[發明專利]一種微流控芯片及其應用

在審

• 申請號: 201710628099.3
• 申請日: 2017-07-28
• 公開（公告）號: CN107312713A
• 公開（公告）日: 2017-11-03
• 發明（設計）人: 羅勇;杜昱光;孫明;鄧權鋒
• 申請（專利權）人: 中科芯瑞（蘇州）生物科技有限公司
• 主分類號: C12M3/06
• 分類號: C12M3/06;C12M1/12;C12M1/00
• 代理公司: 上海碩力知識產權代理事務所(普通合伙)31251
• 代理人: 劉紅梅

技術領域

本發明屬于微流控技術領域，具體涉及一種微流控芯片及其應用。

背景技術

微流控芯片(Microfluidics)又稱芯片實驗室(Lab-on-a-chip)，是在微米量級空間操控流體的一種科學與技術，可將生物和化學實驗室的基本功能微縮到一個數平方厘米的芯片上，是21世紀最為重要的前沿技術之一，被認為是解決創新藥物、化妝品和保健品研發成本過高、周期過長等關鍵問題，革新原有技術體系的關鍵技術，正面臨著重大的發展機遇和挑戰。

器官微流控芯片(Organ on a chip)是微流控芯片的一個亞類，它是在一塊幾平方厘米薄片內培養一種或多種功能細胞，從而模擬器官的一種仿生技術，器官芯片里的“器官”非常微小，但是具備真實器官的基本生理功能。器官芯片能仿真地模擬器官原因在于：(1)它不但同時培養器官所包含的多種細胞，而且細胞的空間排列可以模仿器官的生理結構；(2)它可以重建器官在體內的生理環境，比如流體剪切力、信號分子濃度梯度。可以說器官芯片從“組成”、“結構”和“環境”三方面對器官進行了模擬，仿真程度很高。

每一種人體器官都對應一種器官芯片，譬如模擬肝臟的有肝芯片，模擬腎臟的有腎芯片，模擬胰臟的有胰島芯片，模擬心臟的有心臟芯片等，同一塊器官芯片內也可以包含多種“器官”，譬如腸-肝芯片，腎-心臟芯片等。

器官芯片的用途是代替真實的人體或動物的器官進行化學品的測試，常見的化學品包括藥物、保健品、化妝品和環境毒物。它可以測定藥物的藥效、毒性和藥代，可以測定保健品在腸道的吸收、肝臟里的代謝和對腸道菌群的保護作用，可以測定化妝品在皮膚內的吸收以及對皮膚的刺激性，還可以測定環境毒物對某一特定臟器的損害作用。

體內的很多器官帶有管腔結構，譬如腸具有腸腔，血管具有管腔，腎具有腎小管管腔、腎小球管腔和集合管管腔，心臟具有心房和心室，子宮具有宮腔，牙齦具有牙齦溝，食道具有食管，胃具有胃腔，淋巴具有淋巴管，肺具有氣管，眼具有淚腺，等等。即使不含管腔結構的器官，如肌肉、脂肪、腫瘤、大腦等，因為帶有血管也相當于具有管腔結構。這些管腔結構具有兩個特點：一是具有一定的變形性，它們是柔軟的，并不是剛性的；二是，管腔壁上有功能細胞，有時功能細胞還不止一層。

現有模擬管腔結構的器官芯片，主要分為三類：一是利用單層彈性多孔薄膜結合細胞培養模擬管壁結構，例如，在“Remi Villenave，Donald E.Ingber.Human Gut-On-A-Chip Supports Polarized Infection of Coxsackie B1Virus In Vitro.PLOS ONE.2017”中模擬了腸壁，技術手段為在單層彈性PDMS多孔薄膜上培養腸上皮細胞——該模擬的腸壁是柔軟可變行的，但沒有形成腸腔的結構，因此功能不完整，譬如物質交換量少，細胞新陳代謝產物少，難以達到檢測限；二是利用單層硬質多孔薄膜結合細胞培養模擬管壁結構，例如，在“Dong Jin，Tingjiao Liu.Application of a microfluidic-based perivascular tumor model for testing drug sensitivity in head and neck cancers and toxicity in endothelium.The Royal Society of Chemistry.2016”中模擬了血管，技術手段為在單層硬質多孔薄膜上培養血管內皮細胞，在下層三維培養組織細胞——由于硬質多孔薄膜在壓力作用下會發生不可逆形變，會導致細胞發生損傷，影響細胞功能，并且細胞受力情況與體內受力環境不符合；三是利用雙層硬質多孔薄膜結合細胞培養模擬管腔結構，例如，在“Young Bok Kang,Moses Noh.Liver Sinusoid on a Chip：Long-Term Layered Co-Culture of Primary Rat Hepatocytes and Endothelial Cells in Microfluidic Platforms.Biotechnology and Bioengineering.2015”中模擬了肝血竇，技術手段為在芯片上層硬質多孔薄膜的上側培養星狀細胞，在芯片上層硬質多孔薄膜的下側培養血管內皮細胞，在芯片的中間管腔培養枯否細胞，在芯片下層硬質多孔薄膜的上側培養膽管上皮細胞，在芯片下層硬質多孔薄膜的下側培養肝實質細胞——該結構為硬質多孔薄膜構成的管腔結構，其腔體并不是柔軟的，在壓力作用下會發生不可逆形變，不具備體內機械物理環境，與體內仿真度不高，物質交換與真實情況不符。