生理仿真三维心脏器官芯片系统及其制备方法和应用技术方案

本发明专利技术涉及一种生理仿真三维心脏器官芯片系统及其制备方法和应用，其中生理仿真三维心脏器官芯片系统包括芯片主体

【技术实现步骤摘要】
生理仿真三维心脏器官芯片系统及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及一种生理仿真三维心脏器官芯片，尤其是涉及一种具有机电测试功能的生理仿真三维心脏器官芯片系统及其制备方法和应用
。

技术介绍

[0002]组织工程领域大约在四十年前因为工程学和生命科学的融合而出现，其总体的目标是提供生物替代品，从而修复因损伤或疾病而失去的天然组织
。
心脏组织工程一直是该领域的一个主要焦点，由于成人心脏缺乏再生能力，因此努力通过植入细胞和生物工程收缩性心脏贴片来恢复受损的心肌
。
基于人类诱导的多能干细胞三维心脏类器官和心脏芯片系统现已成为基础心血管研究的支柱，成为研究基本人类病理生理学和发育的宝贵平台
。
然而，在该领域真正走向商业和临床转化之前，仍有需要解决的障碍
。
在以往的报道中，虽然依据对心肌细胞的形态学
、
基因蛋白表达和功能方面的研究结果都显示组织工程的心肌细胞比经典
2D
培养的心肌细更加成熟，但是单纯的
3D
培养的心肌细胞排列不整齐，并且与成熟的心肌组织相比，其发育成熟性较低，跳动或收缩力的产生是心脏发育和一般心脏功能的关键组成部分
。
体外的微组织的收缩力目前只能达到
5kPa
，而天然人心脏组织的收缩力约为
15
‑
30kPa。
施加机械刺激旨在增强心肌细胞的前负荷，从而通过生理肥大途径增加心肌细胞的成熟性和收缩力
>。
细胞的大部分电生理特性来自于细胞膜，细胞膜的特性来自于细胞膜上的脂质和蛋白质中获得其特性
。
与其他组织一样，心肌细胞膜上的离子通道和转运蛋白等蛋白质结构维持并改变存在于细胞膜内外之间的电势，心肌细胞的动作电位由窦房结中的起搏细胞启动，通过称为间隙连接的蛋白结构从一个细胞传播到下一个细胞，允许离子在相邻细胞之间通过，从而允许整个组织有节奏和同步收缩
。
心脏动作电位在人类中每分钟发生
60
至
80
次，并作为心肌细胞收缩的持续刺激源，因此，这种刺激在心肌的生长
、
发育
、
维持甚至功能障碍中起着关键作用电刺激能够增强体外心肌组织中细胞的功能耦合和同步收缩，是诱导心肌细胞同步收缩的关键参数
。
[0003]心肌病的动物模型无法真实再现人类心肌病的特征，难以为药物筛选提供准确完整的生物学信息
。
心血管研究的体外实验方面主要依靠的还是细胞的二维
(two dimensional,2D)
静态培养，但是
2D
培养的心肌细胞无法重现心肌细胞在体内的排列方向和心脏组织的病理生理环境
。
细胞的三维
(three dimensional,3D)
培养可以更好地模仿体内心肌细胞的微环境，有助于心肌细胞在体外生长排列的方向性
。
生理仿真三维心脏器官芯片可以模拟细胞和组织的生物力学和体内环境，以及微环境与细胞之间的相互作用
。
但现有技术在在生理仿真
、
控制和测量以及材料选择等方面均存在一些困难，即难以建立一个能够实现上述效果的标准化测试系统
。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种具有机电测试功能的生理仿真三维心脏器官芯片系统及其制备方法和应用，构建了生理仿真三维心脏器
官芯片的模型，可以更好的模拟心肌细胞体内的病理生理环境，促进心肌细胞进一步发育成熟，在生理仿真
、
三维结构
、
控制和测量以及材料选择等方面解决了现有技术中的困难，建立一个能够实现上述效果的标准化测试系统，为心脏研究和治疗提供了新的工具和方法
。
[0005]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0006]本专利技术第一方面提供一种具有机电测试功能的生理仿真三维心脏器官芯片系统，包括芯片主体
、
机械刺激装置
、
电刺激装置，其中具体地：
[0007]芯片主体，所述芯片主体包括相互密合的芯片上层和芯片下层，所述芯片上层中设有液道，所述芯片下层中设有胶道，所述液道与所述胶道相通，所述胶道用于装载
GelMA
‑
细胞混合物，所述液道用于转载培养液；
[0008]机械刺激装置，与所述芯片主体两端连接，以此提供拉伸力和压紧力；
[0009]电刺激装置，用于向芯片主体输出电刺激
。
[0010]进一步地，所述芯片上层和芯片下层均为聚二甲基硅氧烷材料
。
[0011]进一步地，所述液道为开设于芯片上层中的方向槽；
[0012]所述胶道为开设于芯片下层中的方向槽
。
[0013]进一步地，所述芯片上层上设有流入通道和流出通道；
[0014]所述芯片上层上还设有碳棒和铂丝
。
[0015]进一步地，所述电刺激装置为程控电刺激器，所述程控电刺激器的正极和负极分别与所述铂丝和碳棒连接；
[0016]所述程控电刺激器根据预设的程序和参数，向芯片主体以电流
、
频率
、
脉冲宽度或波形等方式发送电刺激信号
。
[0017]进一步地，所述胶道中设有微型柱
。
[0018]进一步地，所述机械刺激装置为2个气动滑轨，2个气动滑轨的输出端与分别与所述芯片主体的两端连接
。
[0019]本专利技术第二方面提供一种如上述生理仿真三维心脏器官芯片系统的制备方法，包括以下步骤：
[0020]S1
：将聚二甲基硅氧烷材料注入模具中，分别制得芯片上层和芯片下层；
[0021]S2
：在芯片上层上按照铂丝和碳棒；
[0022]S3
：密合粘粘得芯片上层和芯片下层，将贴好的芯片烘干；
[0023]S4
：配置1～
3mg/ml
的多巴胺溶液，注入胶道，静置至少
24h
；
[0024]S5
：将聚多巴胺液体吸出，再用无菌水冲洗，烘干，安装流入通道和流出通道；
[0025]S6
：连接机械刺激装置和电刺激装置，完成生理仿真三维心脏器官芯片系统的安装
。
[0026]本专利技术第三方面提供一种如上述生理仿真三维心脏器官芯片系统的应用，包括以下步骤：
[0027]T1
：将心肌细胞以1×
107/ml
的细胞密度与
GelMA
溶液混合，抽入至无菌注射器中，再加入胶道中；
[0028]T2
：紫外照射，使得
GelMA
溶液固化；
[0029]T3
：向液道加入
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种具有机电测试功能的生理仿真三维心脏器官芯片系统，其特征在于，包括：芯片主体
(1)
，所述芯片主体
(1)
包括相互密合的芯片上层
(11)
和芯片下层
(12)
，所述芯片上层
(11)
中设有液道
(111)
，所述芯片下层
(12)
中设有胶道
(121)
，所述液道
(111)
与所述胶道
(121)
相通，所述胶道
(121)
用于装载
GelMA
‑
细胞混合物，所述液道
(111)
用于转载培养液；机械刺激装置
(2)
，与所述芯片主体
(1)
两端连接，以此提供拉伸力和压紧力；电刺激装置
(3)
，用于向芯片主体
(1)
输出电刺激
。2.
根据权利要求1所述的一种具有机电测试功能的生理仿真三维心脏器官芯片系统，其特征在于，所述芯片上层
(11)
和芯片下层
(12)
均为聚二甲基硅氧烷材料
。3.
根据权利要求1所述的一种具有机电测试功能的生理仿真三维心脏器官芯片系统，其特征在于，所述液道
(111)
为开设于芯片上层
(11)
中的方向槽；所述胶道
(121)
为开设于芯片下层
(12)
中的方向槽
。4.
根据权利要求1所述的一种具有机电测试功能的生理仿真三维心脏器官芯片系统，其特征在于，所述芯片上层
(11)
上设有流入通道
(112)
和流出通道
(113)
；所述芯片上层
(11)
上还设有碳棒和铂丝
。5.
根据权利要求4所述的一种具有机电测试功能的生理仿真三维心脏器官芯片系统，其特征在于，所述电刺激装置
(3)
为程控电刺激器，所述程控电刺激器的正极和负极分别与所述铂丝和碳棒连接；所述程控电刺激器根据预设的程序和参数，向芯片主体
(1)
以电流
、
频率
、
脉冲宽度或波形等方式发送电刺激信号
。6.
根据权利要求1所述的一种具有机电测试功能的生理仿真三维心脏器官芯片系统，其特征在于，所述胶道
(121)
中设有微型柱
。7.
根据权利要求1所述的一种具有机电测试功能的生理仿真三维心脏器官芯片系统，其特征在于，所述机械刺激装置
(2)
为2个气动滑轨，2个气动滑轨的输出端与分别与所述芯片主体
(1)
的两端连接
。8.
一种如权利要求1至7中任意一项所述生理仿真三维心脏器官芯片系统的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1
：将聚二甲基硅氧...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙晓宁，袁莉，朱铠，马文锐，刘峻江，殷秀杰，刘刚，王春生，
申请(专利权)人：复旦大学附属中山医院，
类型：发明
国别省市：