一种仿生血管芯片及其应用

技术领域

本发明属于医用血管领域，具体涉及一种仿生血管芯片及其应用。

背景技术

微流控芯片技术是21世纪重要的科学技术前沿之一，为体外模拟人体代谢模型提供了重要平台。血管芯片是一种典型的微流控芯片。为了解决动物实验中存在的诸多不足，提出了血管芯片的概念。血管芯片技术除了具有小型化、集成化、低功耗等特点外，还可以精确控制多个系统参数。如化学浓度梯度、流体剪切力，以及构建细胞图形培养等，模拟人体血管的复杂结构、微环境和生理功能。目前，血管芯片技术发展迅速，各种方法层出不穷，包括流体刺激下的血管化类器官芯片、3D打印血管化微流控芯片、单层三维血管网络微流控芯片、组织与血管共培养微流控芯片等。

3D打印技术也被称为增材制造技术，是通过对原材料层层叠加的方式来加工三维复杂结构的制造方法。随着加工精度的提高和可打印材料种类的增加，3D打印也被用于器官芯片的制备。与其他制备方法相比，3D打印不需要使用任何夹具和模具，只需要设计好模型导入计算机切片软件，然后连接打印机，就可以实现芯片的结构进行打印，有生产过程简单，操作方便的优势。

目前在临床应用小口径人工血管（直径＜6mm）的相关研究中发现其植入人体后通常存在着末端再狭窄、通畅率低等问题。医学影像研究发现冠脉、外周小血管内表面存在螺纹样结构会导致血液呈旋动流态。血液的这种旋动流态能够起到减少湍流、抑制有害脂质在血管壁面的沉积，促进氧气的吸收的作用，进而抑制血管疾病的发生。本发明采用PDMS微流控芯片制备仿生血管芯片，在仿生血管芯片内壁设置芯片流道，且在芯片流道中间位置设置螺纹样分布的半圆状凸起，并进一步提升仿生血管芯片的性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种仿生血管芯片及其应用，该仿生血管芯片采用PDMS微流控芯片制得，该PDMS微流控芯片具有良好的力学性能、生物相容性能；另外，该仿生血管芯片可以使细胞保持良好的活力。

本发明为实现上述目的所采取的技术方案为：

一种仿生血管芯片，上述仿生血管芯片中设置有芯片流道；上述芯片流道位于仿生血管芯片中间位置（平行于长度方向的中间位置）；上述芯片流道中间位置设置有半圆状凸起，上述半圆状凸起呈螺纹样分布于芯片流道内；上述仿生血管芯片由改性PDMS微流控芯片制得；上述改性PDMS微流控芯片由冬凌草甲素改性PDMS微流控芯片制得。

根据本发明的实施方式，上述仿生血管芯片长58-62mm，宽18-22mm，高8-12mm。

根据本发明的实施方式，上述芯片流道为圆柱状，上述芯片流道直径为2.8-3.2mm，上述芯片流道全长14-16mm。

根据本发明的实施方式，上述半圆状的凸起半径为0.1-0.12mm，螺纹样的尺寸为螺距是2.8-3.2mm，圈数为3-3.5圈。

本发明公开了一种仿生血管芯片的制备方法，包括：

1）将墨水加入到3D打印机中，制备出具有特定图案的微流控芯片模板；

2）再利用PDMS高温固化的特性对微流控芯片模板进行倒模、脱模和封接，得到PDMS微流控芯片，再采用冬凌草甲素改性PDMS微流控芯片，制得改性PDMS微流控芯片；

3）将改性PDMS微流控芯片进行血管化培养，得到仿生血管芯片。

本发明提供了一种仿生血管芯片的制备方法，以明胶溶液作为墨水，经3D打印制得微流控芯片模板，再采用PDMS对微流控芯片模板进行倒模、脱模和封接，得到PDMS微流控芯片；然后将微流控芯片进行血管化培养，得到仿生血管芯片；该仿生血管芯片可以使细胞保持良好的活力。

具体地，上述仿生血管芯片的制备方法，包括以下步骤：

1）在35-40℃，将墨水加入到3D打印机中，设置打印参数，制备出具有特定图案的微流控芯片模板；

2）将PDMS和固化剂按照9-11:1的质量比混合搅拌均匀，干燥除去PDMS中的气泡；然后倒入到微流控芯片模板中，在30-35℃放置7-8h，在55-60℃放置4-5h；将完全固化成型的PDMS取出脱模，除去多余打印料，剪裁，打孔，依次用丙酮、异丙醇、无水乙醇对PDMS擦洗，等离子体对PDMS上有图案的一面进行4-7min的清洗处理，将两片PDMS按照微流控芯片图案进行对齐，在55-65℃封接2-2.5d后，得到PDMS微流控芯片，再采用冬凌草甲素改性PDMS微流控芯片，制得改性PDMS微流控芯片；

3）在改性PDMS微流控芯片中注入HUVECs悬浮液（浓度为1-1.5×10

根据本发明的实施方式，上述墨水包含明胶溶液，上述明胶溶液浓度为18-22wt%。

本发明还公开了一种改性PDMS微流控芯片的制备方法，包括：以Karstedt’s Pt为催化剂，采用冬凌草甲素与PDMS微流控芯片发生接枝反应，制得改性PDMS微流控芯片。

本发明公开了一种改性PDMS微流控芯片的制备方法，采用冬凌草甲素与PDMS微流控芯片发生接枝反应，制得的改性PDMS微流控芯片，具有良好的力学性能，生物相容性。原因可能是冬凌草甲素提高了PDMS微流控芯片表面的亲水性，使得其生物相容性进一步提升；另外可能由于冬凌草甲素中环状结构的存在，在PDMS微流控芯片表面形成了网状交联结构，使得改性PDMS微流控芯片在抗拉强度方面表面优异，具有良好的力学性能。

具体地，上述改性PDMS微流控芯片的制备方法，包括以下步骤：

将PDMS微流控芯片加入到加氢硅油和甲醇的混合溶液（其中，加氢硅油、甲醇的体积比为1:1.5-1.8，PDMS微流控芯片与混合溶液的质量体积比为1g:3-5mL）中，然后加入三氟甲磺酸（PDMS微流控芯片与三氟甲磺酸的质量体积比为1g:0.02-0.035mL），室温条件下搅拌25-35min，取出，采用正己烷、甲醇洗涤，干燥，然后放入冬凌草甲素的DMSO溶液（其中，冬凌草甲素与DMSO的质量体积比为1g:4-6mL；PDMS微流控芯片与冬凌草甲素的质量比为1:1-1.5）中，加入Karstedt’s Pt催化剂（PDMS微流控芯片与Karstedt’s Pt的质量体积比为1g:0.01-0.015mL），35-40℃反应10-15h，取出用丙酮、蒸馏水依次洗涤3-5次，干燥，制得改性PDMS微流控芯片。

本发明还公开了上述的改性PDMS微流控芯片在制备仿生血管芯片中的用途。

为进一步提升仿生血管芯片的性能，本发明还在PDMS微流控芯片表面增加了功能化涂层。

本发明还提供了一种PDMS微流控芯片功能化涂层的制备方法，包括：采用浸泡法将七叶皂苷快速沉积到PDMS微流控芯片表面，然后再采用同样的方法将聚赖氨酸沉积到PDMS微流控芯片表面，获得PDMS微流控芯片功能化涂层。

本发明公开了一种PDMS微流控芯片功能化涂层的制备方法，采用浸泡法将七叶皂苷、聚赖氨酸沉积到PDMS微流控芯片表面，制得的PDMS微流控芯片功能化涂层，具有良好的力学性能，生物相容性。原因可能是由于七叶皂苷是一种植物提取物，聚赖氨酸是一种天然的生物代谢产物，且两者的羟基、氨基等亲水性基团提升了PDMS微流控芯片的亲水性能，使得PDMS微流控芯片的生物相容性进一步提升；另外可能因为该功能化涂层由两种不同的高分子网络构成，双网络结构利于外力耗散，进一步增强了PDMS微流控芯片的力学性能。

具体地，上述PDMS微流控芯片功能化涂层的制备方法，包括以下步骤：

将PDMS微流控芯片放入七叶皂苷溶液（采用浓度为10-12mM的Tris水溶液配制七叶皂苷溶液，配制浓度2-2.5mg/mL）中，浸泡15-20min，取出后用氩气吹干，然后放入聚赖氨酸溶液（采用浓度为10-12mM的Tris水溶液配制聚赖氨酸溶液，配制浓度1.5-2mg/mL）中，浸泡15-20min，取出后用氩气吹干，制得PDMS微流控芯片功能化涂层。

根据本发明的实施方式，上述PDMS微流控芯片与七叶皂苷溶液的质量体积比为1g:20-30mL；PDMS微流控芯片与聚赖氨酸溶液的质量体积比为1g:20-30mL。

本发明还公开了上述PDMS微流控芯片功能化涂层在制备仿生血管芯片中的用途。

本发明的有益效果包括：

本发明获得了一种仿生血管芯片及其应用，采用明胶溶液作为墨水，3D打印出微流控芯片模板，再利用PDMS高温固化的特性对微流控芯片模板进行倒模、脱模和封接，得到PDMS微流控芯片；采用冬凌草甲素接枝改性PDMS微流控芯片，制得的改性PDMS微流控芯片具有良好的力学性能、生物相容性能；然后将微流控芯片进行血管化培养，得到仿生血管芯片；该仿生血管芯片可以使细胞保持良好的活力；另外在PDMS微流控芯片表面，采用七叶皂苷制备功能化涂层，可进一步提升PDMS微流控芯片的力学性能，生物相容性；且制得的仿生血管芯片可保持更优的细胞活力。

因此，本发明提供了一种仿生血管芯片及其应用，该仿生血管芯片采用PDMS微流控芯片制得，该PDMS微流控芯片具有良好的力学性能、生物相容性能；另外，该仿生血管芯片可以使细胞保持良好的活力。

附图说明

图1为实施例2制备的改性PDMS微流控芯片、实施例3制备的PDMS微流控芯片功能化涂层及PDMS微流控芯片的红外光谱图测试结果。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明确，以下结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细描述：

本发明实施例所用PDMS和固化剂购自北京瑞德佑业科技有限公司，型号DC184。

实施例1：

一种仿生血管芯片的制备方法，包括以下步骤：

1）在35℃，将浓度为20wt%的明胶溶液加入到3D打印机中，设置打印参数（仿生血管芯片长60mm，宽20mm，高10mm；芯片流道直径为3mm，芯片流道全长15mm；半圆状的凸起半径为0.1mm，螺纹样的尺寸为螺距是3mm，圈数为3圈），打印针头内径为250μm，内层通道挤出压力为0.2bar，外层通道挤出压力为0.3bar，打印速度为9mm/s，纤维丝之间间距为200μm，低温平台温度为4℃，制备出具有特定图案的微流控芯片模板；

2）将PDMS和固化剂按照10:1的质量比混合搅拌均匀，干燥除去PDMS中的气泡；然后倒入到微流控芯片模板中，在35℃放置7h，在60℃放置4h；将完全固化成型的PDMS取出脱模，除去多余打印料，剪裁，打孔，依次用丙酮、异丙醇、无水乙醇对PDMS擦洗，等离子体对PDMS上有图案的一面进行5min的清洗处理，将两片PDMS按照微流控芯片图案进行对齐，在60℃封接2d后，得到PDMS微流控芯片；

3）在微流控芯片中注入HUVECs悬浮液（浓度为1×10

实施例2：

一种仿生血管芯片的制备方法与实施例1的区别：对PDMS微流控芯片进行改性处理。

改性PDMS微流控芯片的制备方法，包括以下步骤：

将PDMS微流控芯片加入到加氢硅油和甲醇的混合溶液（其中，加氢硅油、甲醇的体积比为1:1.5，PDMS微流控芯片与混合溶液的质量体积比为1g:3mL）中，然后加入三氟甲磺酸（PDMS微流控芯片与三氟甲磺酸的质量体积比为1g:0.02mL），室温条件下搅拌25min，取出，采用正己烷、甲醇洗涤，干燥，然后放入冬凌草甲素的DMSO溶液（其中，冬凌草甲素与DMSO的质量体积比为1g:4mL；PDMS微流控芯片与冬凌草甲素的质量比为1:1）中，加入Karstedt’s Pt催化剂（PDMS微流控芯片与Karstedt’s Pt的质量体积比为1g:0.01mL），35℃反应10h，取出用丙酮、蒸馏水依次洗涤3次，干燥，制得改性PDMS微流控芯片。

实施例3：

一种仿生血管芯片的制备方法与实施例1的区别：在PDMS微流控芯片表面进行功能化涂层制备。

PDMS微流控芯片功能化涂层的制备方法，包括以下步骤：

将PDMS微流控芯片放入七叶皂苷溶液（采用浓度为10mM的Tris水溶液配制七叶皂苷溶液，配制浓度2mg/mL）中，浸泡15min，取出后用氩气吹干，然后放入聚赖氨酸溶液（采用浓度为10mM的Tris水溶液配制聚赖氨酸溶液，配制浓度1.5mg/mL）中，浸泡15min，取出后用氩气吹干，制得PDMS微流控芯片功能化涂层；其中，PDMS微流控芯片与七叶皂苷溶液的质量体积比为1g:30mL；PDMS微流控芯片与聚赖氨酸溶液的质量体积比为1g:30mL。

实施例4：

一种仿生血管芯片的制备方法与实施例3的区别：采用改性PDMS微流控芯片替代PDMS微流控芯片，制得改性PDMS微流控芯片功能化涂层。

改性PDMS微流控芯片的制备方法与实施例2相同。

试验例1：

红外光谱测试

采用红外光谱仪对样品进行测定，扫描波数为500-4000cm

对实施例2制备的改性PDMS微流控芯片、实施例3制备的PDMS微流控芯片功能化涂层及PDMS微流控芯片进行上述测试，结果如图1所示。由图1可知，与PDMS微流控芯片的红外光谱图相比，改性PDMS微流控芯片的红外光谱图在3302cm

试验例2：

生物相容性测试

取5mL抗凝兔全血，以3000rpm的转速离心15min，去掉上层清液，加入PBS缓冲液清洗3次后，得下层液，取1mL下层液，加入34mL的PBS缓冲液，混合均匀即可得到红细胞悬液。取1mL红细胞悬液，加入4mL的PBS缓冲液，混合均匀后，取0.2g样品置于混合溶液中；阴性对照组设置：取1mL红细胞悬液，加入4mL的PBS缓冲液，混合均匀；阳性对照组设置：取1mL红细胞悬液，加入4mL的去离子水，混合均匀；然后放置在37℃的细胞培养箱中孵育1h，孵育完成后在3000rpm的离心速度下离心10min。离心结束后，吸取100μL上清液于96孔板中，通过多功能酶标仪检测上清液的吸光度（波长设定为540nm）；溶血率N/%计算公式如下：

N/%=[(A1-A0)/(A2-A0)]×100%

其中，A0为阴性对照组吸光度；A1为样品组吸光度；A2为阳性对照组吸光度。

表1 生物相容性测试结果

对实施例1制备的PDMS微流控芯片、实施例2制备的改性PDMS微流控芯片、实施例3制备的PDMS微流控芯片功能化涂层、实施例4制备的改性PDMS微流控芯片功能化涂层进行上述测试，结果如表1所示，由表1可知，实施例2与实施例1相比，溶血率有所下降，说明采用冬凌草甲素制备的改性PDMS微流控芯片相比于PDMS微流控芯片具有良好的生物相容性；实施例4与实施例3相比，溶血率也有所下降，说明采用冬凌草甲素制备的改性PDMS微流控芯片功能化涂层相比于PDMS微流控芯片功能化涂层也具有良好的生物相容性；实施例3与实施例1相比，溶血率明显降低，说明采用七叶皂苷、聚赖氨酸制备的PDMS微流控芯片功能化涂层相比于PDMS微流控芯片具有更优的生物相容性；实施例4与实施例2相比，溶血率也明显降低，说明采用七叶皂苷、聚赖氨酸制备的改性PDMS微流控芯片功能化涂层相比于改性PDMS微流控芯片也具有更优的生物相容性。

试验例3：

力学性能测试

采用万能材料试验机进行测试，为方便测试，将样品制备成3cm×1.5cm×1.3mm大小，测试条件为25℃，湿度50%，拉伸速率10mm/min。

表2 力学性能测试结果

对实施例1制备的PDMS微流控芯片、实施例2制备的改性PDMS微流控芯片、实施例3制备的PDMS微流控芯片功能化涂层、实施例4制备的改性PDMS微流控芯片功能化涂层进行上述测试，结果如表2所示，由表2可知，实施例2与实施例1相比，断裂强度明显提升，说明采用冬凌草甲素制备的改性PDMS微流控芯片相比于PDMS微流控芯片具有良好的力学性能；实施例4与实施例3相比，断裂强度也明显提升，说明采用冬凌草甲素制备的改性PDMS微流控芯片功能化涂层相比于PDMS微流控芯片功能化涂层也具有良好的力学性能；实施例3与实施例1相比，断裂强度明显增强，说明采用七叶皂苷、聚赖氨酸制备的PDMS微流控芯片功能化涂层相比于PDMS微流控芯片具有更优的力学性能；实施例4与实施例2相比，断裂强度也明显增强，说明采用七叶皂苷、聚赖氨酸制备的改性PDMS微流控芯片功能化涂层相比于改性PDMS微流控芯片也具有更优的力学性能。

试验例4：

细胞活力测试

将微流控芯片样品浸入22.5mol/L葡萄糖的标准培养基，并以空白标准培养基作为对照组，平衡过夜后，嵌入48孔板，接种1×10

表3 细胞活力测试结果

对实施例1制备的PDMS微流控芯片、实施例2制备的改性PDMS微流控芯片、实施例3制备的PDMS微流控芯片功能化涂层、实施例4制备的改性PDMS微流控芯片功能化涂层进行上述测试，结果如表3所示，由表3可知，实施例2与实施例1相比，细胞存活率明显提升，说明采用冬凌草甲素制备的改性PDMS微流控芯片相比于PDMS微流控芯片具有良好的细胞活力；实施例4与实施例3相比，细胞存活率也明显提升，说明采用冬凌草甲素制备的改性PDMS微流控芯片功能化涂层相比于PDMS微流控芯片功能化涂层也具有良好的细胞活力；实施例3与实施例1相比，细胞存活率明显增强，说明采用七叶皂苷、聚赖氨酸制备的PDMS微流控芯片功能化涂层相比于PDMS微流控芯片具有更优的细胞活力；实施例4与实施例2相比，细胞存活率也明显增强，说明采用七叶皂苷、聚赖氨酸制备的改性PDMS微流控芯片功能化涂层相比于改性PDMS微流控芯片也具有更优的细胞活力。

上述实施例中的常规技术为本领域技术人员所知晓的现有技术，故在此不再详细赘述。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。