300均通过多孔薄膜层2与其相邻的两个上流体通道100连通。其中，多孔薄膜层2为细胞不能透过且细胞代谢分泌物能够透过的材料制成。N为大于等于2的整数。

进一步解释说明本例的多级代谢器官芯片：1)本例的多级代谢器官芯片由芯片上层1，多孔薄膜层2和芯片下层3依次贴合连接且密封，采用常规的生物芯片的键合、粘贴方式即可，保证芯片的牢固性和密封性。2)芯片上层1的下表面设有N个上流体通道100，且各上流体通道100互不交叉，N个互不交叉的上流体通道100用于分别单独的培养细胞，一则多个独立的培养通道可以有效提高细胞培养效率，二则可以同时进行不同种细胞的同时培养。3)芯片下层3的上表面设有N-1个代谢腔室300，代谢腔室的作用在于将一个上流体通道中的代谢产物(分泌物)传递到下一个上流体通道，经过多个代谢腔室的传递，即可实现多级代谢的实验验证。4)关于上流体通道100的数量，根据代谢级数的要求进行设置即可，例如需要研究三级代谢，则N为3；需要研究四级代谢，则N为4。假设研究四级代谢，则设置四个上流体通道，四个上流体通道中依次培养肠细胞、血管内皮细胞、肝内皮细胞和肝细胞，以研究同种药物在上述四种细胞中的多级代谢实验。当然还可以测试两种或两种以上的药物。

在一优选实施例中，上流体通道100两端对应的芯片上层1分别设有贯穿芯片上层1的灌注通孔200，灌注通孔200的一侧暴露于器官芯片外，另一侧与上流体通道100连通。即，通过在芯片上层1上开设贯穿通孔向上流体通道中注入细胞或培养液等。优选地，每个上流体通道的两端的头部分别对应一个贯穿通孔300，且贯穿通孔300与上流体通道垂直的，通过控制上流体通道两端对应的贯穿通孔300中的液体的高度不同可以形成压力差，从而驱动上流体通道内的液体可按设计需求流动。再者，如上在每个上流体通道100的两端头部分别对应一个贯穿通孔300，还利于在代谢产物作用过程中随时进行采样，可以分别对每级的代谢进行效果分析，缩短了药物代谢实验的时间，可以提升药物与细胞作用的代谢产物结果的可靠性。

更优选地，各灌注通孔200外部均设有储液管400，储液管可与贯穿通孔300一体设置，也可以是将储液管400粘贴到贯穿通孔处，储液管400的材质可以是玻璃或高分子聚合材料，形成一个储存空间，用来储存细胞培养液以及调整如上的压力差以驱动上流体通道内的液体流动。当然储液管400的材料优选为透明材料，也可以在储液管400上标注刻度。

在一优选实施例中，代谢腔室300的一端设有传输口，传输口与上流体通道100的一端所对应的灌注通孔200在芯片上层1的投影重叠。可以保证代谢产物分泌物可以顺利的从代谢腔室300进入对应的上流体通道中。

继续参阅图1和图6，在一些具体实施例中，还具体如下具体方案：

1)各上流体通道100平行，各上流体通道100之间的间隔相同，优选上流体通道100的通道内宽为0.4～0.8mm，例如0.4～0.6mm或0.6～0.8mm。优选上流体通道100的通道的深度为80～150μm，例如80～100μm或100～120μm或120～150μm。

具体地，多级代谢涉及多个器官之间的协同作用，例如内皮细胞形成的血管而言，各组织器官的血流量都不一样，由于各组织器官的血流量都不一致，为了更好的模拟作用过程将流体通道设置的宽度和深度设置不同。更具体地，第一流体通道101、第二流体通道102、第三流体通道103和第四流体通道104设置的宽度和深度根据需要可设置不同。例如，药物刚进入体内毛细血管，血流量较小，进入肝器官和肾器官的血流量较大，排出消除过程血流量较小，因此可以将第一流体通道101和第四流体通道104的槽宽设置为0.4mm～0.6mm；第二流体通道102和第三流体通道103的槽宽设置为0.6～0.8mm。

2)各代谢腔室300平行，各代谢腔室300之间的间隔相同，优选代谢腔室300的腔室内宽为0.5～1.5mm，例如第一代谢腔室宽0.5mm、第二代谢腔室宽1.5mm、第三代谢腔室宽0.5mm。优选代谢腔室300的腔室深度为80～150μm，例如80～100μm或100～120μm或120～150μm。3)上流体通道100与所述代谢腔室300的夹角为30～120°，例如30～60°或60～90°或90～120°，优选为图1所示的上流体通道100与所述代谢腔室300垂直设置。

4)多孔薄膜层2至少采用一张多孔薄膜制成，所述多孔薄膜层2的孔径为0.4-30μm，例如0.4～1μm或1～30μm，即多孔薄膜层2不允许将细胞透过，但必须允许细胞代谢分泌物能够透过。优选地，多孔薄膜层2的材料为有机高分子材料，优选地，所述多孔薄膜层2的厚度为0.4～1.0mm，例如0.1～0.5mm或0.5～1.0mm。多孔薄膜层2材料的材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚碳酸酯。

5)芯片下层3的厚度小于芯片上层1的厚度，芯片上层1的厚度为2～3mm，芯片下层3的厚度为1～1.5mm。

6)芯片上层1和芯片下层3的材料均为有机高分子材料，优选地，芯片上层1和芯片下层2的材料均聚二甲基硅氧烷或COC塑料，此类材料具有良好的生物相容性。

为更清楚理解本实例，提供上述基于多孔膜的药物多级代谢器官芯片的使用方法，包括如下步骤：

以3个上流体通道100和2个代谢腔室300为例说明，即第1个上流体通道、第2个上流体通道、第3个上流体通道、第1个代谢腔室和第2个代谢腔室。其中第1个代谢腔室通过多孔薄膜层可以与第1个上流体通道和第2个上流体通道连通，第2个代谢腔室通过多孔薄膜层可以与第2个上流体通道和第3个上流体通道连通。

1)将芯片上层1、多孔薄膜层2和芯片下层3，按顺序组装成目标芯片，并对芯片进行灭菌和消毒处理。

2)将同种细胞或不同种细胞依次注入到3个上流体通道100中。

3)待细胞稳定在上流体通道100的中并稳定生长后，将测试药物注入到第1个上流体通道。

4)药物和第1个上流体通道中的细胞相互作用产生代谢分泌物1并通过多孔膜渗透到下流体通道层的第1个代谢腔室，薄膜孔径会将细胞限制在第1个上流体通道层。

5)分泌物1会渗透到下流体通道层的第1个代谢腔室中，当分泌物1在第1个代谢腔室积满后会在压差的作用下再次过薄膜继续与第2个上流体通道的细胞作用产生代谢分泌物2，同样分泌物2也会继续渗透到下一流体通道层，到达下一级的第2个代谢腔室。

6)同样的，第2个代谢腔室的分泌物2积累满后会压差的作用下再次过薄膜继续与第3个上流体通道的细胞作用产生代谢分泌物3。

如上，分泌物1、分泌物2或分泌物3可以在各自的上流体流道中取样测试分析结果。

更具体地，上述步骤还可以包括：1)细胞收集：将所需测试细胞采用胰酶消化，使细胞从贴壁状态转变为漂浮状态，并用含20％高糖的溶液终止胰酶，然后将细胞混合物转移并离心，抽取上清液后加入自身培养液并配置为合适细胞浓度的细胞悬液。

2)将胶原蛋白溶液注入上流体通道，溶液浸润修饰芯片中的多孔薄膜层，然后将所修饰后芯片放置在37℃含5％CO₂的培养箱中静置，以增强其表面的细胞黏附性。

3)从培养箱取出后，往芯片灌注磷酸缓冲盐溶液(PBS)清洗多余的胶原溶液，清洗完成后将细胞悬液灌注到上流体通道，然后将所需要的测试的药物注入到上流体通道层的灌注口，最后将芯片放置于37℃含5％CO₂的培养箱中培养。

实施例1

参阅图1～7，本实例的N为4，即芯片上层1的下表面设有相互平行且长度依次递减的第一流体通道101、第二流体通道102、第三流体通道103和第四流体通道104。芯片下层3的上表面设有第一代谢腔室301、第二代谢腔室302和第三代谢腔室303。其中，第一代谢腔室301在芯片上层1的投影与第一流体通道101和第二流体通道102交叠，第二代谢腔室302在芯片上层1的投影与第二流体通道102和第三流体通道103交叠，第三代谢腔室303在芯片上层1的投影与第三流体通道103和第四流体通道104交叠。

再具体地，第一流体通道101设有第一通道槽1011和位于第一通道槽1011两端的左一灌注孔1012和右一灌注孔1013。第二流体通道102设有第二通道槽1021和位于第二通道槽1021两端的左二灌注孔1022和右二灌注孔1023。第三流体通道103设有第三通道槽1031和位于第三通道槽1031两端的左三灌注孔1032和右三灌注孔1033。第四流体通道104设有第四通道槽1041和位于第四通道槽1041两端的左四灌注孔1042和右四灌注孔1043。以第一流体通道101为例，流体从右一灌注孔1013进入位于第一通道槽1011，可以从左一灌注孔1012进行采用，或者通过多孔薄膜层2渗透到芯片下层3。

其中，参阅图5和图6，芯片上层1设置多个灌注通孔200，分别对应各个上流体通道的左一灌注孔1012、右一灌注孔1013、左二灌注孔1022、右二灌注孔1023、左三灌注孔1032、右三灌注孔1033、左四灌注孔1042和右四灌注孔1043，即各个灌注通孔200与各个灌注孔同轴对齐，在使用时，通过各个灌注通孔200注入不同种类的细胞悬液或测试药物。

关于代谢腔室：参阅图7，第一代谢腔室301设有第一中腔室3011和位于第一中腔室3011一端的第一传输口3012，传输口3012与左二灌注孔1022在芯片上层1上的投影重叠，中腔室3011和第一通道槽1011在芯片上层1上的投影交叉。第二代谢腔室302设有第二中腔室3021和位于第二中腔室3021一端的第二传输口3022，第二传输口3022与左三灌注孔1032在芯片上层1上的投影重叠，第二中腔室3021和第二通道槽1021在芯片上层1上的投影交叉。第三代谢腔室303设有第三中腔室3031和位于第三中腔室3031一端的第三传输口3032，第三传输口3032与左四灌注孔1042在芯片上层1上的投影重叠，第三中腔室3031和第三通道槽1031在芯片上层1上的投影交叉。且各个代谢腔室与各个上流体通道垂直设置，各个代谢腔室的结构相同。另外，各个传输口为圆形，直径为1～1.5mm。

再具体地，参阅图1和图6，第二流体通道102的左二灌注孔1022与第一代谢腔室301的第一传输口3012对齐同轴，第三流体通道103的左三灌注孔1032与第二代谢腔室302的第二传输口3022对齐同轴，第四流体通道104的左四灌注孔1042与第三代谢腔室303的第三传输口3032对齐同轴。

再具体地，参阅图2，多孔薄膜层2的面积和芯片上层1以及芯片下层3的大小一致，多孔薄膜层2材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，孔径设置为10μm左右，厚度为0.2mm左右，不允许细胞通道但允许细胞代谢产物(分泌物)通过。当然经过研究证明多孔薄膜层2的厚度保持在0.1mm～0.30mm最优，可以使得分泌物在多孔薄膜层2上往返传递，且使用寿命较长。

采用如上N为3(肝肾结构)的具体实例的说明芯片的操作过程：

(1)将肠细胞、肝细胞和肾细胞的悬液分别从第一流体通道101的右一灌注孔1013、第二流体通道102的右二灌注孔1023、第三流体通道103的右三灌注孔1033和第四流体通道104的右四灌注孔1043注入；

2)第一流体通道101的肠细胞吸收药物后会产生分泌物1，分泌物1会在外压差作用下通过多孔膜转运动到下流体通道层的第一代谢腔室301；

3)分泌物1堆积满第一代谢腔室301会在压力作用下过多孔膜进入第二流体通道102中与肝细胞相互作用产生分泌物2，分泌物2再过多孔膜进入第二代谢腔室302；

4)同样分泌物2堆积满第二代谢腔室302会在压力作用下过多孔膜与第三流体通道103中的肾细胞作用产生分泌物3，分泌物3再过多孔膜进入第三代谢腔室303；

5)最后分泌物3过多孔膜与第四流体通道104中肝内皮细胞作用产生分泌物4。

其中，分泌物输运过程中，可以随时在各个灌注孔提取分泌物，分析该级代谢的效果。

值得说明的是，压力差可以依靠外接通气或外接泵，也可以靠不同的细胞培养液体积。当依靠不同的培养液体积时操作简单且不需要引入另外的物质，具体地：应遵循的原则是右一灌注孔1013处的培养液体积大于左一灌注孔1012处的培养液体积，左二灌注孔1022处的培养液体积大于右二灌注孔1023的培养液体积，左三灌注孔1032处的培养液体积大于右三灌注孔1033的培养液体积，左四灌注孔1042处的培养液体积大于右四灌注孔1043培养液体积，左一灌注孔1012处的培养液体积大于左二灌注孔1022处的培养液体积，左二灌注孔1022处的培养液体积大于左三灌注孔1032处的培养液体积，左三灌注孔1032处的培养液体积大于左四灌注孔1042处的培养液体积。再者利用压差用推动分泌物运动，可以保证在一定的时间内(12～24h)完成液面持平，在未持平之前可以使得分泌物与各级细胞充分作用，且不需要频繁换培养液。

如上，本申请的芯片在代谢过程中可以随时从各个上流体通道层提取分泌产物，分析药物对细胞的影响，从而达到药物测试的作用。还可实现多种细胞的共同培养，也可以模拟药物在机体内与不同细胞相互作用效果，从而研究药物作用下对细胞多级代谢的影响。

实施例2

与实施例1的不同之处还可以在于：

1)不同的上流体通道中还可以注入三种相同的细胞、两种相同的细胞、或者同样的细胞，可以灵活应用。

2)同一个上流体通道中可以注入不同的细胞实现共培养以形成单器官模拟，即多个不同的上流体通道中分别可以进行单器官模拟，从而在多个不同的上流体通道中可以实现多个单器官之间的模拟。

3)本申请的芯片可以用于多种药物的测试，灵活应用即可。

4)本申请的芯片N的设置数量是可以继续增大，例如10，20，甚至1000，可以实现大批量操作。

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 (11)

1.一种基于多孔膜的多级代谢器官芯片，其特征在于，所述器官芯片由上至下依次包括芯片上层(1)，多孔薄膜层(2)和芯片下层(3)；

所述芯片上层(1)的下表面设有N个上流体通道(100)，且各所述上流体通道(100)互不交叉；

所述芯片下层(3)的上表面设有N-1个代谢腔室(300)，各代谢腔室(300)在芯片上层(1)的投影分别位于相邻的两个上流体通道(100)之间且与相邻的两个上流体通道(100)交叠，且各代谢腔室(300)均通过所述多孔薄膜层(2)与其相邻的两个上流体通道(100)连通；

其中，多孔薄膜层(2)为细胞不能透过且细胞代谢分泌物能够透过的材料制成；

N为大于等于2的整数。

2.根据权利要求1所述的基于多孔膜的多级代谢器官芯片，其特征在于，所述上流体通道(100)两端对应的芯片上层(1)分别设有贯穿所述芯片上层(1)的灌注通孔(200)；

所述灌注通孔(200)的一侧暴露于器官芯片外，另一侧与所述上流体通道(100)连通。

3.根据权利要求2所述的基于多孔膜的多级代谢器官芯片，其特征在于，各所述灌注通孔(200)外部均设有储液管(400)。

4.根据权利要求3所述的基于多孔膜的多级代谢器官芯片，其特征在于，所述储液管(400)的材质为玻璃或高分子聚合材料。

5.根据权利要求2所述的基于多孔膜的多级代谢器官芯片，其特征在于，所述代谢腔室(300)的一端设有传输口；所述传输口与所述上流体通道(100)的一端所对应的灌注通孔(200)在芯片上层(1)的投影重叠。

6.根据权利要求1所述的基于多孔膜的多级代谢器官芯片，其特征在于，包括如下技术特征中的至少一项：

a1)各所述上流体通道(100)平行；和/或，各所述上流体通道(100)之间的间隔相同；

a2)各所述代谢腔室(300)平行；和/或，各所述代谢腔室(300)之间的间隔相同；

a3)所述上流体通道(100)与所述代谢腔室(300)的夹角为30～120°；

a4)使用状态下，所述芯片上层(1)，多孔薄膜层(2)和芯片下层(3)依次贴合连接且密封；

a6)所述多孔薄膜层(2)至少采用一张多孔薄膜制成；和/或，所述多孔薄膜层(2)的孔径为0.4-30μm；和/或，所述多孔薄膜层(2)的材料为有机高分子材料；和/或，所述多孔薄膜层采用胶原蛋白浸润修饰；

a7)所述芯片下层(3)的厚度小于所述芯片上层(1)的厚度；

a8)所述多孔薄膜层(2)覆盖各所述上流体通道(100)和各所述代谢腔室(300)；

a9)所述芯片上层(1)和芯片下层(3)的材料均为有机高分子材料。

7.根据权利要求6所述的基于多孔膜的多级代谢器官芯片，其特征在于，包括如下技术特征中的至少一项：

a11)所述上流体通道(100)的通道内宽为0.4～0.8mm，各所述上流体通道(100)的通道内宽相同或不同；

a21)所述代谢腔室(300)的腔室内宽为0.5～1.5mm，各所述代谢腔室(300)的腔室内宽相同或不同；

a31)所述上流体通道(100)与所述代谢腔室(300)垂直；

a61)所述多孔薄膜层(2)的厚度为0.1～0.3mm；和/或，所述多孔薄膜层(2)材料的材料选自聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氨基甲酸酯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯或聚碳酸酯中的一种；

a71)所述芯片上层(1)的厚度为2～3mm；和/或，所述芯片下层(3)的厚度为1～1.5mm；

a91)所述芯片上层(1)和芯片下层(2)的材料均聚二甲基硅氧烷或COC塑料或聚甲基丙烯酸甲酯。

8.根据权利要求1～7任一项所述的基于多孔膜的多级代谢器官芯片，其特征在于，所述芯片上层(1)的下表面设有相互平行且长度依次递减的第一流体通道(101)、第二流体通道(102)、第三流体通道(103)和第四流体通道(104)；

所述芯片下层(3)的上表面设有第一代谢腔室(301)、第二代谢腔室(302)和第三代谢腔室(303)；

其中，所述第一代谢腔室(301)在芯片上层(1)的投影与所述第一流体通道(101)和第二流体通道(102)交叠，所述第二代谢腔室(302)在芯片上层(1)的投影与所述第二流体通道(102)和第三流体通道(103)交叠，所述第三代谢腔室(303)在芯片上层(1)的投影与所述第三流体通道(103)和第四流体通道(104)交叠。

9.根据权利要求8所述的基于多孔膜的多级代谢器官芯片，其特征在于，所述第一流体通道(101)设有第一通道槽(1011)和位于所述第一通道槽(1011)两端的左一灌注孔(1012)和右一灌注孔(1013)；

所述第二流体通道(102)设有第二通道槽(1021)和位于所述第二通道槽(1021)两端的左二灌注孔(1022)和右二灌注孔(1023)；所述第一代谢腔室(301)设有第一中腔室(3011)和位于第一中腔室(3011)一端的第一传输口(3012)，所述第一传输口(3012)与所述左二灌注孔(1022)在芯片上层(1)上的投影重叠，所述第一中腔室(3011)和所述第一通道槽(1011)在芯片上层(1)上的投影交叉；

其中，第三流体通道(103)和第四流体通道(104)的结构与第一通道(101)和第二通道(102)相同；

所述第二代谢腔室(302)和第三代谢腔室(303)的结构和设置方式与第一代谢腔室(301)相同；

和/或，所述第一流体通道(101)和第四流体通道(104)的通道内宽为0.4～0.6mm；所述第二流体通道(102)和第三流体通道(103)的通道内宽为0.6～0.8mm。

10.如权利要求1～9任一项所述的基于多孔膜的多级代谢器官芯片在疾病模拟、药物研发和营养学研究中的应用。

11.如权利要求10所述的应用，其特征在于，基于多孔膜的多级代谢器官芯片在研究体外药物多级代谢中的应用。