TWI775554B - 肺呼吸晶片與細胞拉伸培養平台及其運作方法 - Google Patents

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Abstract

本發明揭露一種肺呼吸晶片與細胞拉伸培養平台及其運作方法。肺呼吸晶片與細胞拉伸培養平台係透過程式編寫控制馬達輸出、利用凸輪元件對微流體晶片進行拉伸、改變凸輪元件的尺寸及馬達轉動的頻率來改變拉伸頻率及拉伸量，以模擬不同狀態下的肺部呼吸情況、透過液體介電泳技術對生物相容性水膠及水膠中的細胞進行三維排列，以仿造出三維的細胞組織、以及透過動態灌流系統灌流藥物，以實現晶片仿生肺組織中細胞受到拉伸時的藥物測試平台。

Description

肺呼吸晶片與細胞拉伸培養平台及其運作方法
本發明係與細胞培養有關，尤其是關於一種肺呼吸晶片與細胞拉伸培養平台及其運作方法。
對於藥物研發及病因研究而言，相較於傳統的動物實驗仿生晶片，由於人體器官仿生晶片可直接採用人體細胞且可實現個性化訂製，故其發展具有非常重大的意義。
舉例而言，肺是人體進行呼吸的重要器官，然而，在傳統的肺仿生晶片的研發及設計上，仍會面臨到無法將晶片拉伸系統設置於細胞培養箱裡操作以模擬肺呼吸的難題，亟待克服。
一般而言，微流體晶片通常會利用注射針筒透過塑膠管將細胞注入晶片系統之中，然而，此方法的缺點在於注入細胞的流速及數量均難以準確地控制且難以讓細胞均勻分佈於指定的區域內，亦亟待克服。
此外，傳統上若欲將細胞排列成特定圖案，通常會更改晶片結構或使用光固化水膠結合光罩來實現，但這些方法在尺寸上會有較大的限制存在，導致其實用性不佳。
再者，由於細胞在生長過程中通常會產生一些細胞毒素，若長時間靜置培養細胞，會使得培養液中的營養成分被消化完全而導致細胞毒素聚集，不僅會對細胞造成傷害且此種靜置培養的環境亦難以模擬出患者體內之細胞的實際生長環境，亦亟待克服。
有鑑於此，本發明提出一種肺呼吸晶片與細胞拉伸培養平台及其運作方法，以有效解決先前技術所遭遇到之上述諸多問題。
依據本發明之一具體實施例為一種肺呼吸晶片與細胞拉伸培養平台。於此實施例中，肺呼吸晶片與細胞拉伸培養平台包括：微流體晶片，其上係容置有複數個細胞；馬達，其輸出係透過程式編寫來控制；以及凸輪元件，用以對微流體晶片進行拉伸；其中，微流體晶片的拉伸頻率及拉伸量係透過改變凸輪元件的尺寸及馬達的轉動頻率來改變，以模擬不同狀態下的肺部呼吸情況；微流體晶片上的該複數個細胞係透過液體介電泳技術來進行三維排列，以仿造出三維細胞組織。
於一實施例中，肺呼吸晶片與細胞拉伸培養平台還包括：動態灌流系統，用以灌流藥物，以對受到拉伸的三維細胞組織進行藥物測試。
於一實施例中，微流體晶片上的微流道結構係結合三維生物相容水膠的光固化及液體介電泳技術來對該複數個細胞進行三維排列，共培養出不同細胞組織以完整模擬患者體內之肺組織環境，其中三維生物相容水膠係作為細胞培養的環境以模擬人體內的細胞基質與細胞骨架，並利用動態灌流系統置換培養基以模擬人體內的血液流動的狀態。
於一實施例中，當微流體晶片被拉伸時，微流體晶片的多孔薄膜中的孔洞亦會受到形變。
於一實施例中，微流體晶片包括複數個流道，用以同時觀察不同的肺部模擬實驗結果。
依據本發明之另一具體實施例為一種肺呼吸晶片與細胞拉伸培養平台運作方法。於此實施例中，該運作方法包括下列步驟：(a)透過程式編寫控制馬達的輸出；(b)利用凸輪元件對微流體晶片進行拉伸；(c)改變凸輪元件的尺寸及馬達的轉動頻率來改變對微流體晶片的拉伸頻率及拉伸量，以模擬不同狀態下的肺部呼吸情況；以及(d)透過液體介電泳技術對微流體晶片上的複數個細胞進行三維排列，以仿造出三維細胞組織。
於一實施例中，該運作方法還包括下列步驟：(e)透過動態灌流系統灌流藥物，以對受到拉伸的三維細胞組織進行藥物測試。
於一實施例中，步驟(d)還包括：利用微流體晶片上的微流道結構結合三維生物相容水膠的光固化及液體介電泳技術對該複數個細胞進行三維排列，共培養出不同細胞組織以完整模擬患者體內之肺組織環境，其中三維生物相容水膠係作為細胞培養的環境以模擬人體內的細胞基質與細胞骨架，並利用動態灌流系統置換培養基以模擬人體內的血液流動的狀態。
於一實施例中，當微流體晶片被拉伸時，微流體晶片的多孔薄膜中的孔洞亦會受到形變。
於一實施例中，微流體晶片包括複數個流道，用以同時觀察不同的肺部模擬實驗結果。
相較於先前技術，本發明的肺呼吸晶片與細胞拉伸培養平台及其運作方法具有下列優點/功效：
(1)肺組織微環境建構：本發明利用微流道結構結合三維生物相容水膠及液體介電泳技術對細胞進行排列，共培養不同細胞以完整模擬患者體內之肺組織環境。
(2)動態灌流系統：本發明使用具有生物相容性的水膠作為細胞培養的環境，模擬人體內的細胞基質與細胞骨架，利用動態灌流系統置換培養基，模擬人體內血液流動的狀態，使晶片中細胞的生長環境更加貼近人體內的環境，使細胞有效生長，達到仿生的目的同時大大地延長了細胞的壽命增加觀察培養的時間。
(3)細胞拉伸系統：本發明透過細胞拉伸裝置中的馬達頻率控制及凸輪尺寸選擇，能夠分別模擬人類呼吸時不同頻率及不同的細胞拉伸量。不同的凸輪元件尺寸能夠透過結合伺服馬達達到不同的拉伸量及拉伸頻率，受到拉伸作用的晶片上，孔洞也會受到形變。
(4)介電泳晶片：本發明所採用的介電泳晶片可以非常良好地對細胞進行操控，通過施加電壓將細胞排列在指定的電極區域，並且可以實現均勻分佈，配合光固化水膠的使用，可以在無光罩的條件下對細胞進行固定，操作簡便，節省了實驗操作步驟，也節約了成本及時間，同時也可以大幅增加細胞的利用率，減少細胞的浪費。
(5)多流道設計：本發明透過多個流道(例如四流道)之設計，得以實現同時觀察例如「肺部組織受空汙影響」、「肺部組織未受空汙影響」、「肺部組織受拉伸作用」及「肺部組織未受拉伸作用」等多種不同的肺部組織模擬實驗結果，以大幅縮短模擬所需時間。
關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。
現在將詳細參考本發明的示範性實施例，並在附圖中說明所述示範性實施例的實例。在圖式及實施方式中所使用相同或類似標號的元件/構件是用來代表相同或類似部分。
依據本發明之一具體實施例為一種肺呼吸晶片與細胞拉伸培養平台及其運作方法，其具有小巧便攜、運作簡單等優點，可有效解決傳統上無法將晶片拉伸系統設置於細胞培養箱裡操作的問題。
於實際應用中，為了使例如肺呼吸晶片的仿生晶片能提供更理想的性能，在仿生晶片中的細胞培養亦為亟需克服的問題。因此，本發明利用液體介電泳技術有效克服傳統上在細胞共培養時無法有效排列細胞的缺點，並且還利用水膠的光固化特性解決細胞在仿生晶片中的定位問題以及簡化了傳統的細胞固定方式的操作步驟。
此外，本發明同時透過液體介電泳技術將生物相容水膠與細胞加以結合以構建出三維的細胞團塊，藉以區隔傳統的二維細胞培養方式。再者，本發明還利用多孔薄膜及動態灌流技術進行細胞培養，使得體外細胞的生長環境能更接近人體內的實際情況，進而提升本發明的仿生晶片的實用性及應用價值。
請參照圖1A及圖1B，圖1A及圖1B分別繪示微流體晶片受拉伸前後的側視圖。如圖1A所示，當微流體晶片MFC尚未受到拉伸時，微流體晶片MFC的上層微流道M1的左右兩側分別設置於兩拉伸玻片SG上方且微流體晶片MFC的上層微流道M1的中間部分則設置於多孔薄膜PM上方。兩拉伸玻片SG分別設置於固定部FP及可移動部MP上方。下層微流道M2係設置於固定部FP與可移動部MP之間且位於多孔薄膜PM下方。當微流體晶片MFC尚未受到拉伸時，固定部FP與可移動部MP之間的間距為d1，亦即下層微流道M2的長度為d1。
如圖1B所示，當微流體晶片MFC的右側受到拉伸時，位於其下方的可移動部MP隨之向右移動，至於位於微流體晶片MFC的左側下方的固定部FP則維持固定不動。因此，固定部FP與可移動部MP之間的間距會從d1增為d2，亦即下層微流道M2的長度亦會從d1增為d2。此外，位於上層微流道M1的中間部分下方的多孔薄膜PM亦會被延伸。
請參照圖2A至圖2D，圖2A至圖2D分別繪示微流體晶片中之微流道設計的示意圖、微流體晶片結合伺服馬達的示意圖、上層微流道的上視圖及下層微流道的上視圖。
如圖2A所示，本發明的微流體晶片係採用雙層微流道(例如上層微流道及下層微流道)的設計方式設計而成。圖2B則繪示微流體晶片MFC與伺服馬達SM整合於晶片座CH上的示意圖。至於上層微流道及下層微流道的上視圖則分別如圖2C及圖2D所示，上層微流道分別連接上層入口IN1、上層出口OUT1、下層入口IN2及下層出口OUT2且下層微流道分別連接下層入口IN2及下層出口OUT2。
請參照圖3A至圖3C，圖3A至圖3C分別繪示微流體晶片中之多孔薄膜作用的側視圖、多孔薄膜的上視圖及立體圖。
如圖3A所示，多孔薄膜PM係位於上層微流道TMF與下層微流道BMF之間。假設在上層微流道TMF中有第一介質MD1及複數個第一細胞CE1且在下層微流道BMF中有第二介質MD2及複數個第二細胞CE2。該複數個第一細胞CE1係依附至多孔薄膜PM上方且該複數個第二細胞CE2係依附至多孔薄膜PM下方。
實際上，該複數個第一細胞CE1與該複數個第二細胞CE2可以是不同種類的細胞且第一介質MD1與第二介質MD2可以是不同種類的與細胞相容的介質(例如水膠，但不以此為限)。
如圖3B及圖3C所示，多孔薄膜PM包含複數個孔洞H。該複數個孔洞H的直徑可以是15um且彼此交錯排列。相鄰兩個孔洞H之間的距離可以是70um。多孔薄膜PM的高度可以是20um。
請參照圖4，圖4繪示肺呼吸晶片與細胞拉伸培養平台的示意圖。如圖4所示，肺呼吸晶片與細胞拉伸培養平台4包含微流體晶片MFC、伺服馬達SM、晶片座CH及電路板ARN。晶片座CH係用以承載微流體晶片MFC。電路板ARN係用以電連接微流體晶片MFC及伺服馬達SM。伺服馬達SM係用以對微流體晶片MFC上的微流道內的細胞進行拉伸，以模擬人體呼吸的情況。
請參照圖5，圖5繪示凸輪的轉動帶動連動機構的移動的示意圖。如圖5所示，由於凸輪CAM的圓心CC與固定軸AX不同，當凸輪CAM順時針轉動時，固定軸AX維持不動而圓心CC隨之轉動，故會帶動連動機構(可移動部MP)向下移動一段距離d，但不以此為限。
請參照圖6，圖6分別繪示不同種類的凸輪使多孔薄膜的孔洞形變前後的示意圖。如圖6所示，本發明所採用的凸輪可以是(1)偏心凸輪、(2)橢圓凸輪、(3)三角凸輪或(4)矩形凸輪，當其轉動時可使例如圖3B中之多孔薄膜PM的孔洞H產生不同的形變，如圖6繪示的形變前後的孔洞示意圖所示，但不以此為限。
請參照圖7，圖7繪示液體介電泳電極設計的示意圖。如圖7所示，7為電壓輸入點、8為細胞的初始儲存區、9為細胞排列及固定的區域。
需說明的是，傳統的微流體晶片通常採用注射針筒透過塑膠管將細胞灌入晶片系統中，但常會造成流速難以控制、無法精確掌握細胞數量、難以讓細胞在指定區域內均勻分佈等缺點。此外，若欲將細胞排為特定圖案，通常會更改晶片結構或使用光固化水膠結合光罩的方式，但均會在尺寸上有較大的限制。
相較之下，本發明所採用的介電泳晶片能夠精細地對細胞進行操控，並透過施加電壓的方式將細胞均勻地排列於指定的電極區域，並搭配光固化水膠的使用，可在無光罩的條件下進行光固化。由於其操作簡便且可大幅增加細胞的利用率，故可有效節省成本及時間，亦可避免細胞的浪費。
請參照圖8A至圖8D，圖8A至圖8D分別繪示結合空氣汙染懸浮粒子的肺組織仿生晶片的示意圖、肺組織仿生晶片結合晶片拉伸系統的示意圖、上層微流道的示意圖及下層微流道的示意圖。
如圖8A及圖8B所示，透過引入空氣汙染懸浮粒子，得以在肺組織仿生晶片上模擬肺部組織在晶片拉伸系統的拉伸作用下所受到的空氣汙染之影響。圖8C及圖8D則分別繪示上層微流道及下層微流道的示意圖。舉例而言，上層微流道所包括的四個微流道可分別用來同時觀察「肺部組織受到空汙影響」、「肺部組織未受到空汙影響」、「肺部組織受到拉伸作用」、「肺部組織未受到拉伸作用」等四種不同的肺部組織模擬實驗結果，藉以節省時間及提升效率。
請參照圖9，圖9繪示肺呼吸晶片與細胞拉伸培養平台的運作方法的流程圖。如圖9所示，該運作方法可包含下列步驟S10~S14，但不以此為限：
步驟S10：透過程式編寫控制馬達輸出；
步驟S11：利用凸輪元件對微流體晶片進行拉伸；
步驟S12：改變凸輪元件的尺寸及馬達轉動的頻率來改變拉伸頻率及拉伸量，以模擬不同狀態下的肺部呼吸情況；
步驟S13：透過液體介電泳技術對生物相容性水膠及水膠中的細胞進行三維排列，以仿造出三維的細胞組織；以及
步驟S14：透過動態灌流系統灌流藥物，以實現晶片仿生肺組織中細胞受到拉伸時的藥物測試平台。
相較於先前技術，本發明的肺呼吸晶片與細胞拉伸培養平台及其運作方法具有下列優點/功效：
(1)肺組織微環境建構：本發明利用微流道結構結合三維生物相容水膠及液體介電泳技術對細胞進行排列，共培養不同細胞以完整模擬患者體內之肺組織環境。
(2)動態灌流系統：本發明使用具有生物相容性的水膠作為細胞培養的環境，模擬人體內的細胞基質與細胞骨架，利用動態灌流系統置換培養基，模擬人體內血液流動的狀態，使晶片中細胞的生長環境更加貼近人體內的環境，使細胞有效生長，以達到仿生的目的並同時大幅延長細胞的壽命，以增加觀察培養的時間。
(3)細胞拉伸系統：本發明透過細胞拉伸裝置中的馬達頻率控制及凸輪尺寸選擇，能夠分別模擬人類呼吸時不同頻率及不同的細胞拉伸量。不同的凸輪元件尺寸能夠透過結合伺服馬達達到不同的拉伸量及拉伸頻率，受到拉伸作用的晶片上，孔洞也會受到形變。
(4)介電泳晶片：本發明所採用的介電泳晶片可以非常良好地對細胞進行操控，通過施加電壓將細胞排列在指定的電極區域，並且可以實現均勻分佈，配合光固化水膠的使用，可以在無光罩的條件下對細胞進行固定，操作簡便，節省了實驗操作步驟，也節約了成本及時間，同時也可以大幅增加細胞的利用率，減少細胞的浪費。
(5)多流道設計：本發明透過多個流道(例如四流道)之設計，得以實現同時觀察例如「肺部組織受空汙影響」、「肺部組織未受空汙影響」、「肺部組織受拉伸作用」及「肺部組織未受拉伸作用」等多種不同的肺部組織模擬實驗結果，以大幅縮短模擬所需時間。
MFC:微流體晶片 SG:拉伸玻片 FP:固定部 MP:可移動部 PM:多孔薄膜 M1:上層微流道 M2:下層微流道 d1:未拉伸時固定部與可移動部之間的距離 d2:拉伸時固定部與可移動部之間的距離 IN1:上層入口 IN2:下層入口 OUT1:上層出口 OUT2:下層出口 SM:伺服馬達 CH:晶片座 CE1:第一細胞 CE2:第二細胞 TMF:上層微流道 BMF:下層微流道 MD1:第一介質 MD2:第二介質 H:孔洞 4:肺呼吸晶片與細胞拉伸培養平台 ARN:電路板 CAM:凸輪 CC:圓心 AX:固定軸 d:距離 7:電壓輸入點 8:細胞的初始儲存區 9:細胞排列及固定的區域 S10~S14:步驟
本發明所附圖式說明如下： 圖1A及圖1B分別繪示微流體晶片受拉伸前後的側視圖。 圖2A至圖2D分別繪示微流體晶片中之微流道設計的示意圖、微流體晶片結合伺服馬達的示意圖、上層微流道的上視圖及下層微流道的上視圖。 圖3A至圖3C分別繪示微流體晶片中之多孔薄膜作用的側視圖、多孔薄膜的上視圖及立體圖。 圖4繪示肺呼吸晶片與細胞拉伸培養平台的示意圖。 圖5繪示凸輪的轉動帶動連動機構的移動的示意圖。 圖6分別繪示不同種類的凸輪使多孔薄膜的孔洞形變前後的示意圖。 圖7繪示液體介電泳電極設計的示意圖。 圖8A至圖8D分別繪示結合空氣汙染懸浮粒子的肺組織仿生晶片的示意圖、肺組織仿生晶片結合晶片拉伸系統的示意圖、上層微流道的示意圖及下層微流道的示意圖。 圖9繪示肺呼吸晶片與細胞拉伸培養平台的運作方法的流程圖。
S10~S14:步驟

Claims (10)

  1. 一種肺呼吸晶片與細胞拉伸培養平台，包括：微流體晶片，其上係容置有複數個細胞；馬達，其輸出係透過程式編寫來控制；以及凸輪元件，用以對該微流體晶片進行拉伸；其中，該微流體晶片的拉伸頻率及拉伸量係透過改變該凸輪元件的尺寸及該馬達的轉動頻率來改變，以模擬不同狀態下的肺部呼吸情況；該微流體晶片上的該複數個細胞係透過液體介電泳技術來進行三維排列，以仿造出三維細胞組織；三維生物相容水膠係作為細胞培養的環境以模擬人體內的細胞基質與細胞骨架，並利用動態灌流系統置換培養基以模擬人體內的血液流動的狀態。
  2. 如請求項1所述的肺呼吸晶片與細胞拉伸培養平台，還包括：該動態灌流系統，用以灌流藥物，以對受到拉伸的該三維細胞組織進行藥物測試。
  3. 如請求項1所述的肺呼吸晶片與細胞拉伸培養平台，其中該微流體晶片上的微流道結構係結合該三維生物相容水膠的光固化及該液體介電泳技術來對該複數個細胞進行三維排列，共培養出不同細胞組織以完整模擬患 者體內之肺組織環境。
  4. 如請求項1所述的肺呼吸晶片與細胞拉伸培養平台，其中當該微流體晶片被拉伸時，該微流體晶片的多孔薄膜中的孔洞亦會受到形變。
  5. 如請求項1所述的肺呼吸晶片與細胞拉伸培養平台，其中該微流體晶片包括複數個流道，用以同時觀察不同的肺部模擬實驗結果。
  6. 一種肺呼吸晶片與細胞拉伸培養平台的運作方法，包括下列步驟：(a)透過程式編寫控制馬達的輸出；(b)利用凸輪元件對微流體晶片進行拉伸；(c)改變該凸輪元件的尺寸及該馬達的轉動頻率來改變對該微流體晶片的拉伸頻率及拉伸量，以模擬不同狀態下的肺部呼吸情況；以及(d)透過液體介電泳技術對該微流體晶片上的複數個細胞進行三維排列，以仿造出三維細胞組織；其中，三維生物相容水膠係作為細胞培養的環境以模擬人體內的細胞基質與細胞骨架，並利用動態灌流系統置換培養基以模擬人體內的血液流動的狀態。
  7. 如請求項6所述的運作方法，還包括下列步驟： 透過該動態灌流系統灌流藥物，以對受到拉伸的該三維細胞組織進行藥物測試。
  8. 如請求項6所述的運作方法，其中步驟(d)還包括：利用該微流體晶片上的微流道結構結合該三維生物相容水膠的光固化及該液體介電泳技術對該複數個細胞進行三維排列，共培養出不同細胞組織以完整模擬患者體內之肺組織環境。
  9. 如請求項6所述的運作方法，其中當該微流體晶片被拉伸時，該微流體晶片的多孔薄膜中的孔洞亦會受到形變。
  10. 如請求項6所述的運作方法，其中該微流體晶片包括複數個流道，用以同時觀察不同的肺部模擬實驗結果。
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