基于水凝胶的器官芯片微流控装置制造方法及图纸

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】基于水凝胶的器官芯片微流控装置
本专利技术总体上涉及一种器官芯片(organ-on-chip)微流控装置。更具体地，本专利技术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。本专利技术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。
技术介绍
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WO2010/009307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WO2015/138032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WO2015/138034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。
技术实现思路
本专利技术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。基于水凝胶的装置能够在具有可调的机械性能的生理相关底物(水凝胶)上培养细胞，而底物(水凝胶)受到流体(液体或气体)直接施加在底物(水凝胶)上的压力的机械刺激而膨胀或收缩，特别是周期性地扩张或收缩，以模拟生理条件，例如心脏跳动、呼吸、肠的蠕动或肌肉伸展。另外，对蛋白水解降解敏感的水凝胶的使用使接种的细胞能够侵入并与提供的软基材紧密相互作用。与现有方法相反，本专利技术提供了改进的细胞测定法，其能够精确地在生物物理上和生物化学上重现靶组织的细胞外基质界面。本专利技术相应地提供了一种微流控装置，其依赖于所述水凝胶层的驱动，所述水凝胶层能够在体外模拟或重现生物隔室或组织，特别是人体器官的物理和/或生理参数。本专利技术涉及一种微流控装置，其包括：a)第一元件，所述第一元件包括在其表面上的一种以上化学官能团，其中所述一种以上化学官能团包括在与所述表面共价结合的分子中；b)水凝胶层，所述水凝胶层具有彼此相对的第一面和第二面，所述水凝胶层包括一种以上化学官能团，至少一种所述化学官能团有效地与共价结合于所述第一元件表面的分子中包括的至少一种化学官能团反应；和c)第二元件，其中所述水凝胶层在给定轴线上介于所述第一元件和所述第二元件之间，所述给定轴线基本上垂直于所述水凝胶层，并且所述第一元件、所述第二元件和所述水凝胶层具有确定的形状和尺寸，以在所述第一元件和所述水凝胶层的所述第一面之间勾画出和/或形成至少一个微通道，以及在所述第二元件和所述水凝胶的所述第二面之间勾画出和/或形成至少一个腔体，所述至少一个微通道和所述至少一个腔体相对于彼此布置，使得所述给定轴线截断所述至少一个微通道和所述至少一个腔体，并且，其中，分子中包括的至少一种所述化学官能团和所述水凝胶层的至少一种化学官能团彼此共价结合，所述分子共价结合到所述第一元件的表面。如本文所用，术语“元件”是指相对于水凝胶层更刚性的微流控装置的零件、块体、主体或基底。相应地，第一元件或第二元件的弹性模量高于水凝胶层的弹性模量，并且第一元件或第二元件的弹性模量通常足够高，使得当施加期望程度的压力(由于引入到第一元件的微通道和/或第二元件的腔体的流体)时，能够选择性刺激水凝胶层。这种直接刺激机制不需要与微通道或腔体相邻的任何附加通道，因此装置的生产相对简单。在具体的实施方案中，元件由刚性材料，特别是平坦的刚性材料部件组成。如本文所使用的，术语“表面”不一定代表第一元件或第二元件的整个表面或整个外表面，而是涵盖了整个表面的一部分或其外表面的一部分。在一个具体的实施方案中，表面是所述元件的整个表面或基本上是所述元件的整个表面。在一个具体的实施方案中，共价结合至第一元件表面的分子形成单分子层。单分子层是指分子的单层。术语“单分子层”可以与术语“单分子膜”或“分子单层”互换使用，并且可以称为“自组装单层”。在一个优选的实施方案中，分子是一种类型，因此具有相同的分子式。术语“化学官能团”用作复数名词以表示两个或更多个“化学官能团”，其在有机化学领域中通常称为“官能团”。化学官能团或简称为官能团是指确定化学性质和反应性的特定原子团。在一个具体的实施方案中，化学官能团在分子或化合物内，并决定所述分子或化合物的化学性质或反应性。不同类型的化学官能团由不同原子团组成。共价结合到所述第一元件的表面上的分子包括至少一种可用于进行化学反应的官能团。分子在其原始结构中(即在与第一元件或水凝胶层共价结合之前)，优选包括两个端基(即原子团或化学官能团)，每个端基包括一个或多个化学官能团。分子一端上的官能团与第一元件的表面共价结合，分子另一端上的官能团与水凝胶层的至少一种官能团共价结合。如本文所用，术语“腔体”是指中空的空间，其不含构成元件和水凝胶的任何材料。在一个实施方案中，腔体是指通道，尤其是微通道，其沿着水凝胶层的表面本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.微流控装置(10)，包括：/na)第一元件(11)，所述第一元件(11)包括在其表面上的一种以上化学官能团，其中所述一种以上化学官能团包括在与所述表面共价结合的分子中；/nb)水凝胶层(14)，所述水凝胶层(14)具有彼此相对的第一面(7)和第二面(9)，所述水凝胶层(14)包括一种以上化学官能团，至少一种所述化学官能团有效地与共价结合于所述第一元件(11)表面的分子中包括的至少一种化学官能团反应；和/nc)第二元件(16)，/n其中所述水凝胶层(14)在给定轴线(40)上介于所述第一元件(11)和所述第二元件(16)之间，所述给定轴线(40)基本垂直于所述水凝胶层(14)，并且所述第一元件(11)、所述第二元件(16)和所述水凝胶层(14)具有确定的形状和尺寸，以在所述第一元件(11)和所述水凝胶层(14)的所述第一面(7)之间勾画出至少一个微通道(34)，以及在所述第二元件(16)和所述水凝胶(14)的所述第二面(9)之间勾画出至少一个腔体(32)，所述至少一个微通道(34)和所述至少一个腔体(32)相对于彼此布置，使得所述给定轴线(40)截断所述至少一个微通道(34)和所述至少一个腔体(32)，/n其中，分子中包括的至少一种所述化学官能团和所述水凝胶层(14)的至少一种所述化学官能团彼此共价结合，所述分子共价结合到所述第一元件(11)的表面。/n...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171222 EP 17306926.11.微流控装置(10)，包括：
a)第一元件(11)，所述第一元件(11)包括在其表面上的一种以上化学官能团，其中所述一种以上化学官能团包括在与所述表面共价结合的分子中；
b)水凝胶层(14)，所述水凝胶层(14)具有彼此相对的第一面(7)和第二面(9)，所述水凝胶层(14)包括一种以上化学官能团，至少一种所述化学官能团有效地与共价结合于所述第一元件(11)表面的分子中包括的至少一种化学官能团反应；和
c)第二元件(16)，
其中所述水凝胶层(14)在给定轴线(40)上介于所述第一元件(11)和所述第二元件(16)之间，所述给定轴线(40)基本垂直于所述水凝胶层(14)，并且所述第一元件(11)、所述第二元件(16)和所述水凝胶层(14)具有确定的形状和尺寸，以在所述第一元件(11)和所述水凝胶层(14)的所述第一面(7)之间勾画出至少一个微通道(34)，以及在所述第二元件(16)和所述水凝胶(14)的所述第二面(9)之间勾画出至少一个腔体(32)，所述至少一个微通道(34)和所述至少一个腔体(32)相对于彼此布置，使得所述给定轴线(40)截断所述至少一个微通道(34)和所述至少一个腔体(32)，
其中，分子中包括的至少一种所述化学官能团和所述水凝胶层(14)的至少一种所述化学官能团彼此共价结合，所述分子共价结合到所述第一元件(11)的表面。


2.根据权利要求1所述的微流控装置(10)，其中，所述第二元件(16)面对所述水凝胶层(14)的表面包括一种以上化学官能团，并且至少一种所述化学官能团与所述水凝胶层(14)的至少一种化学官能团共价结合。


3.根据权利要求1至2中任一项所述的微流控装置(10)，其中，所述第一元件(11)和所述第二元件(16)中的至少一个包括凹口(20)，所述水凝胶层(14)安装于所述凹口(20)中。


4.根据权利要求1至3中任一项所述的微流控装置(10)，其中，所述水凝胶层(14)覆盖形成在所述第一元件(11)的所述表面上的至少一个凹槽，从而形成至少一个微通道(34)。


5.根据权利要求4所述的微流控装置(10)，其中，所述凹口(20)形成在所述第一元件(11)上并且包括具有所述至少一个凹槽的底部(22)。


6.根据权利要求1至5中任一项所述的微流控装置(10)，其中，所述微流控装置(10)包括用于在所述至少一个微通道(34)和所述至少一个腔体(32)之间产生压力差的器件(46)。


7.根据权利要求1至6中任一项所述的微流控装置(10)，其中，所述第一元件、所述第二元件或这两种元件都包括透明或半透明的材料，例如，聚二甲基硅氧烷(PDMS)。


8.根据权利要求1至7中任一项所述的微流控装置(10)，其中，共价结合至所述第一元件(11)或所述第二元件(16)的至少一部分表面的分子中包含的化学官能团包括：硫醇基团，所述水凝胶层(14)中包含的化学官能团包括乙烯基砜基团。


9.根据权利要求1至8中任一项所述的微流控装置(10)，其中，所述水凝胶层(14)的弹性模量在1kPa至50kPa的范围内。


10.根据权利要求1至9中任一项所述的微流控装置(10)，其中，所述水凝胶层(14)的厚度在30μm至500μm的范围内。


11.根据权利要求1至10中任一项所述的微流控装置(10)，其中，所述装置包括两层或更多层水凝胶。


12.根据权利要求1至11中任一项所述的微流控装置(10)，其中，所述水凝胶层(14)包括聚合物基材，所述聚合物基材包含或由一种以上大分子单体或一种以上亲水性大分子单体组成，所述大分子单体具有连接至所述一种以上大分子单体的聚合物主链的亲水性官能团，可选地，所述聚合物基材包括聚乙二醇(PEG)。


13.根据权利要求1至12中任一项的微流控装置(10)，...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·O·戈巴，
申请(专利权)人：巴斯德研究所，
类型：发明
国别省市：法国;FR