一种挡板插槽式的多层器官芯片及方法

技术领域

本发明属于生物医学工程和微流控技术领域，具体涉及一种挡板插槽式的多层器官芯片，同时还涉及该挡板插槽式的多层器官芯片的方法。

背景技术

器官芯片是一种通过微加工工艺制造的微流体细胞培养系统，可以在人体外对细胞进行三维培养以模拟人体内的器官功能。器官芯片在药物研发筛选、疾病模型评价、个性化医疗等领域有着很好的应用前景。

在药物上市前必须进行药物的毒理性测试和安全性验证，传统的药物毒理性测试通常在二维细胞模型或者动物体内进行。二维细胞培养模式难以模拟人体组织器官中复杂生理活动。动物实验也存在周期长、成本高、不易观察等缺点，且近年来动物实验存在许多伦理上的争论。因此，器官芯片的提出有望在人体外建立更加真实的三维模型，并能成为一种仿生、高效、方便的生理学研究及药物开发工具。

基于灌注模式的器官芯片基本结构主要包括中间为灌注有细胞水凝胶的组织腔室，两边为细胞培养液流动的微流控通道，其可以促进营养物质和氧气的持续供应以及代谢产物的清除，进而有利于细胞或组织的长时间培养。同时，这种结构需要避免含有细胞的水凝胶从组织腔室泄露到微流控通道，进而导致细胞培养液的流动障碍。

目前，在组织腔室和培养液通道中构建微柱阵列等物理屏障是解决上述问题的一种主要方法，其效果由微结构参数和界面润湿性相关的表面张力，以及含有细胞的水凝胶加载过程中所施加的外部压力决定。但是，这些物理障碍的存在也会使细胞培养液与细胞外基质之间的有效接触面积减小，从而影响所培养的细胞或组织不能受到均匀刺激。因此，需要一种新的策略来构建临时屏障，进而使组织腔室中培养的细胞或组织获得更加均匀和充分的刺激。

发明内容

为了解决目前器官芯片注入含有细胞的水凝胶堵塞培养液通道的问题，本发明提供了一种挡板插槽式的多层器官芯片，同时提供了相应的方法。

基于上述目的，本发明通过如下技术方案实现：

一种挡板插槽式的多层器官芯片，包括从上至下依次层叠设置的储液层、插槽层、流道层和底板；储液层上设有第一开口，第一开口两侧分别设有与第一开口间隙配合的左灌注口组、右灌注口组；插槽层上设有芯片插槽组，芯片插槽组两侧分别设有与芯片插槽组间隙配合的左通孔组、右通孔组，左通孔组、右通孔组分别与左灌注口组、右灌注口组相配合。

优选地，流道层上设有第二开口，第二开口两侧分别设有左流道结构、右流道结构，左流道结构、右流道结构分别与左通孔组、右通孔组相配合；第二开口内设有芯片挡板组，芯片挡板组与第一开口间隙配合；芯片插槽组位于第一开口在插槽层的正投影内。

优选地，左灌注口组包括至少两个间隙配合的左灌注口；右灌注口组包括至少两个间隙配合的右灌注口；左通孔组包括至少两个间隙配合的左通孔，左通孔分别与左灌注口相连通；右通孔组包括至少两个间隙配合的右通孔，右通孔分别与右灌注口相连通；左流道结构包括至少两个分别与左通孔相连通的左流道口，左流道口分别通过左流道与第二开口相连接；右流道结构包括至少两个分别与右通孔相连通的右流道口，右流道口分别通过右流道与第二开口相连接。

优选地，芯片挡板组包括至少一个芯片挡板；芯片插槽组包括至少一个间隙配合的芯片插槽，芯片插槽分别与芯片挡板一一对应。

优选地，第二开口内设有至少两个间隙配合的腔室，腔室之间通过与芯片插槽相对应的芯片插槽区分隔，芯片插槽区的两端均突出于腔室两端；腔室两端分别与左流道、右流道相连通。

优选地，芯片插槽区与芯片插槽一一对应；芯片挡板与芯片插槽、芯片插槽区可拆卸连接，芯片挡板与芯片插槽、芯片插槽区过盈配合，芯片挡板与底板紧密接触。

优选地，腔室的宽度大于左流道、右流道的宽度；左灌注口环形分布在第一开口的一侧。

优选地，左灌注口上设有与左灌注口相配合的注射器；右灌注口连接有与右灌注口相配合的离心管。

优选地，储液层的厚度为1-5mm；插槽层的厚度为1-3mm；流道层的厚度为1-5mm；左流道、右流道的宽度为500μm；腔室的宽度为1-3mm；芯片插槽、芯片插槽区的宽度为100-200μm。

一种挡板插槽式的多层器官芯片的方法，步骤包括：

步骤一、将本多层器官芯片的储液层、插槽层、流道层、底板按一定顺序组装好之后，并在各层的连接边缘加以密封处理；

步骤二、将各个芯片挡板依次通过第一开口、芯片插槽分别插入芯片插槽区中的第一插槽区、第二插槽区、第三插槽区内；

步骤三、向第二开口内腔室中的第二腔室内灌注含有细胞的水凝胶，等待水凝胶凝固之后，移除芯片插槽区中的第一插槽区和第二插槽区的芯片挡板；

步骤四，向腔室中的第一腔室和第三腔室内灌注培养液，实现细胞的培养。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

（1）芯片挡板可作为含有细胞的水凝胶灌注时的临时屏障，避免含有细胞的水凝胶在注胶时堵塞培养液通道，在含有细胞的水凝胶注胶完成后撤去芯片挡板，在相邻的腔室灌注培养液，使得培养液可以均匀、充分的刺激细胞。

（2）器官芯片中多个腔室的设置可以对细胞进行扩展化培养或多种细胞的共培养，具体的是通过在间隔的腔室内间隔设置不同的细胞，利用相邻腔室内的培养液对不同的细胞进行同时培养，能够实现对细胞进行扩展化培养或多种细胞的共培养，有效提升细胞培养效率。

综上，本发明通过层叠设置的储液层、插槽层、流道层和底板组成多层气管芯片，依次通过左灌注口、左通孔、左流道口、左流道向腔室内灌注含有细胞的水凝胶，而芯片挡板作为灌注临时屏障，将含有细胞的水凝胶阻隔在指定腔室内，再通过相邻的左灌注口、左通孔、左流道口、左流道向相邻腔室内灌注培养液，灌注完成后撤去芯片挡板，从而能够使腔室中培养的细胞或组织获得更加均匀和充分的刺激，在此过程中，不仅解决了目前器官芯片注入含有细胞的水凝胶堵塞培养液通道的问题，还能够实现对细胞进行扩展化培养以及多种细胞的共培养的目的。

附图说明

图1是实施例1中本发明的分解结构示意图；

图2是实施例1中本发明的的组合结构示意图；

图3是实施例1中储液层的结构示意图；

图4是实施例1中插槽层的结构示意图；

图5是实施例1中流道层的结构示意图；

图6是实施例1中流道层的俯视图；

图7是实施例1中图6的A部结构示意图；

图8是实施例1中底板的结构示意图。

图中，1、储液层；11、第一开口；12、左灌注口；13、右灌注口；2、插槽层；21、芯片插槽；22、左通孔；23、右通孔；3、流道层；31、第二开口；311、腔室；3111、第一腔室；3112、第二腔室；3113、第三腔室；3114、第四腔室；312、芯片插槽区；3121、第一插槽区；3122、第二插槽区；3123、第三插槽区；3124、第四插槽区；32、左流道口；33、右流道口；34、左流道；35、右流道；4、底板；5、芯片挡板。

具体实施方式

以下通过具体实施例对本发明作进一步详细说明，但并不限制本发明的范围。

实施例1：

一种挡板插槽式的多层器官芯片，其结构如图1-图8所示，包括从上至下依次层叠设置的储液层1、插槽层2、流道层3和底板4；储液层1上设有第一开口11，第一开口11两侧分别设有与第一开口11间隙配合的左灌注口组、右灌注口组；插槽层2上设有芯片插槽组，芯片插槽组两侧分别设有与芯片插槽组间隙配合的左通孔组、右通孔组，左通孔组、右通孔组分别与左灌注口组、右灌注口组相配合。

流道层3上设有第二开口31，第二开口31两侧分别设有左流道结构、右流道结构，左流道结构、右流道结构分别与左通孔组、右通孔组相配合；第二开口31内设有芯片挡板组，芯片挡板组与第一开口11间隙配合；芯片插槽组位于第一开口11在插槽层2的正投影内。左灌注口组包括至少两个间隙配合的左灌注口12；右灌注口组包括至少两个间隙配合的右灌注口13；左通孔组包括至少两个间隙配合的左通孔22，左通孔22分别与左灌注口12相连通；右通孔组包括至少两个间隙配合的右通孔23，右通孔23分别与右灌注口13相连通；左流道结构包括至少两个分别与左通孔22相连通的左流道口32，左流道口32分别通过左流道34与第二开口31相连接；右流道结构包括至少两个分别与右通孔23相连通的右流道口33，右流道口33分别通过右流道35与第二开口31相连接。

芯片挡板组包括至少一个芯片挡板5；芯片插槽组包括至少一个间隙配合的芯片插槽21，芯片插槽21分别与芯片挡板5一一对应；第二开口31内设有至少两个间隙配合的腔室311，腔室311之间通过与芯片插槽21相对应的芯片插槽区312分隔，芯片插槽区312的两端均突出于腔室311两端；腔室311两端分别与左流道34、右流道35相连通。芯片插槽区312与芯片插槽21一一对应；芯片挡板5与芯片插槽21、芯片插槽区312可拆卸连接，芯片挡板5与芯片插槽21、芯片插槽区312过盈配合，芯片挡板5与底板4紧密接触。

腔室311的宽度大于左流道34、右流道35的宽度；左灌注口12环形分布在第一开口11的一侧。左灌注口12上设有与左灌注口12相配合的注射器；右灌注口13连接有与右灌注口13相配合的离心管。储液层1的厚度为1-5mm；插槽层2的厚度为1-3mm；流道层3的厚度为1-5mm。

在培养液流进的部分左灌注口12连接含有培养液的注射器，在培养液流出的部分右灌注口13连接有离心管，本发明对培养液循环的方式以及动力来源不做具体限定。

一种挡板插槽式的多层器官芯片的组装及细胞培养方法，步骤包括：

步骤一、将本多层器官芯片的储液层1、插槽层2、流道层3、底板4按一定顺序组装好之后，并在各层的连接边缘加以密封处理；

步骤二、将各个芯片挡板5依次通过第一开口11、芯片插槽21分别插入芯片插槽区312中的第一插槽区3121、第二插槽区3122、第三插槽区3123内；

步骤三、依次通过对应左灌注口12、左通孔22、左流道口32、左流道34向第二开口31内腔室311中的第二腔室3112内灌注含有细胞A的水凝胶，等待水凝胶凝固之后，移除芯片插槽区312中的第一插槽区3121和第二插槽区3122的芯片挡板5；

步骤四，再依次通过对应左灌注口12、左通孔22、左流道口32、左流道34分别向腔室311中的第一腔室3111和第三腔室3113内灌注培养液，实现细胞A的培养，培养完成后依次通过右流道35、右流道口33、右通孔23、右灌注口13对培养完成的细胞进行处理。

实施例2：

一种挡板插槽式的多层器官芯片的组装及细胞培养方法，步骤包括：

步骤一、将本多层器官芯片的储液层1、插槽层2、流道层3、底板4按一定顺序组装好之后，并在各层的连接边缘加以密封处理；

步骤二、将各个芯片挡板5依次通过第一开口11、芯片插槽21分别插入芯片插槽区312中的第一插槽区3121、第三插槽区3123以及第四插槽区3124内；

步骤三、依次通过对应左灌注口12、左通孔22、左流道口32、左流道34分别向第二开口31内腔室311中的第二腔室3112内灌注含有细胞A的水凝胶，向第三腔室3113内灌注含有细胞A的水凝胶，等待水凝胶凝固之后，移除芯片插槽区312中的第一插槽区3121以及第三插槽区3123的芯片挡板5；

步骤四，再依次通过对应左灌注口12、左通孔22、左流道口32、左流道34分别向腔室311中的第一腔室3111和第四腔室3114灌注培养液，实现细胞A扩展化的培养，培养完成后依次通过右流道35、右流道口33、右通孔23、右灌注口13对培养完成的细胞进行处理。

实施例3：

一种挡板插槽式的多层器官芯片的组装及细胞培养方法，步骤包括：

步骤一、将本多层器官芯片的储液层1、插槽层2、流道层3、底板4按一定顺序组装好之后，并在各层的连接边缘加以密封处理；

步骤二、将各个芯片挡板5依次通过第一开口11、芯片插槽21分别插入芯片插槽区312中的第一插槽区3121、第二插槽区3122、第三插槽区3123以及第四插槽区3124内；

步骤三、依次通过对应左灌注口12、左通孔22、左流道口32、左流道34分别向第二开口31内腔室311中的第二腔室3112灌注含有细胞A的水凝胶，向第三腔室3113内灌注含有细胞B的水凝胶，等待水凝胶凝固之后，移除芯片插槽区312中的第一插槽区3121、第二插槽区3122以及第三插槽区3123的芯片挡板5；

步骤四，再依次通过对应左灌注口12、左通孔22、左流道口32、左流道34分别向腔室311中的第一腔室3111和第四腔室3114灌注培养液，实现细胞A与细胞B的共培养，培养完成后依次通过右流道35、右流道口33、右通孔23、右灌注口13对培养完成的细胞进行处理。

实施例4：

一种挡板插槽式的多层器官芯片，与实施例1的不同之处在于：储液层1的厚度为0.5-7mm；插槽层2的厚度为0.5-4mm；流道层3的厚度为0.5-7mm。

实施例5：

一种挡板插槽式的多层器官芯片，与实施例1的不同之处在于：腔室311的宽度为2mm。

实施例6：

一种挡板插槽式的多层器官芯片，与实施例1的不同之处在于：芯片插槽21、芯片插槽区312的宽度为150μm。

实施例7：

一种挡板插槽式的多层器官芯片，与实施例1的不同之处在于：左流道34、右流道35的宽度为200-800μm、300μm、400μm、600μm、700μm。

实施例8：

一种挡板插槽式的多层器官芯片，与实施例1的不同之处在于：左流道34、右流道35的宽度为300μm。

实施例9：

一种挡板插槽式的多层器官芯片，与实施例1的不同之处在于：左流道34、右流道35的宽度为400μm。

实施例10：

一种挡板插槽式的多层器官芯片，与实施例1的不同之处在于：左流道34、右流道35的宽度为600μm。

实施例11：

一种挡板插槽式的多层器官芯片，与实施例1的不同之处在于：左流道34、右流道35的宽度为700μm。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，但不仅限于上述实例，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。