CN111575187A - 一种多器官芯片及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于器官芯片领域，具体公开了一种多器官芯片及其使用方法，所述芯片由三个部分组成，包括一个可***芯片的主体结构（100），一个盖子结构（200），以及至少一个可以***在主体结构内的薄片状芯片（300）。其中所述主体结构（100）和盖子结构（200）可以组合，并在其中形成一个密封的腔室；同时，所述的薄片状芯片（300）可以***在所述的密封腔室内，并将该腔室分割成若干个独立空间。本发明所设计的芯片灵活多变，每个独立空间培养的细胞可以通过多孔膜进行物质交换，可以应用于生物医学、新药研发、毒理学等领域的研究工作。

Description

一种多器官芯片及其使用方法

技术领域

本发明属于器官芯片领域，具体公开了一种多器官芯片及其使用方法。

背景技术

目前研究人员正在研发塑料芯片上的人类器官微缩模型，并认为这项叫做器官芯片的技术可以作为动物模型的替代品。虽然这个目标依然很遥远，但随着大型医药公司开始在药物研发中使用这些体外***，该技术越来越受到关注。器官芯片的支持者宣称，和生长在培养皿中的平坦薄层细胞相比较，芯片是更接近人体实际的模型，也比动物模型对药物的研发和检验更有用。譬如，肺部芯片会由一层细胞组成，一面浸浴在类似于血液的培养液中，另一面则暴露在空气中，并与一台拉伸、压缩这些细胞的机器相连接以模仿呼吸运动。随着研究的深入，多种不同的器官芯片已经被研发出来，包括，肝、肠、肺、血管、血脑屏障、肾等。基于以上基础，更具集成化的多器官芯片，甚至人体芯片也成为器官芯片发展的主要方向之一。

虽然现在已经有研究者设计了多种多器官芯片，然而这些芯片仍然以流通通道为主，因此在细胞接种过程中需要将细胞悬液注入到微通道内。这种操作在一定程度上增加了使用者的操作复杂程度，从而造成细胞接种不均匀、交叉污染等问题。此外，目前器官芯片主要还是以弹性材料PDMS为主，生产周期较长、成本较高，同时、芯片还需要封接、打孔、插管等繁琐操作，非常的用户不友好。

现有的器官芯片基本都是针对性的开发，这种“专用”芯片极大的限制了实验设计的灵活性，同时，增加了芯片设计制备的成本。

发明内容

针对以上不足，本发明公开了一种多器官芯片及其使用方法，薄片状的芯片可以嵌入现有培养皿或孔板中，不会改变常规细胞培养操作习惯。薄片表面的多种设计可以满足不同细胞的培养方式，多孔膜的存在可以实现不同细胞间的物质交换，插拔式的组装方式灵活多变，可以满足多种实验设计。

本发明的技术方案如下：

一种多器官芯片，所述芯片由三个部分组成，包括一个可***芯片的主体结构，主体结构侧方的盖子结构，以及至少一个可以***在主体结构内的薄片状芯片；所述主体结构和盖子结构可以组合，并在其中形成密封的腔室；所述的薄片状芯片可以***在所述的密封腔室内，并将该腔室分割成若干个独立空间；所述主体结构和盖子结构上分别设有若干个对应的主体侧通孔和盖子侧通孔，上述通孔可以用于连接培养基的流入端和流出端；所述主体结构和盖子结构内部含有若干个对应的主体侧卡槽结构和盖子侧卡槽结构，所述卡槽结构用于***所述薄片状芯片。

进一步的，上述一种多器官芯片，所述薄片状芯片为圆形、正方形或长方形；所述主体结构与盖子结构组合后的封闭腔室结构与所述薄片状芯片相匹配，使得薄片状芯片之间形成的独立空间密闭；所述卡槽结构为硬质结构或弹性结构。

进一步的，上述一种多器官芯片，所述主体结构和盖子结构的组合方式选自卡扣式、螺帽螺柱连接或外置夹具配合密封垫片。

进一步的，上述一种多器官芯片，所述通孔的直径为100-2000微米；所述通孔外侧设有对应的接头结构，其外径为1-3毫米，所述接头可为鲁尔接头或宝塔样接头。

进一步的，上述一种多器官芯片，所述芯片内部的外缘设有与所述卡槽结构对应的凸起结构。

进一步的，上述一种多器官芯片，所述薄片状芯片为圆形时，其直径为9-70毫米；所述薄片状芯片为正方形或长方形时，其边长为9-70毫米，所述薄片状芯片的厚度为200-2000微米，所述凸起结构的宽度为200-500微米，高度为200-2000微米。

进一步的，上述一种多器官芯片，所述芯片内部的表面为微孔阵列结构、多孔膜结构或实心结构。

进一步的，上述一种多器官芯片，所述微孔阵列结构中的微孔为柱状或椎状，所述微孔口径为200-1500微米，深度为200-1000微米。

进一步的，上述一种多器官芯片，所述多孔膜结构中的多孔膜的厚度为10-150微米，孔径为0.45-10微米。

进一步的，上述一种多器官芯片，所述多器官芯片的制造材料选自PC、PMMA、PS、PET中的一种或多种。

进一步的，上述多器官芯片的使用方法，包括以下步骤：

（1）将所述多器官芯片的每个部件进行灭菌处理，方法包括但不限于以下方法：酒精、消毒水、射线灭菌、气体灭菌；

（2）将所述薄片状芯片置于细胞培养皿或孔板内，再接种所需细胞，其中含有微孔阵列和实心结构的只能接种一种细胞，含有多孔膜结构的芯片可以在芯片两侧分别接种两种细胞；

（3）待细胞接种好后，移去培养基，将薄片状芯片取出，再***到主体结构的卡槽结构内；

（4）将盖子结构与主体结构进行连接；

（5）将流体导管连接到组合后的通孔的接头上，并开始所需的灌流培养。

根据以上技术方案可知，本发明至少有以下有益效果：本发明公开的一种多器官芯片在接种细胞时，可以将所述薄片状芯片放置在细胞培养皿或孔板内进行。待细胞接种完成后，将含有细胞的薄片状芯片按照需设计的顺序***到主体结构内，再用盖子结构进行组合，并形成不同细胞的独立培养空间。最后将培养基导管与通孔连接，并开始灌流培养。本发明所设计的芯片灵活多变，每个独立空间培养的细胞可以通过多孔膜进行物质交换，可以应用于生物医学、新药研发、毒理学等领域的研究工作。

附图说明

附图1为一种多器官芯片组装前主体结构的侧视示意图；

附图2为一种多器官芯片组装前盖子结构的侧视示意图；

附图3为一种多器官芯片组装前薄片状芯片的侧视示意图；

附图4为一种多器官芯片组装后的示意图；

附图5为一种多器官芯片带有微孔阵列结构的薄片状芯片的示意图；

附图6为一种多器官芯片带有多孔膜结构的薄片状芯片的示意图；

附图7为一种多器官芯片带有实心结构的薄片状芯片示意图；

其中：100主体结构、101主体侧通孔、102主体侧卡槽结构、200盖子结构、201盖子侧通孔、202盖子侧卡槽结构、300薄片状芯片、301芯片内部、302凸起结构、303微孔阵列结构、304多孔膜结构、305实心结构。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例1

如图1-4所示，一种多器官芯片，所述芯片由三个部分组成，包括一个可***芯片的主体结构100，一个盖子结构200，以及至少一个可以***在主体结构100内的薄片状芯片300；所述主体结构100和盖子结构200可以组合，并在其中形成密封的腔室；所述的薄片状芯片300可以***在所述的密封腔室内，并将该腔室分割成若干个独立空间；所述主体结构100和盖子结构200上分别设有若干个对应的主体侧通孔101和盖子侧通孔201，上述通孔可以用于连接培养基的流入端和流出端；所述主体结构100和盖子结构200内部含有若干个对应的主体侧卡槽结构102和盖子侧卡槽结构202，所述卡槽结构用于***所述薄片状芯片300；进一步的，所述薄片状芯片300为圆形、正方形或长方形；所述主体结构100与盖子结构200组合后的封闭腔室结构与所述薄片状芯片300相匹配，使得薄片状芯片300之间形成的独立空间密闭；所述卡槽结构为硬质结构或弹性结构；优选的，所述主体结构100和盖子结构200的组合方式选自卡扣式、螺帽螺柱连接或外置夹具配合密封垫片；特别的，所述通孔的直径为100-2000微米；所述通孔外侧设有对应的接头结构，其外径为1-3毫米，所述接头可为鲁尔接头或宝塔样接头；优选的，所述薄片状芯片300包括芯片内部301，所述芯片内部301的外缘设有与所述卡槽结构对应的凸起结构302；进一步的，所述薄片状芯片300为圆形时，其直径为9-70毫米；所述薄片状芯片300为正方形或长方形时，其边长为9-70毫米，所述薄片状芯片300的厚度为200-2000微米，所述凸起结构302的宽度为200-500微米，高度为200-2000微米；进一步的，所述芯片内部301的表面为微孔阵列结构303、多孔膜结构304或实心结构305。

工作时，将未组装的各部件进行灭菌，随后将细胞接种在薄片状芯片300上，将接种好的若干薄片状芯片300***到主体结构100中，并将盖子结构200连接上，通过主体侧通孔101和盖子侧通孔201进行培养基的灌注和排出，形成若干个相对独立的培养空间，成为多器官芯片。

实施例2

结合附图5，如实施例1所述的一种多器官芯片，所述芯片内部301的表面为微孔阵列结构303，所述微孔阵列结构303中的微孔为柱状或椎状；所述微孔口径为200-1500微米，深度为200-1000微米。

实施例3

结合附图6，如实施例1所述的一种多器官芯片，所述芯片内部301的表面为多孔膜结构304，所述多孔膜结构304中的多孔膜的厚度为10-150微米，孔径为0.45-10微米。

实施例4

结合附图7，如实施例1所述的一种多器官芯片，所述芯片内部301的表面为实心结构305。

实施例5

本实施例为构建类脑芯片的使用方法，本实施例将会培养三种细胞，需要两个独立空间即可完成，因此选用实施例2中所述的表面具有微孔阵列结构303的薄片状芯片300一片，实施例3中含有多孔膜结构304的薄片状芯片300一片，以及实施例4中的实心结构305的薄片状芯片300一片。

具体按照以下步骤进行：

（1）将上述所选的薄片状芯片300进行紫外灭菌处理；

（2）将表面具有微孔阵列结构303的薄片状芯片300放置在孔板中；

（3）将多潜能干细胞接种在该薄片状芯片300的微孔中，待形成细胞球后进行诱导，分化后形成类脑组织；

（4）待类脑组织诱导形成后，将含有多孔膜结构304的薄片状芯片300放置在另一孔板中；先在多孔膜的一侧接种星形胶质细胞，再在多孔膜的另一侧接种血管内皮细胞；

（5）芯片组装，移去所有培养基，首先将培养有类脑组织的薄片状芯片300***主体结构100的最底层，再将接种两种细胞的含有多孔膜结构304的薄片状芯片300***主体结构100的从底向上数的第二层卡槽内，注意保持星形胶质细胞面朝下；接着将不含细胞的实心结构305的薄片状芯片300***到从底向上数的第三层卡槽内，最后将盖子结构200连接上；

（6）将流体导管连接到主体结构100和盖子结构200的主体侧通孔101和盖子侧通孔201，并开始所需的灌流培养，即形成一种类脑器官与血脑屏障联用芯片，可以用于考察药物分子透过血脑屏障作用于脑的过程。

实施例6

本实施例为构建肠-肝-肿瘤芯片的使用方法，本实施例将会培养五种细胞，需要三个独立空间即可完成，因此本实施例将选用实施例3中所述的含有多孔膜结构304的薄片状芯片300两片，以及实施例4中实心结构305的薄片状芯片300两片，具体按照以下步骤进行：

（1）将所述所选的芯片部件进行紫外灭菌处理；

（2）将两片含有多孔膜结构304的薄片状芯片300和一片实心结构305的薄片状芯片300放置在细胞培养孔板内进行细胞接种，其中一片实心结构305的薄片状芯片300的一面上接种卵巢癌细胞，一片含有多孔膜结构304的薄片状芯片300的多孔膜两侧分别接种肠细胞Caco2和血管内皮细胞，另一片含有多孔膜结构304的薄片状芯片的多孔膜两侧分别接种肝细胞HepG2和血管内皮细胞；

（3）待所有细胞接种完成后进行组装。将接种有卵巢癌细胞的薄片状芯片300***到主体结构100的最底层，含有细胞的面朝上；再将接种肝细胞和血管内皮细胞的薄片状芯片300***到主体结构100从底向上数的第二层卡槽内，接种血管内皮细胞面朝下，再将接种肠细胞和血管内皮细胞的薄片状芯片300***到主体结构100从底向上数的第三层卡槽内，接种血管内皮细胞面朝下，接着将不含细胞的实心结构305的薄片状芯片300***到从底向上数的第四层卡槽内，最后将盖子结构200连接上；

（4）将流体导管连接到主体结构100和盖子结构200的主体侧通孔101和盖子侧通孔201，并开始所需的灌流培养，即形成了一种肠-肝-肿瘤器官联用芯片，可以用于考察药物的吸收，代谢与***的效果评价。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，不能以此限定本发明的保护范围，即大凡依本发明权利要求书及发明内容所做的简单的等效变化与修改，皆仍属于本发明专利申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种多器官芯片，其特征在于，所述芯片由三个部分组成，包括一个可***芯片的主体结构（100），主体结构（100）侧方的盖子结构（200），以及至少一个可以***在主体结构（100）内的薄片状芯片（300）；所述主体结构（100）和盖子结构（200）可以组合，并在其中形成密封的腔室；所述的薄片状芯片（300）可以***在所述的密封腔室内，并将该腔室分割成若干个独立空间；所述主体结构（100）和盖子结构（200）上分别设有若干个对应的主体侧通孔（101）和盖子侧通孔（201），上述通孔可以用于连接培养基的流入端和流出端；所述主体结构（100）和盖子结构（200）内部含有若干个对应的主体侧卡槽结构（102）和盖子侧卡槽结构（202），所述卡槽结构用于***所述薄片状芯片（300）。

2.根据权利要求1所述的一种多器官芯片，其特征在于，所述薄片状芯片（300）为圆形、正方形或长方形；所述主体结构（100）与盖子结构（200）组合后的封闭腔室结构与所述薄片状芯片（300）相匹配，使得薄片状芯片（300）之间形成的独立空间密闭；所述卡槽结构为硬质结构或弹性结构。

3.根据权利要求1所述的一种多器官芯片，其特征在于，其特征在于，所述主体结构（100）和盖子结构（200）的组合方式选自卡扣式、螺帽螺柱连接或外置夹具配合密封垫片。

4.根据权利要求1所述的一种多器官芯片，其特征在于，所述通孔的直径为100-2000微米；所述通孔外侧设有对应的接头结构，其外径为1-3毫米，所述接头可为鲁尔接头或宝塔样接头。

5.根据权利要求1所述的一种多器官芯片，其特征在于，所述薄片状芯片（300）包括芯片内部（301），所述芯片内部（301）的外缘设有与所述卡槽结构对应的凸起结构（302）。

6.根据权利要求5所述的一种多器官芯片，其特征在于，所述薄片状芯片（300）为圆形时，其直径为9-70毫米；所述薄片状芯片（300）为正方形或长方形时，其边长为9-70毫米，所述薄片状芯片（300）的厚度为200-2000微米，所述凸起结构（302）的宽度为200-500微米，高度为200-2000微米。

7.根据权利要求5所述的一种多器官芯片，其特征在于，所述芯片内部（301）的表面为微孔阵列结构（303）、多孔膜结构（304）或实心结构（305）。

8.根据权利要求7所述的一种多器官芯片，其特征在于，所述微孔阵列结构（303）中的微孔为柱状或椎状；所述微孔口径为200-1500微米，深度为200-1000微米；所述多孔膜结构（304）中的多孔膜的厚度为10-150微米，孔径为0.45-10微米。

9.根据权利要求1-8任一项所述的一种多器官芯片，其特征在于，所述多器官芯片的制造材料选自PC、PMMA、PS、PET中的一种或多种。

10.根据权利要求7或8所述的多器官芯片的使用方法，包括以下步骤：

（1）将所述多器官芯片的每个部件进行灭菌处理，方法包括但不限于以下方法：酒精、消毒水、射线灭菌、气体灭菌；

（2）将所述薄片状芯片（300）置于细胞培养皿或孔板内，再接种所需细胞，其中含有微孔阵列和实心结构的只能接种一种细胞，含有多孔膜结构的芯片可以在芯片两侧分别接种两种细胞；

（3）待细胞接种好后，移去培养基，将薄片状芯片（300）取出，再***到主体结构（100）的卡槽结构内；

（4）将盖子结构（200）与主体结构（100）进行连接；

（5）将流体导管连接到组合后的通孔的接头上，并开始所需的灌流培养。

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