[發明專利]一種基于微流控芯片的仿生體內關節軟骨微環境的結構

在審

• 申請號: 202110249092.7
• 申請日: 2021-03-08
• 公開（公告）號: CN112877212A
• 公開（公告）日: 2021-06-01
• 發明（設計）人: 仲偉俍;張衛國;鄭希福;李元城;李杰
• 申請（專利權）人: 大連醫科大學附屬第一醫院
• 主分類號: C12M3/00
• 分類號: C12M3/00;C12M1/04;B01L3/00
• 代理公司: 北京高沃律師事務所 11569
• 代理人: 王富強

本發明公開了一種基于微流控芯片的仿生體內關節軟骨微環境的結構，涉及微流控技術領域，包括依次疊加的上層、中層和下層，上層和下層均設置有壓力系統，中層設置有濃度梯度生成器和若干細胞培養單元，濃度梯度生成器與細胞培養單元連通，壓力系統與細胞培養單元對應。本發明集物理微環境和化學微環境為一體，通過本發明能夠利用少量細胞對軟骨細胞體外擴增環境進行高通量篩選，優化選擇最佳適合軟骨細胞增殖且維持表型的因子濃度及壓應力刺激強度，證實了微流控芯片技術在軟骨組織工程應用的可行性，模擬體內力學刺激的微環境，為體外快速擴增軟骨細胞提供方案，從而提高種子細胞質量，改善自體軟骨細胞移植治療效果。

技術領域

本發明涉及微流控技術領域，特別是涉及一種基于微流控芯片的仿生體內關節軟骨微環境的結構。

背景技術

關節軟骨無血供、淋巴回流和神經支配，具有極弱的自我修復能力。在體內生理條件下，關節軟骨主要受到壓應力、間隙液體流動等物理微環境刺激及關節液潤滑滲透營養物質等化學微環境刺激。因此，外部的微環境信號刺激對于關節軟骨細胞的代謝及維持軟骨基質的內環境穩定具有重要作用。對于健康的關節軟骨，大約70-80％的組成成分為水，軟骨細胞的代謝和營養傳遞主要通過關節軟骨動態壓縮而產生的間隙性液體流動刺激來調控。關節軟骨在形態上可以分為兩部分：一部分是固態物質(固相)，包括軟骨細胞、膠原蛋白(Ⅱ型膠原為主)、蛋白多糖(GAGs)和其他少量糖蛋白；另一部分為液態物質(液相)，包括水和離子。關節軟骨的微觀形態是具有一定垂直縱向排列的取向結構。軟骨細胞外基質主要由膠原蛋白、蛋白多糖和水組成，對維持軟骨功能具有重要作用。關節軟骨的生物學微環境(關節軟骨固相/液相的雙相理論及與之相應的生物力學)為：當關節軟骨受力時，壓應力進行傳導，ECM(細胞外基質)受到擠壓，水在ECM中流動。此時，在固相中，由于壓應力的傳導作用，ECM作用于軟骨細胞，產生力學刺激信號，軟骨細胞對于壓力-形變是非常敏感的，作用在ECM上的力學變化導致細胞膜應力的變化，軟骨細胞獲得力學刺激信息，出現代謝活性的變化；在液相中，水由于壓力梯度或者ECM的擠壓在多孔-滲透性的固體ECM中流動，產生間隙流，刺激并營養軟骨細胞的代謝。同時，由于水的流動，運輸生化營養物質，產生新陳代謝，潤滑關節。

微流控技術的快速發展為化學、生物學、臨床醫學、生物工程等領域的發展做出了重要貢獻。微流控芯片因其具有同細胞大小匹配的微米尺寸構件、同生理環境接近的封閉環境、傳質傳熱快和通量高等特點，已成為細胞生物學研究的理想平臺，也為構建細胞自組裝體系和功能化研究提供了一種全新的平臺和技術。基于微流控系統對于細胞微環境的相關研究已經成為當前研究的熱點，當前對于細胞微環境的研究主要涉及生物化學刺激、力學信號刺激、基質表面形態刺激、細胞與細胞間的相互作用、電場刺激、磁場和溫度等刺激作用。其中，基于微流控芯片技術對于軟骨細胞微環境的研究主要集中于生物化學刺激和力學信號刺激兩方面。

生物化學刺激主要包括外部的生長因子或其他大分子物質等。現有技術公開了一種集成的濃度梯度可控的微流控芯片平臺，初步探討了在IGF-1和bFGF生長因子單獨和聯合作用于三維基質培養的兔軟骨細胞增殖的最佳濃度，證實了微流控芯片裝置可以作為一種有效的軟骨組織工程研究的微平臺。然而，該裝置局限于生長因子作用的微環境，不能更好地模擬體內復雜的軟骨動態微環境。

生理條件下軟骨細胞所受到的機械性信號刺激主要包括間歇性的動態壓應力和間隙性液體流動刺激。應用微流控芯片技術可以較容易地構建處軟骨細胞外的各種機械微環境?，F有技術中，運用可變的微加工裝置構建出一種基于微操控技術來實現多條件的壓應力微環境，該微裝置可以對軟骨細胞及干細胞成軟骨分化提供良好的壓力微環境。而該裝置使用的是單純的單項壓力微環境，細胞混合水凝膠(聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA))材料，不能更好地模擬軟骨細胞外基質材料因動態壓縮所產生的的間隙性液體流動以及軟骨細胞生長的基質材料及結構微環境。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于微流控芯片的仿生體內關節軟骨微環境的結構，以解決上述現有技術存在的問題，集不同濃度細胞因子刺激、仿生支架成分、形態結構及不同強度機械力刺激為一體。