WO2019091037A1 - 一种基于结构色水凝胶的心脏芯片及其应用 - Google Patents

一种基于结构色水凝胶的心脏芯片及其应用 Download PDF

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    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands

Abstract

一种基于结构色水凝胶的心脏芯片，包括芯片顶板（1）、芯片底板（2）和生长有心肌细胞的结构色水凝胶膜（8），芯片底板（2）设置有微贮液池（7），其一端通过流量分配微通道（6）与芯片底板（2）上的进液口（3）连通，另一端与芯片底板（2）上的出液口（4）连通，在微贮液池（7）的中设置有水凝胶膜安装微柱（5），用于放置结构色水凝胶膜（8）；芯片顶板（1）设置有进液孔（9）和出液孔（10），位置分别与芯片底板（2）的进液口（3）和出液口（4）相对应。本发明的基于结构色水凝胶材料构建的心脏芯片不需要复杂的检测系统，具备直观性，对被检测系统无生理药理等方面的影响，更要的是检测方法不受外界环境和化学试剂等因素的影响，在心脏药物的筛选和评估中，可表现出灵敏，高效，且不受外界条件影响的独特内在优势。

Description

一种基于结构色水凝胶的心脏芯片及其应用 技术领域
本发明涉及一种基于结构色水凝胶的心脏芯片及其应用，属于器官芯片领域。
背景技术
人体是由多种复杂器官组成的生物体，器官之间的相互联动，使得人类可以在体内实现多种代谢行为。目前，对于针对人类的药物开发，主要是通过体外细胞培养和动物体内实验，检测药物对目标物体的作用，从而判断药物特性；然而体外细胞培养出的二维细胞结构不能真实的模拟人体微环境以及各组织和器官之间的复杂生理过程，同时动物体内实验也受到动物模型不确定性、不同动物体内的复杂性及一些人道主义因素的制约；为此，在细胞或器官水平上构建细胞或器官芯片来模拟真实的生理过程已经引起了广泛的兴趣。
心脏是人体重要的器官之一，心脏芯片是实现模拟人体心脏功能及检测行为的重要实现方式，然而构建后心脏芯片需要复杂的检测系统，并且这些检测系统往往需要消耗大量的时间和精力，并且缺乏直观性；在心脏及心肌细胞的研究中，心肌细胞的收缩力和跳动频率是其最为重要的评测参数，通常是用于评判心脏功能和心肌细胞活性的重要指标；因此，研究并开发具备高灵敏性检测心肌细胞的收缩力和跳动频率的传感材料，构建稳定的收缩力和跳动频率的传感心脏芯片和药物研究平台仍然面临着严峻的挑战。
受结构色水凝胶的微光子晶体结构变化导致颜色变化的启发，我们构建了一种利用结构色水凝胶进行心肌细胞培养，并将其构建于器官芯片中的新型检测方法。利用结构色水凝胶中光子晶体结构独特的光学传感技术和特征反射峰进行心肌细胞收缩力和跳动频率的传感研究，可视化实现了心脏细胞的检测。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种基于结构色水凝胶的心脏芯片及其应用，该心脏芯片利用心肌细胞收缩、舒张行为带动结构色水凝胶结构色改变，从而能够实现可视化检测心肌细胞收缩、舒张行为。
技术方案：本发明提供了一种基于结构色水凝胶的心脏芯片，该心脏芯片包括芯片顶板、芯片底板和生长有心肌细胞的结构色水凝胶膜，所述芯片底板设置有微贮液池，其一端通过流量分配微通道与芯片底板上的进液口连通，另一端与芯片底板上的出液口连通，在微贮液池的中设置有水凝胶膜安装微柱，用于放置结构色水凝胶膜；所述的芯片顶板设置有进液孔和出液孔，位置分别与芯片底板的进液口和出液口相对应。
其中：
所述的流量分配微通道为多重分支结构，即流量分配微通道的一端与进液口连通，另一端岔分为多个分支流道与微贮液池连通，分支流道数目n＝2 N，其中N为级数，且N>2。
所述的结构色水凝胶膜的形状为多尾状，且多尾部分朝向出液口方向。
所述的水凝胶膜安装微柱固定于微贮液池底部，其高度与结构色水凝胶膜的厚度总和等于微贮液池的高度。
所述的结构色水凝胶膜的材料为甲基丙烯酸酯明胶(Gelma)、牛血清白蛋白(BSA)、四臂-聚乙二醇(4-arm-PEG)、聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)。
所述的结构色水凝胶膜利用模板牺牲法、沉积法制备：
1)利用打印机打印出多尾状掩膜版，其中多尾部分为透光部分，其余部分为黑色不透光部分，之后利用掩膜版，将光子晶体前聚体溶液聚合，去掉未聚合部分后获得正结构的多尾状光子晶体正结构模板；
2)将生物相容性水凝胶前聚体灌注于上述多尾状光子晶体正结构模板中，聚合后去除光子晶体正结构模板，得到多尾状反蛋白石结构色水凝胶膜；
所制备的结构色水凝胶膜的结构色和反射峰通过调节光子晶体前聚体溶液中粒子粒径的大小来控制，其结构色覆盖可见光范围，反射峰的位置在300nm～800nm。
所述的心脏芯片的芯片顶板和芯片底板通过聚二甲基硅氧烷(PDMS)光刻技术或者聚二甲基硅氧烷(PDMS)反复制法加工制得。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：
1)本发明公开了一种基于结构色水凝胶的心脏芯片，通过将心脏芯片与结构色水凝胶结合，实现了可视化检测心肌细胞收缩力和跳动频率，通过对结构色水凝胶的颜色变化进行实时检测，利用光谱等特征测量方法，获得心肌收缩力和跳动频率的参数；
2)通过改变心脏芯片中注入的药物，在线观测及记录不同药物对心肌细胞的影响；
3)本发明不需要复杂的检测系统，具备直观性，对被检测系统无生理药理等方面的影响，更重要的是检测方法不受外界环境和化学试剂等因素的影响，在心脏药物的筛选和评估中，具有灵敏、高效，且不受外界条件影响的独特内在优势。
附图说明
图1是本发明的基于结构色水凝胶的心脏芯片整体示意图；
图2是本发明的基于结构色水凝胶的心脏芯片的芯片底板结构示意图；
图3是本发明的基于结构色水凝胶的心脏芯片内部水凝胶布置示意图；
图中有：芯片顶板1、芯片底板2、进液口3、出液口4、水凝胶膜安装微柱5、流量 分配微通道6、微贮液池7、结构色水凝胶膜8、进液孔9和出液孔10。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实例进行更进一步的详细说明，以使本发明的优点和特征能够更易于被本领域技术人员理解：
图1给出了本发明的基于结构色水凝胶的心脏芯片的示意图，具体结构包括芯片顶板1、芯片底板2、进液孔9和出液孔10等主要组成部分，进液孔9和出液孔10加工于芯片顶板1上，并分别通过软管与外界相连，其中进液孔9用于注入培养液及测试液，出液孔10用于回收培养液及测试液，结构色水凝胶膜8安装在水凝胶膜安装微柱5上后，将顶板1与下底板2通过等离子体键合，构成封闭结构。
图2给出了本发明的基于结构色水凝胶的心脏芯片的芯片底板2的结构示意图，具体结构包括进液口3、出液口4、水凝胶膜安装微柱5、流量分配微通道6、微贮液池7；其中水凝胶安装微柱5用以将结构色水凝胶固定在心脏芯片流道结构顶板1和下底板2之间，流量分配微通道6可以实现培养液及测试液均匀注入到微贮液池7中。
图3给出了本发明的基于结构色水凝胶的心脏芯片内部水凝胶膜布置示意图；发明中使用的结构色水凝胶膜8为多尾状，可以有效观察每尾水凝胶上的结构色变化。
实施例1：基于结构色水凝胶的心脏芯片用于异肾上腺素的检测
1)、生长有心肌细胞的结构色水凝胶膜8的制备：
①选取可用于心肌培养的水凝胶材料，甲基丙烯酸酯明胶(Gelma)，采用模板牺牲法、制备多尾状结构色水凝胶膜8；
②提取SD乳大鼠的心肌细胞，种植在制备的结构色水凝胶表面进行心肌细胞培养；
③经过一定培养周期后的心肌细胞，其在水凝胶材料上会表现出收缩及舒张的行为，得到生长有心肌细胞的多尾状结构色水凝胶膜8，利用外延设备(光谱仪，波谱仪)，根据结构色水凝胶膜8颜色和波谱的变化，进行心肌细胞收缩、舒张行为的检测。
2)、异肾上腺素检测
①将制备好的生长有心肌细胞的多尾状结构色水凝胶膜8，置于芯片底板2的水凝胶膜安装微柱5上面，之后将芯片顶板1与于芯片底板2键合封闭；
②在进液孔9注入异肾上腺素，同时利用外延设备(光谱仪或者波谱仪)，通过检测结构色水凝胶膜8颜色和波谱的变化，观察异肾上腺素对心肌细胞收缩力的影响；
(3)调节注入的异肾上腺素的浓度，同时检测不同浓度的异肾上腺素对心肌细胞收缩、舒张行为的影响，实现对心脏药物的筛选评估。
实施例2：基于结构色水凝胶的心脏芯片用于钙离子检测
1)、生长有心肌细胞的结构色水凝胶膜8的制备：
①选取可用于心肌培养的水凝胶材料牛血清白蛋白(BSA)，采用沉积法制备多尾状结构色水凝胶膜8；
②提取SD乳大鼠的心肌细胞，种植在制备的结构色水凝胶表面进行心肌细胞培养；
③经过一定培养周期后的心肌细胞，其在水凝胶材料上会表现出收缩及舒张的行为，得到生长有心肌细胞的多尾状结构色水凝胶膜8，利用外延设备(光谱仪，波谱仪)，根据结构色水凝胶膜8颜色和波谱的变化，进行心肌细胞收缩力的检测；
2)、钙离子检测
①将制备好的生长有心肌细胞的多尾状结构色水凝胶膜8，置于芯片底板2的水凝胶膜安装微柱5上面，之后将芯片顶板1与于芯片底板2键合封闭；
②在进液孔9注入含钙离子溶液，同时利用外延设备，通过检测结构色水凝胶膜8的颜色和波谱的变化，观察钙粒子对心肌细胞收缩、舒张行为的影响；
③调节注入的含钙离子溶液的浓度，同时检测不同浓度的钙离子溶液对心肌细胞收缩、舒张行为的影响，实现对心脏药物的筛选评估。

Claims (7)

  1. 一种基于结构色水凝胶的心脏芯片，其特征在于：该心脏芯片包括芯片顶板(1)、芯片底板(2)和生长有心肌细胞的结构色水凝胶膜(8)，所述芯片底板(2)设置有微贮液池(7)，其一端通过流量分配微通道(6)与芯片底板(2)上的进液口(3)连通，另一端与芯片底板(2)上的出液口(4)连通，在微贮液池(7)中设置有水凝胶膜安装微柱(5)，用于放置结构色水凝胶膜(8)；所述的芯片顶板(1)设置有进液孔(9)和出液孔(10)，位置分别与芯片底板(2)的进液口(3)和出液口(4)相对应。
  2. 如权利要求1所述的一种基于结构色水凝胶的心脏芯片，其特征在于：所述的流量分配微通道(6)为多重分支结构，即流量分配微通道(6)的一端与进液口(3)连通，另一端岔分为多个分支流道与微贮液池(7)连通，分支流道数目n＝2N，其中N为级数，且N>2。
  3. 如权利要求1所述的一种基于结构色水凝胶的心脏芯片，其特征在于：所述的结构色水凝胶(8)膜的形状为多尾状,且多尾部分朝向出液口方向。
  4. 如权利要求1所述的一种基于结构色水凝胶的心脏芯片，其特征在于：所述的水凝胶膜安装微柱(5)固定于微贮液池(7)底部，其高度与结构色水凝胶膜(8)的厚度总和等于微贮液池(7)的高度。
  5. 如权利要求1所述的一种基于结构色水凝胶的心脏芯片，其特征在于：所述的结构色水凝胶(8)膜的材料为甲基丙烯酸酯明胶、牛血清白蛋白、四臂-聚乙二醇、聚乙二醇二丙烯酸酯。
  6. 如权利要求1所述的一种基于结构色水凝胶的心脏芯片，其特征在于：所述的结构色水凝胶(8)膜利用模板牺牲法、沉积法制备。
  7. 一种如权利要求1所述的基于结构色水凝胶的心脏芯片的应用，其特征在于：该心脏芯片应用于心脏药物的筛选评估。
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