一种毛细血管模型的构建方法及其微系统芯片技术方案

本发明专利技术阐述了一种毛细血管模型的构建方法及其微系统芯片，利用微系统加工技术，设计制作用于毛细血管内皮细胞有序排布和培养的微芯片系统。通过微系统芯片设计和制造、毛细血管内皮细胞的导入、排布、固定和培养、毛细血管模型功能的测定三个主要步骤，构建成具有一定正常生理功能的毛细血管模型。该毛细血管模型可以用于毛细血管内皮细胞的培养和观测，能对内皮细胞分泌的扩血管因子ＮＯ的浓度进行实时测定，管壁的通透性可随着外加刺激的不同发生改变，大致模拟正常生理条件下毛细血管功能，可用于心血管药物有效成分的筛选。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种毛细血管模型的构建方法及其微系统芯片，此模型基于 微系统技术结合细胞生物学技术构建，可用于药物筛选、组织工程、基础细 胞生物学等方面，属交叉学科

技术介绍
毛细血管是血液循环中的末梢，毛细血管管壁主要由一层内皮细胞(endothelial cell)和基膜(Basal Lamina)组成，细的毛细血管横切面由一 个内皮细胞围成，较粗的毛细血管由2 3个内皮细胞围成。常规的毛细血管 模型一般利用生物可降解材料作为支架来培养血管壁的正常细胞，旋转培养 重建和再生形成管状模型。目前已有多种组织工程化血管构建模式正在研究 中，并取得一定进展，如采用交联胶原蛋白包埋聚乙胶酯材料(PGA)为血 管支架，分层种植人骨髓间充质干细胞来源的血管平滑肌、内皮样细胞，并 旋转培养，体外构建组织工程化小口径人工血管模型，应用于临床的血管替 代物，以期解决临床上治疗血管狭窄或闭塞导致的缺血性疾病自体血管移植 及血管来源有限的问题。近几年，微系统技术的发展给基于细胞培养及组织工程的研究注入活力， 基于微系统技术的细胞构图(Cell Patterning)不仅可以根据不同要求控制细 胞的空间分布，还可以更好的模拟细胞生长的外环境(ExtracellularMatrix), 增加细胞研究的可靠性，可以集成加热器、微环境参数测定传感器等用于细 胞或组织功能的研究，这些在常规的细胞组织培养条件下是难以实现的。目前，微系统技术应用于细胞水平、分子生物学水平的研究也已有很多 的报道，但是主要还是针对单个细胞或多个细胞的培养和相关性质研究。实 际上，微系统技术不仅可以对细胞进行操控，也可以根据组织结构的特点构 建特殊的物理微结构，将组织细胞按照要求导入微结构，并在片培养，形成3具有一定组织功能的模型。目前，与内皮细胞相关的微系统技术已有少量报道，如Fidkowshi C.等在文献(Fidkowski C., Kaazempur画Mofrad M.R., Borenstein J., Vacanti J.R, Langer R.， Endothelialized Microvasculature Based on a Biodegradeble Elastomer, Tissue Engineering, 2005, 11, 302~311)中利用生物 可降解材料通过微加工技术制作微管道网络，成功实现了内皮细胞在微系统 中的培养；Song J.W.等在文献(Song J.W.， Gu W., Futai N.， Warner K.A.， Nor J.E.， Talayama S., Computer-Controlled Microcirculatory Support System for Endothelial Cell culture and Shearing, Anal. Chem., 2005, 77, 3993~3999)中也 成功地实现了内皮细胞在微系统中的培养，并且观察微系统中液体流动对细 胞生长状态的影响。但是，目前的研究只是局限在细胞层面，在实现内皮细 胞培养的基础上没有建立类似毛细血管组织的结构，进行更深层次的组织工 程学方面的研究。本专利技术拟基于微系统加工技术，针对简单组织毛细血管，设计制作用于 内皮细胞有序排布和培养的微芯片系统，形成具有简单生理功能的毛细血管 模型，并且建立毛细血管功能研究和检测方法。
技术实现思路
本专利技术目的是利用微系统加工技术，设计制作用于毛细血管内皮细胞有 序排布和培养的微芯片系统，构建成具有一定正常生理功能的毛细血管模型。本专利技术的目的是通过微系统芯片设计和制造、毛细血管内皮细胞的导入、 排布、固定和培养、毛细血管模型功能的测定三个主要步骤实现的。本专利技术的目的是通过如下技术方案实现的1) 根据毛细血管的组织结构结合微系统技术的特点，设计细胞培养芯片， 利用微细加工技术制作细胞培养的微系统，该系统包括下列核心单元细胞 培养微通道，给药通道，给养分通道，出入口， NO测定电极等。根据细胞 培养要求，调节微系统中的微环境，包括流速控制、压力控制、体积控制、 温度控制、溶液混和、液体分配与驱动等。2) 采用微量注射泵将培养液、内皮细胞及其它成分导入微系统中，利用 设计的物理微结构及表面特性将细胞分布在特定的区域，利用细胞培养箱的 条件进行细胞在片培养。3)在微芯片管道中设计制作NO微电极，对内皮细胞分泌的扩血管因子NO的浓度进行实时监测；在导入使血管舒张/收縮的药物成分的作用下，检 测内皮细胞的形态变化，细胞之间的间距变化，选用特定的指示剂，测定药 物作用前后指示剂在管内和管外的浓度改变，判定血管壁通透性的变化。本专利技术构建的毛细血管模型可以用于毛细血管内皮细胞的培养和观测， 能对内皮细胞分泌的扩血管因子NO的浓度进行实时测定，管壁的通透性可 随着外加剌激的不同发生改变，大致模拟正常生理条件下毛细血管功能，该 模型可用于心血管药物有效成分的筛选。本专利技术不仅阐述了一种基于微系统技术的毛细血管模型的构建方法，还 提供一种细胞培养微系统芯片的制作方法，该微系统芯片适合于细胞的导入、 排布、固定和在片培养。附图说明图i为本专利技术实施例的毛细血管模型总体结构示意图，其中，i和r分别为毛细血管内皮细胞及培养基的进口和出口； 2和2'分别为毛细血管内基 质的进口和出口； 3和3'分别为毛细血管外基质的进口和出口。图2为本专利技术实施例的细胞培养芯片A-A'截面图，其中，4为聚合物 PDMS芯片；5为载波片；6为培养中的毛细血管内皮细胞。图3为本专利技术实施例毛细血管模型芯片的俯视图，其中，7为NO测定 电极；8为毛细血管外基质；9为单层排列毛细血管内皮细胞；10为毛细血 管内基质。具体实施例方式下面结合附图进一步说明本专利技术的一种具体实施过程。 在下述实施例中，使用的细胞外基质、细胞内基质指的分别是两排细胞 外侧和内侧的溶液环境。如图2所示，本方面提供的细胞培养微芯片，由聚二甲基硅氧烷(PDMS) 芯片和载玻片通过键合形成，该PDMS芯片包括PDMS基底以及位于其上的 2对(4个)微坝结构，2对微坝结构间距为100-120um，每对微坝结构包括2个间距为的30-40um的微坝，该微坝与载玻片间间隙高度为3-5um，从而， 微坝结构内的空间可用于细胞，如内皮细胞的固定培养，以形成2排(每个 微坝结构内可形成l排)单层细胞结构，而培养基及药物可以自由通过。由于PDMS芯片和载玻片进行了键合，因此，如图1所示，PDMS芯片 上的微坝结构将所述细胞培养微芯片隔成5个通过微坝与载玻片间间隙相通 的微管道，分别是2对微坝结构之间的细胞内基质微管道(即毛细血管内基 质进口 2和出口 2'间的管道，宽度为100-120um，可用于加入细胞内基质、 药物和/或检测标记物)，微坝结构内的内皮细胞培养微管道各1条(即毛细 血管内皮细胞及培养基进口 l和出口 l，间的管道，宽度为30-40um，可用于 加入培养基和/或药物)，以及位于2条内皮细胞培养微管道各自外侧的细胞 外基质微管道各1条(即毛细血管外基质进口 3和出口 3'间的管道，宽度为 200-500um，可用于加入细胞外基质、药物和/或检测标记物)。如图3所示本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种细胞培养微芯片，其特征在于，所述芯片由聚二甲基硅氧烷（ＰＤＭＳ）芯片和载玻片键合形成，所述ＰＤＭＳ芯片包括ＰＤＭＳ基底以及位于其上的１对或多对微坝结构，所述微坝结构包括２个间距为的３０－４０ｕｍ　ｕｍ微坝，所述微坝与载玻片间间隙高度为３－５ｕｍ。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：金庆辉，邵建波，郑允焕，吴建璋，赵建龙，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]