[发明专利]用于重建骨细胞微环境的微流控芯片及其使用方法

说明书

技术领域

本发明涉及生物技术领域，尤其涉及一种用于重建骨细胞微环境的微流控芯片及其使用方法。

背景技术

骨质疏松症会引起骨折等肢体功能缺失并发症，严重影响患者独立生活能力，降低生活质量。在中国就有6300万人患有不同程度的骨质疏松症。在骨组织的新陈代谢中，骨细胞能够通过调控成骨细胞和破骨细胞的功能实现骨组织的重塑，被认为是能从本质上解决骨质疏松症的潜在突破点，因此研究骨细胞具有非常重要的意义。

微流控技术作为一种新式研究工具，可在微观尺度下控制、操作和检测流体，由于其特征尺寸与细胞尺寸相比拟，具有在时空上精确控制细胞位置、细胞因子浓度和代谢物输运等能力。

在骨细胞的机制研究中，细胞培养是基本实验模型，通过一个能模拟体内环境的体外空间，配置以无菌、适当温度、酸碱度和一定营养条件培养细胞，使之生长繁殖并维持其结构和功能。细胞体外培养过程中能够获取大量可靠的细胞层面和分子层面的信息，因此骨细胞体外培养的研究是十分必要的。

骨细胞在生理条件下处于有流体应力的环境中。现有的研究骨细胞在流体应力刺激下的实验大多是将细胞接种于流体小室内，待细胞贴壁生长后，在小室内注入流体，进而观察在流体刺激下的细胞响应。

在实现本发明的过程中，申请人发现上述现有技术存在如下技术缺陷：

(1)骨细胞在体内有着特殊的微环境，细胞之间通过突触连接成网络结构，而传统的流体小室内骨细胞所处环境与体内微环境相差甚大，细胞突触无序生长、无法与周围环境建立有效物理连接。

(2)骨细胞包括位于陷窝中的细胞体和存在于纳米尺度沟道中的细胞突触，在生理条件下细胞突触感受到的流体应力远大于细胞体上感受到的流体应力。但是传统的流体小室内骨细胞的细胞体和细胞突触表面会形成相同的流体应力，在客观上难以真实反映生理状态骨细胞的生物学特征。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种用于重建骨细胞微环境的微流控芯片及其使用方法，以更好的模拟人体骨细胞的特殊环境。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种用于重建骨细胞微环境的微流控芯片。该微流控芯片包括：至少一条骨细胞培养沟道，用于进行骨细胞的培养，其至少包含一主沟道，在该主沟道的底壁上形成有二维网格图案。其中，在二维网格图案中，网格节点位置以及相邻网格节点横向和纵向连接的位置修饰有胶原，在网眼位置沉积有金薄膜，并在该金薄膜上修饰有硫醇。其中，具有骨细胞的培养基被注入主沟道中，骨细胞贴附于胶原修饰的网格节点位置，并沿相邻网格节点横向和纵向连接的方向伸出细胞突触，而硫醇修饰金薄膜的网眼位置骨细胞不能贴附。

优选地，上述微流控芯片中，骨细胞培养沟道还包括：中从沟道，正对主沟道设置，其前端连接至中流体进口；左从沟道，位于中从沟道的左侧，其前端连接至左流体进口；右从沟道，位于中从沟道的右侧，其前端连接至右流体进口；左从沟道和右从沟道在中从沟道的两侧对称设置，中从沟道、左从沟道、右从沟道的末端连接至主沟道的前端，主沟道的末端连接至流体出口。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种上述微流控芯片的使用方法。该制作方法包括：步骤S202：在骨细胞培养沟道中的主沟道的二维网格图案上网格节点位置以及相邻网格节点横向和纵向连接的位置的表面上修饰胶原；步骤S204：在骨细胞培养沟道内进行骨细胞接种；步骤S206：在骨细胞培养沟道内对骨细胞进行培养；步骤S208：待细胞在主沟道内贴壁良好后，中流体进口通入第一物质的溶液，左流体进口和右流体进口通入第二物质的溶液，调整液体流速，以使第一物质和第二物质反应生成的固态聚合物覆盖在骨细胞上，填充于沟道的中间位置并在两侧露出可供流体通过的通道，使靠近沟道两侧的骨细胞的突触被露出；以及步骤S212：通过在左从沟道和右从沟道引入可控制流体，利用流体的冲刷对骨细胞产生应力刺激，观测骨细胞在振荡流体应力作用下的响应。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明用于重建骨细胞微环境的微流控芯片及其使用方法将微流控技术与传统骨细胞的培养技术相结合，可以实现基底修饰、片上接种，二维网格图案形成，海藻酸钙聚合物固定以及外加流体振荡流刺激，具体来讲，其具有以下有益效果：

(1)通过构建以金为基底的二维网格图案，通过浸泡硫醇对图案表面进行疏水修饰，使细胞沿着图案实现有序生长；