[发明专利]一种基于微流控技术的多器官芯片及其应用

说明书

本发明公开了一种基于微流控技术的多器官芯片及其应用。该器官芯片由上而下包括液池层、微坑阵列层、多孔弹性膜层和液路层四层结构通过氧气等离子体不可逆封接而成。该器官芯片既可以实现不同器官的单独培养，又可以实现不同器官共同培养。当多个器官需要单独培养时，液路层不注入液体，各器官模块的培养基由于在微孔处的表面张力的作用不会相通。当需要两个器官进行相互作用时，将液体注入液路即可破除表面张力从而多器官连通。再利用气体实现在线蠕动泵的功能，使液体定向流动，实现两器官的灌流培养并相互作用。本发明克服了传统细胞培养的缺点，在初始阶段可以三器官独立培养，同时也可以实现灌流培养，有利于物质交换以及维持细胞活性。

技术领域

本发明涉及多器官芯片在器官共培养和疾病模型构建方面应用领域，具体涉及一种基于微流控技术的多器官芯片及其应用。

背景技术

现在全球每年有数十亿美元的经费浪费在最终失败的药物的筛选上。目前常用的药物筛选模型有细胞模型和动物模型。动物模型与人有种属差异，无法很好地预测药物的效用。细胞模型往往是单一一种的细胞，且为二维培养，无法重现器官之间的相互作用。

细胞(包括器官)间的相互作用是多细胞生物的基本特征。细胞间相互作用可以通过直接接触而产生，如在组织中不同的细胞之间的相互作用；细胞间相互作用也可以间接产生，如细胞通过分泌物相互作用。研究细胞相互作用(如癌症的发展和迁移，伤口愈合和干细胞发育)对药物筛选和组织工程都有重要作用，尤其是用于全身性药物的评价。为了建立研究细胞/细胞相互作用的模型，需要进行两种或更多种细胞类型的共培养。传统共培养方法包括将不同细胞类型直接添加到相同的培养孔中，或者用Transwell系统进行细胞培养。尽管由于该方法比较简单，但该模型基于2D单层细胞，其与体内细胞的形态，生理学和基因表达等品质不同。同时tanswell这种形式也无法重现三个及以上器官之间的相互作用。器官芯片技术作为一种新兴技术受到越来越多的关注。可通量化，可以精准控制理化因素，可方便实现灌流培养，可集成在线检测等特点让器官芯片技术成为最出色的构建新的药物评价模型的技术之一。多器官芯片更是器官芯片发展的重要趋势。

现有的多器官芯片往往只能实现器官共培养，无法进行单独培养。但是在疾病模型构建等应用中，往往需要只对某一种器官进行单独刺激与培养。所以学者们迫切需要一种新型的多器官芯片，既可以实现共培养，又可以实现单独培养。

发明内容

针对以上问题，本发明提供了一种基于微流控技术的多器官芯片以及其在细胞培养过程中的应用。本发明既可以实现多个器官共培养，又可以实现多个器官单独培养。

一种基于微流控技术的多器官芯片，该芯片由上而下包括液池层1、微坑阵列层2、多孔弹性膜层3和液路层4四层结构；所述上述四层结构通过氧气等离子体不可逆封接而成。

所述液池层1包括培养基输入孔1a、气压输入孔1b、培养基蓄液池1c、通孔Ⅰ8；其中气压输入孔1b用于通气体，培养基蓄液池1c和培养基输入孔1a通过液路层4的液路相连通。

所述微坑阵列层2设有无底通透的微坑阵列7和通孔Ⅱ12；所述微坑陈列7由微坑10组成；所述多孔弹性膜层3在微坑阵列层2的微坑10对应位置设有微孔阵列9，在培养基输入孔1a对应位置设有通孔Ⅲ13使液池层4与培养基输入孔1a相通。

所述微坑陈列7和微孔阵列9底部为通透孔结构。

所述液路层4设有培养基灌流通道11，通过微坑陈列7和微孔阵列9底部的通透孔结构和液池层1相通，使液池层1的培养基蓄液池1c相连形成液体回路；所述培养基灌流通道11上设有在线蠕动泵5，在线蠕动泵5内设有PDMS隔断6。

进一步，多孔弹性膜层3厚度100-200微米。

进一步，微坑底部直径100-800微米，微坑侧壁倾斜角度20°～90°。

优选的，所述微孔阵列的直径为1-10微米。