[發明專利]一種基于3D打印物體表面凹凸不平特性制備模擬人體管狀結構曲面微圖形芯片的新方法

有效

• 申請號: 201710041819.6
• 申請日: 2017-01-20
• 公開（公告）號: CN106834221B
• 公開（公告）日: 2020-04-24
• 發明（設計）人: 羅明志;金陽;余培麗;孫憶民;張治國;鄧林紅
• 申請（專利權）人: 常州大學
• 主分類號: C12N5/077
• 分類號: C12N5/077;C12N5/071;B33Y80/00
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模擬體內真實微圖形的3D細胞培養體系在生理、病理和藥物研究過程中均有重要應用。人體氣道、血管和腺管等結構具有特殊的曲面結構，這種曲面微環境影響細胞的排布、功能和藥物響應。本發明的目的是提供一種制備模擬體內管狀結構二維曲面微圖形芯片的新方法，包括以下步驟：采用桌面級擠出成型3D打印機將聚乳酸塑料打印一個豎立平板，通過控制打印精度調節平板表面突起微圖形曲率；在平板表面制備聚二甲基硅氧烷(PDMS)凝膠，從而獲得具有不同二維曲面的凹面微圖形芯片；在上述PDMS膠表面再次制備一層PDMS凝膠，從而獲得具有不同二維曲面的凸面微圖形芯片；在曲面微圖形芯片上接種平滑肌細胞和上皮細胞。結果顯示，在凸面微圖形芯片表面，平滑肌細胞和上皮細胞呈現與體內類似的排布和功能。該方法為后期制備更為復雜的管狀結構器官芯片奠定基礎。

技術領域

本發明屬于生物技術領域的細胞培養體系建立領域，特別涉及一種模擬人體內部管狀結構曲面微圖形芯片領域。

背景技術

在生理、病理和藥物篩選等研究過程中，動物乃至人體實驗是十分關鍵的步驟，但動物實驗價格昂貴、耗時間，并且需要以犧牲動物為代價，尤為重要的是，很多動物實驗的結果不能在人體得到驗證。而人體實驗條件苛刻，只有在特殊條件下才能開展。因此，在體外模擬體內獨特的微環境，從而開展相關實驗研究具有重要意義，尤其是為藥物開發提供很好的平臺。

人體內具有大量的管狀結構，如氣道、血管和各種腺管等。直徑在微米級別的小氣道和小血管是典型的具有不同曲率的管狀結構，上皮細胞和平滑肌細胞生長在上述不同曲率的基質表面上，這種獨特的曲率微環境可能會顯著調控氣道和血管壁內上皮細胞和平滑肌細胞的結構和功能。

平滑肌細胞在氣道和血管壁上呈現獨特的規律排布(如氣道平滑肌細胞在氣道內的分布表現為和氣道軸向呈現一定的角度)，這些排布方式可能與其生長在一定曲率的3D基質表面具有一定的關系。而且平滑肌細胞的收縮和舒張在調控氣道阻力以及血壓方面均具有重要意義。目前對平滑肌細胞的生理、病理和藥物篩選研究主要在體外二維平面的細胞培養容器中開展。但在體內，平滑肌多是生長在具有一定曲率的3D基質壁上。細胞在3D層面和2D層面的細胞特性及其功能可能會顯著不同。因此，開發具有一定曲率的3D細胞培養體系對氣道和血管細胞功能研究乃至藥物開發均具有重要意義。

目前在體外構建直徑在微米級別的小氣道和小血管的大曲率3D生長環境的方法主要包括光刻法和靜電紡絲等方法，但這些方法均需要昂貴的大型設備。如何采用常見設備構建出人體小氣道的和血管等管狀結構的大曲率3D生長環境成為在體外模擬體內管狀結構3D微環境的關鍵技術問題。

本發明利用常規拉絲型3D打印機在的拉絲過程中形成不同曲率的絲狀結構導致打印物體表面形成的條狀微突起的特性制備不同曲率的模板，并采用PDMS膠制備具有不同硬度和不同曲率的曲面微圖形芯片。

發明內容

本發明的目的是提供一種制備模擬人體內部管狀結構二維曲面微圖形芯片的新方法，為在體外研究氣道、血管和腺管等結構的生理、病理和藥物開發研究提供良好的平臺，并為復雜的氣道樹微圖形芯片乃至肺芯片建立奠定基礎。

為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：

1)采用桌面級擠出成型3D打印機將聚乳酸塑料打印出一個豎立平板，通過控制打印精度調解表面曲率；在平板表面制備聚二甲基硅氧烷(PDMS)凝膠，從而獲得具有不同二維曲面的凹面微圖形芯片；

2)隨后在PDMS膠表面再次制備一層PDMS凝膠，從而獲得具有不同二維曲面的凸面微圖形芯片；

3)在曲面微圖形芯片上接種氣道平滑肌細胞和氣道上皮細胞；

4)在凸面微圖形芯片表面，氣道平滑肌細胞和上皮細胞呈現與體內類似的排布和功能。