TWI709645B - 模擬腸道環境的生物晶片 - Google Patents

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朱永麟
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Abstract

一種模擬腸道環境的生物晶片，包含一基材單元、一設置於該基材單元的模擬單元，及一形成於該模擬單元的結構單元。該基材單元包括一以具彈性且無菌之高分子材料製成的板材，該模擬單元包括一貼附於該板材的生物膜，及一塗佈於該生物膜的黏膜層。該結構單元包括一與該板材共同界定出一流道的結構面，及多個種植於該流道的試驗細胞。該流道包括一連通輸入口的輸入部、一連通輸出口的輸出部，及一銜接兩者間的系統部，該系統部具有多個反覆來回彎折的作用段，每一作用段具有至少一個寬度擴增的擴展區，能模擬腸道環境以取代動物及人體實驗。

Description

模擬腸道環境的生物晶片
本發明是有關於一種生物晶片，特別是指一種模擬腸道環境的生物晶片。
近年來人們的飲食漸趨精緻、多元，有助於腸道健康之例如蔬果、乳製品、米麴等等天然食物的攝取量大幅減少。另外，隨著食品工業越加發達，部分人工食品更可能因其化學成分而影響人體腸道的健康。在飲食習慣改變、人工食品食用機會增加的情況下，現代人罹患腸癌的機率大增，而其中的病因大多是飲食習慣所造成之腸道益菌的失衡。因此，如何維持腸道中益生菌的數量，即成為降低腸癌罹患風險的關鍵之一，甚至是理想的輔助性治療手段。
針對上述課題，除了改變不正常的飲食習慣以外，目前大多是以直接食用益生菌食品的方式，改變腸道內的菌種生態。生醫研發單位為了確保其所研發的益生菌產品確實具有預期效果，通常必須進行「動物實驗」甚至「人體實驗」，實際觀察所研發的益生菌是否確實產生「促進消化吸收」、「改善腸內細菌菌相」、「幫助腸胃蠕動」、「有助於胃黏膜保護作用」等等的具體呈現，才可以證實其研發成果，甚至主張使用後的功效。
然而，執行動物實驗或者人體實驗的成本所費不貲，無論是在金錢成本及時間成本上都有相當的耗費。以動物實驗而言，除了飼養大量動物來進行所需樣本數的實驗，可能還需要考量維持動物一定之生命狀態，才可以提高實驗的可信度，自然也需要耗費額外的成本，而實際臨床實驗所需要耗費的時程也相當長，難以因應當今對於相關研發成果之期待；以人體實驗來說，即便暫不考慮到參與實驗之人員的薪資報酬問題，同樣也會在臨床實驗耗費相當長的時間，對於相關產業的發展及突破而言，並無法因應巨量、高效率之研發需求。
因此，本發明之目的，即在提供一種能取代動物或人體實驗之模擬腸道環境的生物晶片。
於是，本發明模擬腸道環境的生物晶片，包含一基材單元、一設置於該基材單元上的模擬單元，及一形成於該模擬單元朝向該基材單元之一側的結構單元。
該基材單元包括一以具有彈性且無菌之高分子材料所製成的板材。
該模擬單元包括一貼附於該板材上且具有呈貫穿狀之一輸入口及一輸出口的生物膜，及一塗佈於該生物膜朝向該板材之一側的黏膜層。
該結構單元包括一凹設於該生物膜且與該板材共同界定出一流道的結構面，及多個種植於該流道中的試驗細胞。該流道包括一連通於該輸入口的輸入部、一連通於該輸出口的輸出部，及一銜接於該輸入部與該輸出部之間的系統部。該系統部具有多個呈反覆來回彎折而相互銜接的作用段，每一作用段具有至少一個垂直於延伸方向之寬度擴增的擴展區。
本發明之功效在於：利用該結構單元與該板材共同界定而成的該流道，能在植入例如大腸癌之該等試驗細胞後，配合呈反覆彎折之該等作用段而模擬大腸環境，且透過該等作用段的所述擴展區，更能模擬大腸環境中的絨毛結構。因此，在製造成本低廉、易於大量快速製造，且確實具有模擬大腸環境之效果的情況下，確實具有取代動物或人體實驗的可行性及前瞻性。
在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。
參閱圖1與圖2，本發明模擬腸道環境的生物晶片之一第一實施例，包含一基材單元1、一設置於該基材單元1上的模擬單元2，及一形成於該模擬單元2朝向該基材單元1之一側的結構單元3。該基材單元1包括一以具有彈性且無菌之高分子材料所製成的板材11，具體而言，該板材11的材質是選自美耐皿、尿素樹脂、酚醛樹脂的其中之一或其組合，避免實際應用於生物實驗時，影響到細胞、抗體、益菌等等實驗用生物體的生物活性。
該模擬單元2包括一貼附於該板材11上且具有呈貫穿狀之一輸入口218及一輸出口219的生物膜21，及一塗佈於該生物膜21朝向該板材11之一側的黏膜層22。其中，該生物膜21的材質是選自二甲基矽氧烷(PDMS)或聚對苯二甲酸乙二酯，在本第一實施例中，是採用二甲基矽氧烷(PDMS)為例而具體說明，選用二甲基矽氧烷(PDMS)除了考量到生物相容性而避免影響生物活性以外，其微結構的製造技術上也相當成熟、簡便，相當有利於依照需求形成設計的流體晶片結構。除此之外，考慮到該模擬單元2與該板材11的結合方式，二甲基矽氧烷(PDMS)可簡單以電漿處理，使表面氧化而容易直接與多種材質產生共價鍵結，以達成該模擬單元2與該板材11的結合作業。另外，所述黏膜層22是為了模擬腸道內壁的黏膜組織，使得本第一實施例更接近真實腸道。
該結構單元3包括一凹設於該生物膜21且與該板材11共同界定出一流道30的結構面31，及多個種植於該流道30中的試驗細胞(因細小而未於圖中繪示)。具體而言，該結構單元3即為當該模擬單元2貼附於該板材11後，得以與該板材11一同形成所設計之流道系統的流道結構，而所述試驗細胞配合模擬腸道環境的需求，較佳為Caco-2大腸癌細胞。所述流道結構的形成方式，較佳可利用二甲基矽氧烷(PDMS)翻模的方式快速達成，而用於翻模的結構可利用已相當成熟的半導體製程預先製造於矽晶圓上，或者藉由光刻、蝕刻、機械加工等等方式形成，只要預先製造出用於翻模的結構，即相當有利於大量、快速地製造所需的該結構面31。
參閱圖3，該流道30包括一連通於該輸入口218的輸入部308、一連通於該輸出口219的輸出部309，及一銜接於該輸入部308與該輸出部309之間的系統部301。該系統部301具有多個呈反覆來回彎折而相互銜接的作用段302，每一作用段302具有至少一個垂直於延伸方向之寬度擴增的擴展區303。該輸入部308具有多個呈反覆來回彎折而相互銜接的緩衝段388，該輸出部309具有多個呈反覆來回彎折而相互銜接的導出段399。其中，每一緩衝段388的寬度大於每一導出段399的寬度。
參閱圖4，並請配合參閱圖3，使用本第一實施例進行實驗時，該模擬單元2之該生物膜21的該輸入口218及該輸出口219會分別連接二條矽膠管9，藉此將用於實驗的介質透過幫浦提供動力，以固定流速自該輸入口218導入該流道30。其中，所述介質中含有欲進行測試的益生菌、藥品、供應益生菌的養分、緩衝液等等成分。當所述介質經過該輸入部308的該等緩衝段388，可藉由該等緩衝段388的來回彎折而產生使流體初步緩衝，達成使介質平均輸入該系統部301的效果。在該系統部301中，因每一作用段302具有至少一個垂直於延伸方向之寬度擴增的擴展區303，故會在上游以固定流速導入介質的情況下產生局部流速的變化，可配合該等作用段302反覆彎折的型態，產生類似腸道中的流場環境，並且模擬絨毛蠕動的影響。最後，所述介質通過該系統部301後，即可經由該等導出段399而自該輸出口219導出。在持續將所述介質連續導入本第一實施例後，即可使該流道30構成類似腸道的環境，是故後續只要在特定時間後，觀察該流道30中所植入之Caco-2大腸癌細胞的狀態，即可初步得知介質中所含之益生菌或藥品對於維持人體健康或者抑制癌細胞的效果。
執行試驗後的本第一實施例，必須再經過確認癌細胞的狀態，才能得到實驗的結果，而確認癌細胞狀態的方法，較佳是採用螢光標定再透過共軛顯微鏡觀察。要先行強調的是，採用螢光標定的方式僅是其中一種較佳的確認方式，除此之外，藉由例如蛋白質表現量分析之方式，也能達成相同之確認效果。其中，就使用螢光標定的方式而言，若欲藉由具體之細胞數量參數來歸納實驗結果，則較佳可利用所述共軛顯微鏡拍攝代表細胞之螢光亮點的照片，接著以例如Imaris Scientific 3D/4D Image Processing & Analysis Software之影像分析軟體執行數量分析，即可依據初始種植之試驗細胞的數量，與執行實驗後的細胞數量比較，由差異呈現得知所述試驗細胞是增長或者衰減，藉此判斷導入之益生菌、藥物的效果。
要特別說明的是，因本第一實施例的該基材單元1及該模擬單元2的材質皆易於取得，不僅可降低實驗成本，在該模擬單元2上製作該結構單元3的步驟也相當簡便、快速，利於快速及大量的產線化製造。因此，在本第一實施例確實具有可模擬腸道環境而能替代動物、人體實驗的情況下，還能藉由快速、大量製造的優勢，大幅縮短實驗的歷程，有助於降低研發成本、提高研發效益。
參閱圖5，為本發明模擬腸道環境的生物晶片之一第二實施例，本第二實施例與該第一實施例的差別在於：該模擬單元2的該生物膜21還具有一塗佈於該黏膜層22上且用以與該基材單元1之該板材11結合的結合層29。也就是說，該第一實施例是在不塗佈該結合層29的情況下，藉由電漿處理的方式使二甲基矽氧烷表面氧化，產生易於與該板材11結合的特性。而本第二實施例則是直接利用該結合層29，達成使該模擬單元2與該板材11結合的目的，除此之外，本第二實施例可達成與該第一實施例相同之模擬腸道環境的功效。
綜上所述，本發明模擬腸道環境的生物晶片，確實可藉由該流道30的型態設計，配合該等作用段302之擴展區303的寬度變化，模擬腸道環境以及絨毛結構的蠕動效果，足以替代動物及人體實驗，有助於降低研發成本並且縮短實驗歷程，藉此大幅提高相關產品的研發效益，故確實能達成本發明之目的。
惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
1:基材單元 11:板材 2:模擬單元 21:生物膜 218:輸入口 219:輸出口 22:黏膜層 29:結合層 3:結構單元 30:流道 301:系統部 302:作用段 303:擴展區 308:輸入部 388:緩衝段 309:輸出部 399:導出段 31:結構面 9:矽膠管
本發明之其它的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1是一立體分解圖，說明本發明模擬腸道環境的生物晶片之一第一實施例； 圖2是一剖視示意圖，說明該第一實施例的一模擬單元及一結構單元； 圖3是一俯視圖，說明該第一實施例之一基板單元與該結構單元之一結構面共同界定出一流道； 圖4是一示意圖，說明藉由該第一實施例模擬腸道環境而執行實驗的情況；及 圖5是一類似圖2的示意圖，說明本發明模擬腸道環境的生物晶片之一第二實施例。
1:基材單元
11:板材
2:模擬單元
21:生物膜
218:輸入口
219:輸出口
3:結構單元
30:流道
301:系統部
302:作用段
303:擴展區
308:輸入部
309:輸出部
31:結構面

Claims (6)

  1. 一種模擬腸道環境的生物晶片，包含： 一基材單元，包括一以具有彈性且無菌之高分子材料所製成的板材； 一模擬單元，設置於該基材單元上，並包括一貼附於該板材上且具有呈貫穿狀之一輸入口及一輸出口的生物膜，及一塗佈於該生物膜朝向該板材之一側的黏膜層；及 一結構單元，形成於該模擬單元朝向該基材單元之一側，並包括一凹設於該生物膜且與該板材共同界定出一流道的結構面，及多個種植於該流道中的試驗細胞，該流道包括一連通於該輸入口的輸入部、一連通於該輸出口的輸出部，及一銜接於該輸入部與該輸出部之間的系統部，該系統部具有多個呈反覆來回彎折而相互銜接的作用段，每一作用段具有至少一個垂直於延伸方向之寬度擴增的擴展區。
  2. 如請求項1所述模擬腸道環境的生物晶片，其中，該基材單元之該板材的材質是選自美耐皿、尿素樹脂、酚醛樹脂的其中之一或其組合。
  3. 如請求項1所述模擬腸道環境的生物晶片，其中，該模擬單元的該生物膜還具有一塗佈於該黏膜層上且用以與該基材單元之該板材結合的結合層。
  4. 如請求項1所述模擬腸道環境的生物晶片，其中，該模擬單元之該生物膜的材質是選自二甲基矽氧烷或聚對苯二甲酸乙二酯。
  5. 如請求項1所述模擬腸道環境的生物晶片，其中，該流道的該輸入部具有多個呈反覆來回彎折而相互銜接的緩衝段，該輸出部具有多個呈反覆來回彎折而相互銜接的導出段。
  6. 如請求項5所述模擬腸道環境的生物晶片，其中，該流道之該輸入部之每一緩衝段的寬度大於該輸出部之每一導出段的寬度。
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