用于高通量药物测试的类器官芯片装置及其使用方法

1.本发明涉及器官芯片技术领域，具体地，涉及一种用于高通量药物测试的类器官芯片装置及其使用方法。


背景技术：

2.类器官是一种由干细胞或者祖细胞衍生的，包含多种细胞类型的3d结构，能够表现出细胞所属器官的某些生理结构和功能特征。与传统的细胞培养体系和动物模型相比，用类器官构建人体生理病理模型具有如下优势：(1)3d培养环境中的类器官可以向各个方向发展，因此可以模拟体内器官发育和形态特征；(2)源于人体的类器官可以稳定地保持体内特性，即使经过多次传代，也不会发生任何显著的生理变化；(3)有些类器官(如胃肠道类器官)较为容易构建，可通过胃肠道活检中分离的上皮隐窝来构建，并且隐窝可以在10天内长成隐窝绒毛结构；(4)研究人员可以体外校正或者改变类器官中的基因组，使得类器官在药物筛选和个性化医疗方面具有重大潜力。
3.然而，传统的类器官培养还具有一些问题：(1).类器官内部营养供应、气体交换和废物清除受限；(2).传统的类器官培养技术有限，导致制备的类器官缺乏均一性和可重复性，使其难以用于药物毒性测试或高通量筛选；(3).类器官制备高度依赖于人工，所以会出现批次差异问题，不利于药物测试的可重复性。当前的微流控芯片通常使用聚二甲基硅氧烷(pdms)和有机玻璃(pmma)材料，pdms芯片往往尺寸比较小，通过氧等离子方式键合成一次性的芯片，制备过程比较麻烦。pmma芯片尺寸相对较大，更有利于为类器官提供充足的生长空间，且可以重复使用，而目前pmma芯片的密封方式主要是通过用多个螺丝钉固定，这种受力点较小的固定方式往往会出现密封不紧现象。
4.经现有技术检索发现，中国发明专利公告号为cn100439514c，公开了一种细胞差异表达与基因测试复合微流芯片，其特征在于该芯片由细胞培养单元和核酸分离单元和/或蛋白分离单元构成，在细胞培养单元与核酸分离单元和/或蛋白分离单元之间增设固相萃取单元，固相萃取单元为一段灌注硅凝胶的微通道。该专利技术就存在上述相关问题。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种用于高通量药物测试的类器官芯片装置及其使用方法。
6.根据本发明提供的一种用于高通量药物测试的类器官芯片装置，包括芯片组件和固定组件，所述芯片组件通过所述固定组件环绕固定设置；
7.所述芯片组件包括从上到下依次设置的上层芯片、密封膜以及下层芯片，所述上层芯片上设有第一主通道、特斯拉微混合器、汇集通道以及第一出口通道，所述特斯拉微混合器设有多个，多个所述特斯拉微混合器的通道入口均与所述第一主通道连接，所述第一进口通道与第一主通道连通，所述特斯拉微混合器的通道出口与所述汇集通道连通，所述第一出口通道与所述汇集通道连通；
8.所述密封膜上开设有镂空区，所述下层芯片上设有类器官培养室，所述镂空区分别对应所述汇集通道和所述类器官培养室设置。
9.一些实施方式中，所述芯片组件还包括多孔膜，所述多孔膜设置在所述密封膜与所述下层芯片之间，所述多孔膜对应所述镂空区设置，所述多孔膜的下表面覆盖于所述类器官培养室的上方，所述多孔膜的上表面设置于汇集通道的下方，所述多孔膜上设置有多个开孔。
10.一些实施方式中，所述上层芯片的底面设有大于等于三个凹陷的特斯拉微混合器，所述特斯拉微混合器并联设置在所述第一主通道一侧，所述第一进口通道均位于相邻特斯拉微混合器的中部，所述第一进口通道的端部设置有第一入口。
11.一些实施方式中，所述特斯拉微混合器包括多级特斯拉微混合器，多级所述特斯拉微混合器之间依次串联连接，前一级任一所述特斯拉微混合器的出口通道位于后一级相邻所述特斯拉微混合器的进口通道的中部，后一级所述特斯拉微混合器的个数比前一级所述特斯拉微混合器的个数多一个，所述汇集通道设有多个，多个所述汇集通道分别与最后一级的所述特斯拉微混合器连通设置，所述汇集通道上分别连通所述第一出口通道，所述第一出口通道的端部设有第一出口。
12.一些实施方式中，所述固定组件包括多个固定支架，所述固定支架设有四个，四个所述固定支架分别设置在所述芯片组件的四周。
13.一些实施方式中，所述固定支架包括固定板、活动板以及螺丝钉，所述固定板包括顶板、底板以及连接板，所述顶板与所述底板设置在所述连接板两侧形成u型结构设置，所述活动板活动设置在所述固定板的u型开槽内，所述螺丝钉贯穿所述固定板连接至所述活动板，所述活动板与所述底板的距离通过所述螺丝钉的转动而改变，所述芯片组件设置在所述活动板与所述底板之间。
14.一些实施方式中，所述多孔膜的尺寸大于所述镂空区的尺寸，所述多孔膜采用聚碳酸酯膜或聚酯膜。
15.一些实施方式中，所述密封膜为硅胶膜或者pdms膜。
16.一些实施方式中，所述类器官培养区的深度大于等于1mm。
17.本发明还提供一种用于高通量药物测试的类器官芯片装置的使用方法，把细胞与细胞外基质混合后加入到所述下层芯片的所述类器官培养室中，待细胞外基质成为凝胶后，将所述芯片组件通过所述固定组件进行固定；从所述第一入口注入类器官培养基，所述类器官培养基经过分流从第一出口流出，所述汇集通道的培养基可以经过多孔膜渗入到所述类器官培养室；所述第一入口中的其中一个入口注入含有待测药物的培养基，所述第一入口中的另外一个入口注入不含药物的培养基，两种所述培养基在所述上层芯片的通道中流动混合，最终形成多个药物浓度梯度；不同的药物浓度进入到所述类器官培养区，培养一定时间后，将芯片拆开进行下一步的分析。
18.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
19.1、本发明设置上层芯片和下层芯片，为类器官的培养提供稳定的流动微环境，还能自动形成药物浓度梯度，培养后直接进行药物测试，为实现类器官自动化高通量分析提供了重要参考价值，为类器官药物测试提供了商业应用潜力；
20.2、本发明设置多级特斯拉微混合器通道，自动形成多种药物浓度梯度，能够实现
类器官的高通量分析；
21.3、本发明设置多孔膜，将类器官培养区与汇集通道用多孔膜隔开，在提供微流动的同时降低直接流体剪切力，以防止将含有细胞的凝胶冲走；
22.4、本发明通过在芯片组件四周设置固定组件，使得受力部位是芯片的整个外围，使得受力更均匀，不易出现液体泄漏现象。
附图说明
23.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
24.图1为本发明用于高通量药物测试的类器官芯片装置的结构示意图；
25.图2为本发明上层芯片的结构示意图；
26.图3为本发明上层芯片的局部放大图；
27.图4为本发明下层芯片的结构示意图；
28.图5为本发明密封膜的结构示意图；
29.图6为本发明多孔膜的结构示意图；
30.图7为本发明固定支架的结构示意图；
31.图8为本发明用于高通量药物测试的类器官芯片装置的组合示意图；
32.附图标记：
33.具体实施方式
34.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
35.如图1所示为用于高通量药物测试的类器官芯片装置的结构示意图，包括芯片组件和固定组件，芯片组件通过固定组件环绕固定设置。
36.芯片组件包括从上到下依次设置的上层芯片1、密封膜2以及下层芯片3，如图2所示为上层芯片1的结构示意图，如图3所示为上层芯片1的局部放大图，上层芯片1上设有第一主通道11、特斯拉微混合器14、汇集通道15以及第一出口通道16，特斯拉微混合器14设有多个，多个特斯拉微混合器14的通道入口均与第一主通道11连接，第一进口通道12与第一主通道11连通，特斯拉微混合器14的通道出口与汇集通道15连通，第一出口通道16与汇集通道15连通；
37.如图5所示为密封膜2的结构示意图，密封膜2上开设有镂空区，在本实施例中，密封膜2为硅胶膜或者pdms膜。如图4所示为下层芯片3的结构示意图，下层芯片3上设有类器官培养室31，类器官培养区的深度大于等于1mm，以保证类器官的生长空间。镂空区分别对应汇集通道15和类器官培养室31设置。
38.如图6所示为多孔膜4的结构示意图，芯片组件还包括多孔膜4，多孔膜4设置在密封膜2与下层芯片3之间，多孔膜4对应镂空区设置，多孔膜4的下表面覆盖于类器官培养室31的上方，多孔膜4的上表面设置于汇集通道15的下方，多孔膜4上设置有多个开孔，可根据实际需求选用相应合适的开孔的孔径尺寸。多孔膜4的尺寸大于镂空区的尺寸，在本实施例中，多孔膜4采用聚碳酸酯膜或聚酯膜。
39.上层芯片1的底面设有大于等于三个凹陷的特斯拉微混合器14，特斯拉微混合器14并联设置在第一主通道11一侧，第一进口通道12均位于相邻特斯拉微混合器14的中部，第一进口通道12的端部设置有第一入口13。
40.特斯拉微混合器14包括多级特斯拉微混合器14，多级特斯拉微混合器14之间依次串联连接，前一级任一特斯拉微混合器14的出口通道位于后一级相邻特斯拉微混合器14的进口通道的中部，后一级特斯拉微混合器14的个数比前一级特斯拉微混合器14的个数多一个，汇集通道15设有多个，多个汇集通道15分别与最后一级的特斯拉微混合器14连通设置，汇集通道15上分别连通第一出口通道16，第一出口通道16的端部设有第一出口17。
41.固定组件包括多个固定支架5，固定支架5设有四个，四个固定支架5分别设置在芯片组件的四周。如图7所示为固定支架5的结构示意图，固定支架5包括固定板53、活动板52以及螺丝钉51，固定板53包括顶板531、底板532以及连接板533，顶板531与底板532设置在连接板533两侧形成u型结构设置，活动板52活动设置在固定板53的u型开槽内。
42.螺丝钉51贯穿固定板53连接至活动板52，活动板52与底板532的距离通过螺丝钉51的转动而改变，芯片组件设置在活动板52与底板532之间。固定原理为：两个螺丝钉51与活动板52相连，通过拧动螺丝钉51来控制活动板52与底部的距离，从而压紧组装好的芯片组件。这种固定方式受力面比较大，受力较为均匀，能够起到更好的密封作用，此外，拆卸也比较方便。
43.用于高通量药物测试的类器官芯片装置的使用方法，如图8所示为用于高通量药物测试的类器官芯片装置的组合示意图，待整个芯片系统组装完成后，芯片系统的使用分两个阶段，类器官的培养阶段和药物测试阶段。组装前，把细胞与细胞外基质混合后加入到下层芯片3的类器官培养室31中，待细胞外基质成为凝胶后，将芯片组件通过固定组件进行固定。
44.在类器官培养阶段，从第一入口13注入类器官培养基，类器官培养基经过分流从第一出口17流出，汇集通道15的培养基可以经过多孔膜4渗入到类器官培养室31，为细胞提
供营养并且及时清理代谢废物，值得注意的是，我们可以通过改变入口培养基的流速和出口的压力来控制汇集通道15中培养基与类器官培养室31中培养基的交流速度。
45.在药物测试阶段，第一入口13中的其中一个入口注入含有待测药物的培养基，第一入口13中的另外一个入口注入不含药物的培养基，两种培养基在上层芯片1的通道中流动混合，最终形成多个药物浓度梯度；不同的药物浓度进入到类器官培养区，培养一定时间后，将芯片拆开进行下一步的分析，从而实现了高通量类器官药物测试。
46.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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技术和简化描述，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技术的限制。
47.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

技术特征：
1.一种用于高通量药物测试的类器官芯片装置，其特征在于，包括芯片组件和固定组件，所述芯片组件通过所述固定组件环绕固定设置；所述芯片组件包括从上到下依次设置的上层芯片(1)、密封膜(2)以及下层芯片(3)，所述上层芯片(1)上设有第一主通道(11)、特斯拉微混合器(14)、汇集通道(15)以及第一出口通道(16)，所述特斯拉微混合器(14)设有多个，多个所述特斯拉微混合器(14)的通道入口均与所述第一主通道(11)连接，所述第一进口通道(12)与第一主通道(11)连通，所述特斯拉微混合器(14)的通道出口与所述汇集通道(15)连通，所述第一出口通道(16)与所述汇集通道(15)连通；所述密封膜(2)上开设有镂空区，所述下层芯片(3)上设有类器官培养室(31)，所述镂空区分别对应所述汇集通道(15)和所述类器官培养室(31)设置。2.根据权利要求1所述的用于高通量药物测试的类器官芯片装置，其特征在于，所述芯片组件还包括多孔膜(4)，所述多孔膜(4)设置在所述密封膜(2)与所述下层芯片(3)之间，所述多孔膜(4)对应所述镂空区设置，所述多孔膜(4)的下表面覆盖于所述类器官培养室(31)的上方，所述多孔膜(4)的上表面设置于汇集通道(15)的下方，所述多孔膜(4)上设置有多个开孔。3.根据权利要求1所述的用于高通量药物测试的类器官芯片装置，其特征在于，所述上层芯片(1)的底面设有大于等于三个凹陷的特斯拉微混合器(14)，所述特斯拉微混合器(14)并联设置在所述第一主通道(11)一侧，所述第一进口通道(12)均位于相邻特斯拉微混合器(14)的中部，所述第一进口通道(12)的端部设置有第一入口(13)。4.根据权利要求3所述的用于高通量药物测试的类器官芯片装置，其特征在于，所述特斯拉微混合器(14)包括多级特斯拉微混合器(14)，多级所述特斯拉微混合器(14)之间依次串联连接，前一级任一所述特斯拉微混合器(14)的出口通道位于后一级相邻所述特斯拉微混合器(14)的进口通道的中部，后一级所述特斯拉微混合器(14)的个数比前一级所述特斯拉微混合器(14)的个数多一个，所述汇集通道(15)设有多个，多个所述汇集通道(15)分别与最后一级的所述特斯拉微混合器(14)连通设置，所述汇集通道(15)上分别连通所述第一出口通道(16)，所述第一出口通道(16)的端部设有第一出口(17)。5.根据权利要求1所述的用于高通量药物测试的类器官芯片装置，其特征在于，所述固定组件包括多个固定支架(5)，所述固定支架(5)设有四个，四个所述固定支架(5)分别设置在所述芯片组件的四周。6.根据权利要求5所述的用于高通量药物测试的类器官芯片装置，其特征在于，所述固定支架(5)包括固定板(53)、活动板(52)以及螺丝钉(51)，所述固定板(53)包括顶板(531)、底板(532)以及连接板(533)，所述顶板(531)与所述底板(532)设置在所述连接板(533)两侧形成u型结构设置，所述活动板(52)活动设置在所述固定板(53)的u型开槽内，所述螺丝钉(51)贯穿所述固定板(53)连接至所述活动板(52)，所述活动板(52)与所述底板(532)的距离通过所述螺丝钉(51)的转动而改变，所述芯片组件设置在所述活动板(52)与所述底板(532)之间。7.根据权利要求2所述的用于高通量药物测试的类器官芯片装置，其特征在于，所述多孔膜(4)的尺寸大于所述镂空区的尺寸，所述多孔膜(4)采用聚碳酸酯膜或聚酯膜。8.根据权利要求2所述的用于高通量药物测试的类器官芯片装置，其特征在于，所述密
封膜(2)为硅胶膜或者pdms膜。9.根据权利要求1所述的用于高通量药物测试的类器官芯片装置，其特征在于，所述类器官培养区的深度大于等于1mm。10.一种根据权利要求1-9任意一项所述的用于高通量药物测试的类器官芯片装置的使用方法，其特征在于，把细胞与细胞外基质混合后加入到所述下层芯片(3)的所述类器官培养室(31)中，待细胞外基质成为凝胶后，将所述芯片组件通过所述固定组件进行固定；从所述第一入口(13)注入类器官培养基，所述类器官培养基经过分流从第一出口(17)流出，所述汇集通道(15)的培养基可以经过多孔膜(4)渗入到所述类器官培养室(31)；所述第一入口(13)中的其中一个入口注入含有待测药物的培养基，所述第一入口(13)中的另外一个入口注入不含药物的培养基，两种所述培养基在所述上层芯片(1)的通道中流动混合，最终形成多个药物浓度梯度；不同的药物浓度进入到所述类器官培养区，培养一定时间后，将芯片拆开进行下一步的分析。

技术总结
本发明提供了器官芯片技术领域一种用于高通量药物测试的类器官芯片装置及其使用方法，包括芯片组件和固定组件，芯片组件通过固定组件环绕固定设置；芯片组件包括从上到下依次设置的上层芯片、密封膜以及下层芯片，上层芯片上设有第一主通道、特斯拉微混合器、汇集通道以及第一出口通道，多个特斯拉微混合器的通道入口均与第一主通道连接，第一进口通道与第一主通道连通，特斯拉微混合器的通道出口与汇集通道连通，第一出口通道与汇集通道连通；密封膜上开设有镂空区，下层芯片上设有类器官培养室，镂空区分别对应汇集通道和类器官培养室设置。本发明为类器官的培养提供稳定的流动微环境，自动形成药物浓度梯度，培养后直接进行药物测试。行药物测试。行药物测试。


技术研发人员：秦胜营 赵祥龙 吴浩
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：2022.03.25
技术公布日：2023/10/8