[发明专利]基于水凝胶的器官芯片微流控装置

说明书

本发明总体上涉及一种器官芯片的微流控装置(10)，其包括第一元件(11)、第二元件(16)和介于第一元件和第二元件之间的水凝胶层(14)。确定第一元件、第二元件和水凝胶层的形状和尺寸，以使水凝胶层在本文公开的使用条件下能够沿给定方向膨胀和收缩，特别是在体外模拟器官功能。本发明还涉及该微流控装置的制备方法以及该微流控装置在生物医学领域中的应用，特别是用于模拟器官的结构和功能。

技术领域

本发明总体上涉及一种器官芯片(organ-on-chip)微流控装置。更具体地，本发明涉及一种微流控装置，其包括第一元件、第二元件，以及介于第一元件和第二元件之间的水凝胶层。确定第一元件、第二元件和水凝胶层的形状和尺寸，以使水凝胶层在本文公开的使用条件下能够沿给定方向膨胀和收缩，特别是在体外模拟器官功能。本文公开的装置允许开发生理相关的、遗传的、生化的、细胞的、组织的或基于器官的测定。本发明还涉及生产微流控装置的方法以及所述微流控装置在生物医学领域中的应用，特别是用于模拟器官的结构和功能。

背景技术

开发新的和功能强大的体外细胞测定法对生物医学行业至关重要。除了允许进行基本的机理研究之外，扩大规模的测定是所有现代药物发现和验证流程的基础。

尽管付出了巨大的努力，但是基于2D细胞培养和塑料底物的标准测定仍然存在很差的生理状况再现性，因此大多数无法有效地预测药物的安全性和有效性。

这些失败的主要原因是缺乏在药物开发早期可用的生理相关模型。学术研究也面临着类似缺乏的模型的问题，特别是对于传染病的研究，在传染病中，许多病原体的贮存库仅是人类。获得有用的洞察需要在细胞水平上进行实时成像，这很难在活体动物中捕获。另外，使用小动物模型仍然是一个很大的伦理问题。因此，非常需要替代方法。目前正在出现多种生物工程方法，包括微流控、类器官(organoid)培养和组合筛选，作为缩小标准体外培养测定和动物研究之间差距的可行解决方案。

近年来，已经出现了新的基于细胞的测定方法，其目的是为动物检测提供有效的替代方法。最引人注目的是，人类器官芯片的发展为收集人体细胞生理相关数据开辟了新的场所。

专利申请WO 2010/009307公开了一种微流控装置，其具有由一个或多个多孔膜(例如，一个或多个多孔PDMS膜)隔开的中心微通道，所述多孔膜通过物理方法安装。所述微流控装置的构造需要与中心微通道相邻的附加通道，以便通过附加微通道和中心微通道之间的间接气动机构产生压差，膜响应该压差而膨胀或收缩。

专利申请WO 2015/138032公开了一种仿有机(organomimetic)装置，其具有微通道和膜，该膜物理固定至所述仿有机装置的两个部分，使得所述膜由物理连接到其上的机械驱动系统调节。

专利申请WO 2015/138034公开了一种微流控装置，其具有被膜隔开的两个不同尺寸的通道。所述微流控装置采用复杂的设计，通过利用其中提供的附加微通道，通过间接气动机构和/或机械手段调节膜。

然而，尽管为改善细胞测定的生理相关性(3D细胞培养，灌注(perfusion)，机械力)付出了巨大的努力，但是现有装置需要复杂的配置，该配置包括许多机械固定的微型部件。此外，装置的驱动依赖于通过外部手段或间接机构的机械刺激。这样的设备需要微型和复杂部件的高精度安装/对准。此外，现有装置依赖于不能重现(recapitulate)生理细胞微环境的非生理合成材料。

发明内容

本发明提供了一种先进的器官芯片微流控装置，其通过结合微流控技术和水凝胶技术，重现人类器官微环境，尤其是许多机械活性隔室或组织中的内皮/上皮界面。