[发明专利]一种动脉血管模拟微流控装置及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种动脉血管模拟微流控装置及其应用，属于生物医药技术领域。

背景技术

异常血流动力学因素是导致心脑血管疾病的关键危险因子之一，但其作用机理尚不清楚，而传统研究方法的局限性阻碍了相关研究进展。近年来，血管体外研究模型的建立和应用大大促进了相关研究的进展。血管的血流动力学体外研究模型可以根据它们模拟血液流经血管时产生力学刺激的种类分为三类，即流体剪切力模型、牵张应力模型、流体剪切力和牵张应力共同作用模型。流体剪切力模型主要是采用层流板，液体通过开口于两侧的液体进口和出口对种植在基底的细胞施加流体剪切应力；而牵张应力模型则通过弹性膜或板的形变对粘附在上面的细胞施加机械拉伸刺激。前两种模型可以探讨细胞在单一力学刺激情况下的行为变化，然而，细胞所处的生物体内是一个有着多种力学刺激的复杂环境，一个更接近体内环境的心血管系统体外研究模型必须考虑多种力学刺激对细胞的作用。近年来，人们设计和改进了一些能够同时施加流体剪切力和牵张应力的装置(Moore，J.E.，Burki，E.，Suciu，A.，Zhao，S.M.，Burnier，M.，Brunner，H.R.and Meister，J.J.(1994)A Device for Subjecting Vascular Endothelial-Cells to Both Fluid Shear-Stress and Circumferential Cyclic Stretch.Ann Biomed Eng.22，416-422；Qiu，Y.C.and Tarbell，J.M.(2000)Interaction between wall shear stress and circumferential strain affects endothelial cell biochemical production.J Vasc Res.37，147-157；Toda，M.，Yamamoto，K.，Shimizu，N.，Obi，S.，Kumagaya，S.，Igarashi，T.，Kamiya，A.and Ando，J.(2008)Differential gene responses in endothelial cells exposed to a combination of shear stress and cyclic stretch.J Biotechnol.133，239-244)，其最基本的原理就是用内壁贴附了内皮细胞的硅橡胶管模拟血管，在管腔内保持一定压力的情况下通过管腔的扩张给粘附的细胞施加牵张应力，同时通过液体的冲刷给细胞施加剪切应力。但是，上述装置的缺点也很明显，即细胞在管壁的粘附不好控制、不能对细胞在力学刺激下的行为进行实时观察以及干预等，这些问题也制约着相关研究的进展。近年来，微流控技术的快速发展为许多疾病病理研究模型的建立提供了契机，微流控芯片可以为细胞提供更接近于生理、病理条件下的微环境，可以结合表面化学和软刻蚀技术对细胞行为进行操控和干预，还可以在细胞群体和单细胞两种水平对细胞的行为变化进行观察和分析。Huh等(Huh，D.，Matthews，B.D.，Mammoto，A.，Montoya-Zavala，M.，Hsin，H.Y.and Ingber，D.E.(2010)Reconstituting Organ-Level Lung Functions on a Chip.Science.328，1662-1668)采用的微流控装置可以对贴附在膜上的细胞产生流体剪切力和拉伸力，其用途是模拟和研究肺泡功能，其制作工艺相对比较复杂，由于膜没有支撑物，容易变形，显微镜下不易观察细胞形态和变化过程。Douville等(Douville，N.J.，Zamankhan，P.，Tung，Y.C.，Li，R.，Vaughan，B.L.，Tai，C.F.，White，J.，Christensen，P.J.，Grotberg，J.B.and Takayama，S.(2011)Combination of fluid and solid mechanical stresses contribute to cell death and detachment in a microfluidic alveolar model.Lab Chip.11，609-619)采用的微流控装置同样可以提供流体剪切力和机械拉伸力，其用途也是模拟和研究肺泡的结构和功能，可以形成气液界面，模拟肺泡细胞的微环境。然而，上述的微流控装置只适合做肺泡模型，微流控血管模型尚无文献报道。而用于微流控血管生理病理机理的研究模型国内外尚无专利申请。