一种集成机械激励的器官芯片、芯片阵列和制作方法技术

一种集成机械激励的器官芯片、芯片阵列和制作方法，包括外壳和主体，该主体设有第一腔和两空槽；该第一腔分成细胞接种区和两培养区，该细胞接种区用于接种包裹着细胞的凝胶，该两培养区分别位于细胞接种区的前后侧以用于灌注培养液，且细胞接种区与两培养区之间分别设有微柱结构以阻挡凝胶扩散使得细胞集中于细胞接种区并形成3D结构，第一腔底面设有弹性膜；两空槽分别位于主体的左右两侧，该外壳罩设于主体外且与空槽形成有第二腔，且第一腔和第二腔交界处设置有柔性柱；通过作用第二腔使其产生负压带动柔性柱形变使得弹性膜变形对细胞产生机械激励。本发明专利技术适用于需机械激励的组织培养，采用阵列化的器官芯片可为高通量药物检测提供硬件支撑。药物检测提供硬件支撑。药物检测提供硬件支撑。

【技术实现步骤摘要】
一种集成机械激励的器官芯片、芯片阵列和制作方法


[0001]本专利技术涉及器官芯片机械激励元件设计与生产
，特别是指一种集成机械激励的器官芯片、芯片阵列和制作方法。

技术介绍

[0002]目前，类似心肌细胞、肺相关细胞、肌细胞等，它们在体内长时间处于受拉、受压的力环境中。而在体外培养时，往往因无法模拟体内原生力环境而使细胞缺失重要的外部刺激。导致在体外培养的组织成熟度与原生组织相去甚远，大大限制了体外培养组织的应用场景。故需要对细胞施加外部机械激励，重建体内力环境，进而诱导组织成熟。
[0003]现阶段，研究者一般通过夹具固定搭载细胞的支架，使用外部设备对夹具输入位移，以此对细胞施加机械激励。然而这种方式难以进行片上集成，且通常输入位移的外部设备体积过大、输出通道有限，难以满足对复数个器官芯片输出激励。而随着软光刻和激光加工的发展，通过气压控制的机械激励结构被制造。它们通常被设计在长流道的两端，以此保证流道中央发生均匀的应变，但所带来的是长流道的细胞使用量的问题。同时软光刻与激光加工的工艺流程复杂，难以对阵列化的器官芯片进行一体制造，由此带来的是成本的增加和制造稳定性的下降。故急需一种合理的集成机械激励元件的器官芯片阵列的设计方案，与其对应的制作方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种集成机械激励的器官芯片、芯片阵列和制作方法。
[0005]本专利技术采用如下技术方案：
[0006]一种集成机械激励的器官芯片，其特征在于：包括外壳和主体，该主体设有第一腔和两空槽；该第一腔分成细胞接种区和两培养区，该细胞接种区用于接种包裹着细胞的凝胶，该两培养区分别位于细胞接种区的前后侧以用于灌注培养液为细胞提供营养物质，且细胞接种区与两培养区之间分别设有微柱结构以阻挡凝胶扩散使得细胞集中于细胞接种区并形成3D 结构，第一腔底面设有弹性膜；两空槽分别位于主体的左右两侧，该外壳罩设于主体外且与空槽形成有第二腔，且第一腔和第二腔交界处设置有柔性柱；通过作用第二腔使其产生负压带动柔性柱形变使得弹性膜变形对细胞产生机械激励。
[0007]优选的，所述外壳设有顶板和至少两侧板，其中两侧板位于主体左右侧以分别封闭对应的空槽；所述主体顶部的厚度、外壳的侧板的厚度均大于所述主体底部的厚度；所述柔性柱顶端与所述主体顶部相连，所述柔性柱底端与所述主体底部相连，所述第二腔产生负压时，两所述压柔性柱底端相对背向移动实现形变。
[0008]优选的，所述主体在所述第一腔和第二腔交界处还设有两柔性铰链，所述柔性柱前后端分别与该两柔性铰链相连。
[0009]优选的，所述微柱结构包括若干微柱，相邻微柱之间距离为20μm
‑
150μm。
[0010]优选的，所述主体顶部还设有培养液入口、培养液出口、细胞接种口、第一气口和第二气口，该培养液入口与其中一所述培养区连通，该培养液出口与另一所述培养区连通；该细胞接种口与所述细胞接种区连通；该第一气口与其中一所述第二腔连通，该第二气口与另一所述第二腔连通。
[0011]一种集成机械激励的器官芯片集成阵列，包括基片，其特征在于：还包括若干阵列分布于基片上的所述的一种集成机械激励的器官芯片。
[0012]优选的，所述器官芯片与所述基片通过复合材料增材制造工艺进行一体化制造。
[0013]优选的，还包括培养液入口流道、培养液出口流道、细胞接种口流道、第一气口流道和第二气口流道；该培养液入口流道与所述器官芯片的其中一所述培养区连通，该培养液出口流道与所述器官芯片的另一所述培养区连通，该细胞接种口流道与所述器官芯片的细胞接种区连通，该第一气口流道与所述器官芯片的其中一所述第二腔连通，该第二气口流道与器官芯片的另一所述第二腔连通。
[0014]一种集成机械激励的器官芯片集成阵列制作方法，其特征在于：用于制作所述一种集成机械激励的器官芯片集成阵列，包括
[0015]1)设计所述器官芯片的结构，包括外壳和主体；
[0016]2)采用复合材料增材制造工艺一体化成型制作所述器官芯片和所述基片；
[0017]3)采用等离子体清洁所述器官芯片内部的第一腔和第二腔；
[0018]4)在所述培养区进行生物相容性涂层处理；
[0019]5)使用FN溶液对细胞接种区进行亲水处理；
[0020]6)将注射泵与所述器官芯片的细胞接种区连接以接种包裹着细胞的凝胶，将气泵与所述器官芯片的第二腔连接以输入负压，将蠕动泵与所述器官芯片的培养区相连以灌注培养液。
[0021]优选的，所述步骤1)中，具体包括如下：
[0022]1.1)预计相应细胞所需的机械激励；
[0023]1.2)根据所需的机械激励选取刚度大的材料作为外壳的打印材料，选取柔性材料作为主体的打印材料；
[0024]1.3)根据材料信息和机械激励，使用仿真软件辅助进行柔性柱、柔性铰链、弹性膜的长、宽、高的设计；
[0025]1.4)制作样品并实验测试弹性膜变形与第二腔负压关系，若测试不通过，则回到步骤 1.3)。
[0026]由上述对本专利技术的描述可知，与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：
[0027]本专利技术采用复合材料增材制造工艺，进行集成机械激励元件的器官芯片阵列的一体化制造。由于喷墨和直写增材制造工艺相对于软光刻与激光加工的高效性与稳定性，其能制造多材料复合的结构，大大缩短了制造周期与成本。
[0028]本专利技术采用集成机械激励元件的器官芯片，不同于传统的通过夹具加载拉伸方式，集成机械激励元件可进行复数个片上拉伸；不同于长流道的设计，通过柔性铰链连接柔性柱与外部硬质框架，通过微柱结构约束包裹着细胞的凝胶，可有效减少细胞的损耗并提升形变的均匀性。
[0029]本专利技术采用阵列化基片与基片基座来定位复数个器官芯片，使得外部设备与器官
芯片能够更便利的连接，为高通量药物检测提供硬件基础。
附图说明
[0030]图1为器官芯片截面示意图；
[0031]图2为器官芯片流道示意图；
[0032]图3为弹性膜和柔性柱动作原理图；
[0033]图4为器官芯片示意图；
[0034]图5为基片局部流道示意图
[0035]图6为阵列化基片示意图；
[0036]图7为一体化器官芯片
‑
阵列化基片制造示意图；
[0037]图8为集成器官芯片阵列整体示意图；
[0038]图9为实验测试弹性膜变形与腔内负压关系图；
[0039]其中：10、外壳，11、顶板，12、侧板，20、主体，21、第一腔，22、第二腔，23、细胞接种区，24、培养区，25、弹性膜，26、微柱结构，27、柔性柱，28a、培养液入口，28b、培养液出口，28c、细胞接种口，28d、第一气口，28e、第二气口，29、柔性铰链，30、基片， 31、培养液入口流道，32、培养液出口流道，33、细胞接种口流道，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种集成机械激励的器官芯片，其特征在于：包括外壳和主体，该主体设有第一腔和两空槽；该第一腔分成细胞接种区和两培养区，该细胞接种区用于接种包裹着细胞的凝胶，该两培养区分别位于细胞接种区的前后侧以用于灌注培养液为细胞提供营养物质，且细胞接种区与两培养区之间分别设有微柱结构以阻挡凝胶扩散使得细胞集中于细胞接种区并形成3D结构，第一腔底面设有弹性膜；两空槽分别位于主体的左右两侧，该外壳罩设于主体外且与空槽形成有第二腔，且第一腔和第二腔交界处设置有柔性柱；通过作用第二腔使其产生负压带动柔性柱形变使得弹性膜变形对细胞产生机械激励。2.如权利要求1的一种集成机械激励的器官芯片，其特征在于：所述外壳设有顶板和至少两侧板，其中两侧板位于主体左右侧以分别封闭对应的空槽；所述主体顶部的厚度、外壳的侧板的厚度均大于所述主体底部的厚度；所述柔性柱顶端与所述主体顶部相连，所述柔性柱底端与所述主体底部相连，所述第二腔产生负压时，两所述压柔性柱底端相对背向移动实现形变。3.如权利要求1所述的一种集成机械激励的器官芯片，其特征在于：所述主体在所述第一腔和第二腔交界处还设有两柔性铰链，所述柔性柱前后端分别与该两柔性铰链相连。4.如权利要求1所述的一种集成机械激励的器官芯片，其特征在于：所述微柱结构包括若干微柱，相邻微柱之间距离为20μm
‑
150μm。5.如权利要求1所述的一种集成机械激励的器官芯片，其特征在于：所述主体顶部还设有培养液入口、培养液出口、细胞接种口、第一气口和第二气口，该培养液入口与其中一所述培养区连通，该培养液出口与另一所述培养区连通；该细胞接种口与所述细胞接种区连通；该第一气口与其中一所述第二腔连通，该第二气口与另一所述第二腔连通。6.一种集成机械激励的器官芯片集成阵列，包括基片，其特征在于：还包括若干阵列分布于基片上的权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙道恒，许丰，金航，邱彬，刘玲玲，屠文昌，陈松月，何功汉，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：