一种基于负磁泳的微重力环境下类器官芯片系统及培养方法

技术领域

本发明属于生物微流控芯片及培养方法，特别涉及基于负磁泳的微重力环境下类器官芯片系统及培养方法。

背景技术

长时间处于太空微重力环境，可能导致航天员出现多种生物损伤，包括心血管系统、肌肉运动系统、神经系统和免疫系统等。因此，需要研究一种能够模拟太空微重力环境的系统，观测长期太空微重力状态下人体组织/器官的变化，研究组织/器官结构组成的变化机理，评估重力水平对组织/器官功能的影响，构造微重力环境下受损组织/器官的病理模型，研究药物作用功效，保护宇航员健康并推动太空再生医学发展。

微重力下的实验是验证地面空间赋能技术的基本步骤之一。复杂空间操作的测试和演示要求地面测试系统应提供一个长期、大规模、准确、可控和几乎真实的微重力测试环境，以模拟与空间相同的程度的空间运动。目前，一般是采用环境模拟方法，包括零重力飞机、落塔和微重力旋转仪；

零重力飞机可以模拟短期微重力环境，其中测试的机身在飞机潜水期间自由坠落(类似于抛物线飞行)。但是零重力飞机有几个明显的缺点，例如微重力持续时间短(10-30秒)、飞机内部体积小、工作空间有限、成本高，飞机动态运动过程中易导致工作环境不平滑或抖动。落塔使用自由落体定律模拟零重力环境，但它不适合模拟航天器的长期运行。微重力旋转仪通过可拆卸的固定装置将生物培养微流控芯片侧面固定，生物培养微流控芯片固定在微重力回转仪上，通过回转仪的旋转模拟微重力环境，但只能定期取出更换培养基，无法长期、稳定地维持组织/器官周围的微环境。

利用磁悬浮技术在地面搭建一个培养细胞的微重力环境，有利于解决上述问题，模拟细胞组织在太空中的微重力环境，以求更方便的探微重力环境对细胞活动的影响。同时，利用磁悬浮，还能同步实现组织/类器官的自组装，这种方法不需要制造支架和其他牺牲性结构。目前磁性修饰技术的操作流程复杂，对操作人员的专业性要求高、成本控制较难，同时需要考虑用于标记的磁纳米颗粒在细胞生长过程中与细胞间的生物相容性。

负磁泳是指在含磁流体的溶液中，非磁性颗粒在磁流体中受到磁场力的作用，会出现和磁场强度相反的磁浮力，受到磁浮力影响的非磁性颗粒包括但不限于细胞等，会在朝着磁场强度减小的方向运动。其优势在于无需对目标颗粒进行标记和修饰，能最大程度的保留目标颗粒的生物特性。通过改变磁流体溶液中的磁流体浓度可以调节负磁泳力大小，控制粒子运动轨迹。因此，本专利提出一种基于负磁泳的微重力模拟系统，利用其中的类器官芯片仿生组织/器官生理微环境特征，并观测其结构或功能在微重力环境下的变化情况。

发明内容

发明目的：本发明目的是提供一种基于负磁泳的微重力环境下类器官芯片系统。

本发明的另一目的是提供所述基于负磁泳的微重力环境下类器官芯片系统的培养方法。

技术方案：所述的基于负磁泳的微重力环境下类器官芯片系统，包括非磁性箱体，其内部设置微流体芯片，微流体芯片置于升降平台上，微流体芯片通过导管分别与储液池、废液池连通，储液池与空气注射泵导管连接，非磁性箱体各个壁面设置电磁铁，非磁性箱体与导线连接。

通过调节不同方向上的电磁铁的磁性大小，实现干细胞等非磁性目标在受到电磁场力的作用下向目标内壁运动，实现对类器官芯片的对应内壁的细胞附着。在封闭的亚克力板箱各内壁上都镶嵌上一个电磁铁，负磁泳效应提供磁场力支持。在磁场的作用下，非磁性的干细胞等和磁性的Gd

提供磁场方式为电磁铁，用于平衡非磁性颗粒的重力以及控制细胞聚集性生长。

每个提供电磁场的电磁铁可独立的电源控制开关，保证其工作独立不受影响。

内置非磁体手动升降平台，放置类器官芯片以及调节芯片距离电磁铁位置。

非磁性外壳箱体包括但不限于塑料、亚克力板。

升降平台包括但不限于使用塑料、亚克力板制作，不会影响磁场的正常分布。

可从箱体正上方打开，正方设有开门把手，上方开门面通过合页与箱体侧面相连。

当非磁性或者抗磁性物质在磁性溶液中受到外加梯度磁场作用时，因物质本身与磁流体之间的磁化差异性，使得非磁性或者抗磁性物质也会产生梯度磁场力作用，朝着远离磁场源的方向运动，这一现象通常被称为负磁泳。

负磁泳力的大小可表示为：

其中V为非磁性颗粒的颗粒体积，χ是非磁性颗粒的磁化率，χ

将带有干细胞的Gd

特别的，该Gd

通过负磁泳特性，使干细胞向目标表面附着。所述的干细胞等微纳级粒子都属于非磁性颗粒，其磁导率远远低于Gd

在外磁场的作用下，非磁性颗粒受到的磁浮力由磁场强度由大到小的磁场梯度方向；

通过调节对应位置的通过电磁铁的电流大小，改变电磁铁的磁场强度，使得携带干细胞的Gd

微流体芯片主体由聚二甲基硅氧烷PDMS，该材质无法透气，需要在培养基中额外添加缓冲剂。

PDMS与玻璃片之间的固定由PMMA双面胶相互粘合，或者由热压键合封合。

培养液：所述Gd

固定电磁铁的外壳每一面上都有一个方形凹槽用于镶嵌电磁铁，外壳内部搭配有升降旋转平台调节类器官芯片在磁场中的位置。在外加磁场的作用下，干细胞等非磁性目标颗粒回呈现负磁泳特性，表现出与磁流体培养液之间的磁化性差异，通过调整类器官芯片与电磁铁的相对位置，改变非磁性目标颗粒在磁场中受到的磁场强度从大到小梯度方向的力，使得干细胞能够向指定方向运动。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有如下优势：本发明的系统免去了复杂的磁性修饰过程和昂贵的地外实验成本，仅利用负磁泳的特性，使带有干细胞的Gd

附图说明

图1是非磁性箱体镶嵌电磁铁的结构图；

图2是箱体内置升降平台放置有微流体芯片的系统结构示意图；

图3是电磁铁利用溶液负磁泳效应，平衡重力示意图；

图4是左右电磁铁利用负磁泳聚集组装干细胞示意图；

1是可调直流电源，2是导线，3是非磁性箱体，4是镶嵌的电磁铁，5是空气注射泵，6是储液池，7是导管，8是合页，9是手动升降平台，10是微流体芯片，11是开关把手，12是废液池，13是Gd

具体实施方式

本实施例系统包括非磁性箱体3，其内部设置微流体芯片10，微流体芯片10置于升降平台9上，微流体芯片10通过导管7-2、7-3分别与储液池6、废液池12连通，储液池6与空气注射泵5导管连接，非磁性箱体3各个壁面设置电磁铁4。非磁性箱体3上方设置开门面。非磁性箱体3的材质为塑料或亚克力板。微流体芯片10底层用玻璃片封装。

本实施例系统的构建培养方法：

(1)COMSOL软件建模：对磁场和磁流体进行仿真建模。具体实施方法如下：

1、先画出磁铁和微流体通道的三维模型，然后划定相应的域。

2、将微流体通道内部划定为流体域，表面划定为固体，磁铁划定为固体域。

3、给磁铁设定相应的磁场强度。

4、在微流体通道内部加入两种粒子，特性要求分别与细胞和磁性金属粒子相近。

5、设定计算方式，点击计算

6、观测粒子在微流体通道内部的运行方式。

(2)细胞悬浮液制备步骤：

1、对制作好的微流控芯片10及硅胶管等所需实验器材进行灭菌处理；在注入细胞之前，使微通道内充满培养液，去除芯片内的残余气体，然后在细胞进出样孔和培养液进出样孔处滴下培养基液滴，使微通道与大气隔绝，以避免气泡的形成，开启培养装置进行紫外灭菌和预热；

2、将浓度为5μg/ml的PBS溶液注入到细胞培养腔内，对其底部进行包被，以最大程度模拟细胞生长内环境；

3、将处于对数生长期的细胞离心后稀释成2×10

(3)微重力环境下培养干细胞

1、将带有干细胞的Gd

2、将镶嵌有电磁铁4的亚克力板箱体前后方的两块电磁铁4由可调直流电源1通电(通常磁场强度相同)，根据负磁泳效应特性，当非磁性或者抗磁性物质在磁性溶液中受到外加梯度磁场作用时，因物质本身与磁流体之间的磁化差异性，使得非磁性或者抗磁性物质也会产生梯度磁场力作用，朝着远离磁场源的方向运动。所以细胞会朝着两块磁铁的中点位置汇聚。同理，左右两块磁铁的通电也会使得细胞朝着左右两块磁铁中心汇聚。

3、在完成了细胞的汇聚之后，为了模拟太空中的微重力，撤去其他磁场力。上下方的两块电磁铁4通电(通常考虑重力情况下，下方磁场强于下方磁场)所以干细胞团会在微流体通道中获得微重力环境，聚集并生长。

4、待细胞在微流体芯片10生长一段时间后，利用细胞活死染色剂(Calcein和PI-DNA)由于Calcein和PI-DNA都可被490nm激发，因此可用荧光显微镜同时观察活细胞和死细胞。而用545nm激发，仅可观察到死细胞。

工作原理就在于Calcein-AM和PI的双重染料，来进行活细胞和死细胞的双重染色标记，从而进行活细胞和死细胞水平的分析。对细胞进行标记，统计细胞存活率。并设置对照组，即在上述除微重力环境以外的相同条件下培养干细胞，观察细胞的生长状态

5、培养过程中，使用注射设备缓慢更换培养液：开启微量注射泵电源，以1μL/min的速度对其进行培养液的补充，并将培养箱置于显微镜下，观察细胞状态，每隔24h拍照记录一次;

(4)利用荧光倒置显微镜观测微流体通道内部的细胞分化情况。