脑类器官体外培养芯片

技术领域

本发明涉及器官培养装置，特别涉及脑类器官体外培养芯片。

背景技术

类器官是指使用3D培养技术在体外培养出具有相对稳定的表型及遗传学特征的类似器官样的组织结构，可作为模型，在生长发育、生理病理、药物影响等的研究中具有重要意义，其中脑类器官是其中一条重要的分支。传统中常使用啮齿类动物用于神经科学研究，但任何啮齿类动物的脑组织结构和发育与人类相比大有不同，另一方面由于伦理道德等方面原因，使用活体脑组织非常困难，因此诱导多能干细胞分化形成脑类器官极为重要。

脑类器官制备一般包括四个步骤，胚胎体形成，神经外胚层诱导，神经上皮细胞扩张和类脑器官成熟四个步骤。在培养过程中，类器官需要从胚胎体培养板转到Matrigel包埋封口膜，后转到培养瓶旋转培养。该过程十分繁琐，且转移过程极容易污染或产生机械伤害，造成胚胎体丢失损伤，进而影响脑类器官的产率。另外，多个类脑器官在同一个培养容器中培养，不同脑类器官形成过程中容易发生相互融合，导致脑类器官的大小形状不一，对后续的实验和应用造成极大的影响，而当脑类器官直径过大时，容易产生低氧核心造成坏死，改变基因表达谱的神经发育，降低类器官产率。

鉴于上述问题，本发明提供一种脑类器官体外培养芯片，可实现类脑器官“一站式”批量培养。

发明内容

发明目的：本发明目的是提供可一次性、批量培养脑类器官的芯片。在芯片中接种多能干细胞，通过流体通道进行洗涤、换液、诱导等操作，可完成多能干细胞培养、多能干细胞诱导分化、脑类器官生成和成熟等一系列操作。受培养孔洞尺寸限制，每个培养孔洞可产生一个特定尺寸的脑类器官。芯片可实现从多能干细胞到脑类器官“一站式”批量培养，从而简化操作减少污染，提高脑类器官产率。

技术方案：本发明提供一种脑类器官体外培养芯片，包括上层芯片、下层芯片和盖片，上层芯片为固体材料基板，其表面依次设有液体入口、培养孔洞阵列和液体出口，培养孔洞底部设置微孔结构，两者构成培养池；下层芯片为固体材料基板，其表面设有凹槽，凹槽内设有圆形孔，圆形孔沿芯片长边方向延伸出第一通道，第一通道分支为若干分通道，分通道汇聚成第二通道，圆形孔与液体入口连通，分通道对应上方的孔洞阵列；盖片为固体材料基板，其表面设有入口和出口。

进一步地，所述上层芯片为PDMS、PMMA、石英、树脂或硅。

进一步地，所述下层芯片为透明的玻璃、石英或高分子材料。

进一步地，所述盖片为透明的玻璃、石英或高分子材料。

进一步地，所述培养孔洞阵列的孔洞为圆形、六角形或方形。

进一步地，所述上层芯片和下层芯片封合。

芯片的实用过程或原理：

所述的培养池由培养孔洞阵列与其底部的微孔结构组成；液体流道由液体入口、流体通道凹槽和出口组成，培养液或诱导液从液体入口进入，途径流体通道凹槽，通过微孔结构进入培养孔洞，后再次经过流体通道凹槽到达液体出口。盖片可随时封闭芯片，入口与液体入口相连，出口与液体出口相连，形成流体通道。上层芯片与下层芯片可通过键合工艺封合或封合胶封合，盖片与上层芯片可逆封合，方便取下。

以下优选几种细胞培养的方法：

多能干细胞培养：将生长良好的多能干细胞从培养瓶或多孔板中消化后接种到每个培养孔洞中，盖上盖片，避免污染。从液体入口注入多能干细胞培养液，多能干细胞自发形成胚胎体，每天通过入口和出口进行换液洗涤操作，该过程持续数天。

多能干细胞诱导分化：从出口抽吸多能干细胞培养液，并从入口加入神经诱导培养基，培养数天，每天进行洗涤换液操作。随后取下盖片，向每个孔洞中加入适量基质胶，进行脑类器官诱导分化，盖上盖片。

脑类器官成熟：从入口加入脑类器官培养液，每天通过入口和出口进行洗涤换液操作，直至脑类器官成熟。在该过程中，培养孔洞的大小会限制脑类器官的大小。

脑类器官取样：取下芯片盖片，使用开口吸管取出脑类器官，进行后续实验。

有益效果：本发明具有如下优势：

1、本发明芯片可根据需求调整培养孔洞阵列的直径或数量，从而产生不同大小或数量的脑类器官；每个脑类器官在培养孔洞中单独培养，避免了相互融合，形成的脑类器官大小形状更为均一，可批量产生同等尺寸的脑类器官；避免了大尺寸脑类器官的产生，减少低氧核的形成，进一步提高脑类器官的存活率。

2、从多能干细胞培养到脑类器官成熟均在同一个芯片中实现，简化了操作步骤，避免多次转移，减少污染和损伤，提高了脑类器官的产率。

3、芯片结构简单，制备成本低廉，可使用加工工艺批量制备。

附图说明

图1为芯片剖面图；

图2为上层芯片俯视图；

图3为底层芯片俯视图。

具体实施方式

本实施例的芯片包括上层芯片1、下层芯片6和盖片8，上层芯片1为固体材料基板，其表面依次设有液体入口4、培养孔洞阵列2和液体出口5，培养孔洞底部设置微孔结构3，两者构成培养池；下层芯片6为固体材料基板，其表面设有凹槽7，凹槽7内设有圆形孔，圆形孔沿芯片长边方向延伸出第一通道，第一通道分支可为若干分通道(本实施例分为2个分通道)，分通道汇聚成第二通道，圆形孔与液体入口4连通，分通道对应上方的孔洞阵列；盖片8为固体材料基板，其表面设有入口9和出口10。上层芯片1优选为PDMS、PMMA、石英、树脂或硅。下层芯片6优选为透明的玻璃、石英或高分子材料。盖片8优选为透明的玻璃、石英或高分子材料。培养孔洞阵列2的孔洞优选为圆形、六角形或方形。上层芯片1和下层芯片6优选通过键合工艺或封合胶封合。

实施例一：

a、上层芯片1制备：采用宽3cm*长5cm的PDMS，通过机械钻孔在PDMS中间位置得到培养4*4孔洞阵列，孔洞直径2mm，孔洞中心间距4mm，孔洞阵列边缘距离长边边缘8mm，距离短边边缘18mm，出入口直径4mm，其圆心距离短边边缘8mm，距离长边边缘15mm。使用直径为10μm的高分子微孔结构3，微孔结构3中心距离短边边缘25mm，距离长边边缘15mm，使用键合工艺将微孔结构3与培养孔洞相连。

b、下层芯片6制备：采用宽3cm*长5cm石英片，通过激光微加工在石英片中切削出4mm圆形孔，圆心距短边边缘8mm，距长边边缘15mm，并沿长边方向延伸出长5mm、宽2mm的通道，后分支为4条宽2mm长20mm的通道，后汇聚为长5mm、宽2mm的通道(作用)，并与4mm圆形孔相连。最左或右侧分支流道边缘分别距石英片边缘8mm。圆形孔与通道厚度均为3mm。

c、芯片组装：将上层芯片1与下层芯片6通过键合工艺连接在一起，并通过液体入口4有出口与外围管道相连。

d、多能干细胞培养：将生长良好的人多能诱导干细胞从培养瓶消化后接种到每个培养孔洞中，盖上盖片8，避免污染。从液体入口4注入多能干细胞培养液，多能干细胞自发形成胚胎体，每天通过入口4和出口5进行换液洗涤操作，该过程持续4-6天。

e、多能干细胞诱导分化：从出口5抽吸多能干细胞培养液，并从入口4加入神经诱导培养基，培养2-3天，每天进行洗涤换液操作。随后取下盖片8，向每个孔洞中加入适量基质胶Matrigel，进行脑类器官诱导分化，盖上盖片8。

f、脑类器官成熟：从入口4加入脑类器官培养液，每天通过入口4和出口5进行洗涤换液操作，直至脑类器官成熟。在该过程中，培养孔洞的大小会限制脑类器官的大小。

g、脑类器官取样：取下芯片盖片8，使用开口吸管取出脑类器官，进行后续实验。

实施例二：

a、上层芯片1制备：采用宽3cm*长5cm的PMMA，通过冲压钻孔在PMMA中间位置得到培养8*8孔洞阵列，孔洞直径1mm，孔洞中心间距2mm，孔洞阵列边缘距离长边边缘7.5mm，距离短边边缘17.5mm，出入口直径4mm，其圆心距离短边边缘8mm，距离长边边缘15mm。使用直径为10μm的高分子微孔结构3，微孔结构3中心距离短边边缘25mm，距离长边边缘15mm，使用键合工艺将微孔结构3与培养孔洞相连。

b、下层芯片6制备：采用宽3cm*长5cm石英片，通过激光微加工在石英片中切削出4mm圆形孔，圆心距短边边缘8mm，距长边边缘15mm，并沿长边方向延伸出长5mm、宽2mm的通道，后分支为8条宽1mm长20mm的通道，后汇聚为长5mm、宽2mm的通道，并与4mm圆形孔相连，最左或右侧分支流道边缘分别距石英片边缘7.5mm。圆形孔与通道厚度均为3mm。

c、芯片组装：将上层芯片1与下层芯片6通过键合工艺连接在一起，并通过液体入口4有出口与外围管道相连。

d、多能干细胞培养：将生长良好的人多能诱导干细胞从培养瓶消化后接种到每个培养孔洞中，盖上盖片8，避免污染。从液体入口4注入多能干细胞培养液，多能干细胞自发形成胚胎体，每天通过入口4和出口5进行换液洗涤操作，该过程持续4-6天。

e、多能干细胞诱导分化：从出口5抽吸多能干细胞培养液，并从入口4加入神经诱导培养基，培养2-3天，每天进行洗涤换液操作。随后取下盖片8，向每个孔洞中加入适量基质胶Matrigel，进行脑类器官诱导分化，盖上盖片8。

f、脑类器官成熟：从入口加入脑类器官培养液，每天通过入口4和出口5进行洗涤换液操作，直至脑类器官成熟。在该过程中，培养孔洞的大小会限制脑类器官的大小。

g、脑类器官取样：取下芯片盖片8，使用开口吸管取出脑类器官，进行后续实验。