一種基于結構色水凝膠的心臟芯片及其應用制造技術

一種基于結構色水凝膠的心臟芯片，包括芯片頂板、芯片底板和生長有心肌細胞的結構色水凝膠膜，所述芯片底板設置有微貯液池，其一端通過流量分配微通道與芯片底板上的進液口連通，另一端與芯片底板上的出液口連通，在微貯液池的中設置有水凝膠膜安裝微柱，用于放置結構色水凝膠膜；所述的芯片頂板設置有進液孔和出液孔，位置分別與芯片底板的進液口和出液口相對應。本發明專利技術的基于結構色水凝膠材料構建的心臟芯片不需要復雜的檢測系統，具備直觀性，對被檢測系統無生理藥理等方面的影響，更要的是檢測方法不受外界環境和化學試劑等因素的影響，在心臟藥物的篩選和評估中，可表現出靈敏，高效，且不受外界條件影響的獨特內在優勢。

【技術實現步驟摘要】
一種基于結構色水凝膠的心臟芯片及其應用
本專利技術涉及一種基于結構色水凝膠的心臟芯片及其應用，屬于器官芯片領域。
技術介紹
人體是由多種復雜器官組成的生物體，器官之間的相互聯動，使得人類可以在體內實現多種代謝行為。目前，對于針對人類的藥物開發，主要是通過體外細胞培養和動物體內實驗，檢測藥物對目標物體的作用，從而判斷藥物特性；然而體外細胞培養出的二維細胞結構不能真實的模擬人體微環境以及各組織和器官之間的復雜生理過程，同時動物體內實驗也受到動物模型不確定性、不同動物體內的復雜性及一些人道主義因素的制約；為此，在細胞或器官水平上構建細胞或器官芯片來模擬真實的生理過程已經引起了廣泛的興趣。心臟是人體重要的器官之一，心臟芯片是實現模擬人體心臟功能及檢測行為的重要實現方式，然而構建后心臟芯片需要復雜的檢測系統，并且這些檢測系統往往需要消耗大量的時間和精力，并且缺乏直觀性；在心臟及心肌細胞的研究中，心肌細胞的收縮力和跳動頻率是其最為重要的評測參數，通常是用于評判心臟功能和心肌細胞活性的重要指標；因此，研究并開發具備高靈敏性檢測心肌細胞的收縮力和跳動頻率的傳感材料，構建穩定的收縮力和跳動頻率的傳感心臟芯片和藥物研究平臺仍然面臨著嚴峻的挑戰。受結構色水凝膠的微光子晶體結構變化導致顏色變化的啟發，我們構建了一種利用結構色水凝膠進行心肌細胞培養，并將其構建于器官芯片中的新型檢測方法。利用結構色水凝膠中光子晶體結構獨特的光學傳感技術和特征反射峰進行心肌細胞收縮力和跳動頻率的傳感研究，可視化實現了心臟細胞的檢測。
技術實現思路
技術問題：本專利技術的目的是提供一種基于結構色水凝膠的心臟芯片及其應用，該心臟芯片利用心肌細胞收縮、舒張行為帶動結構色水凝膠結構色改變，從而能夠實現可視化檢測心肌細胞收縮、舒張行為。技術方案：本專利技術提供了一種基于結構色水凝膠的心臟芯片，該心臟芯片包括芯片頂板、芯片底板和生長有心肌細胞的結構色水凝膠膜，所述芯片底板設置有微貯液池，其一端通過流量分配微通道與芯片底板上的進液口連通，另一端與芯片底板上的出液口連通，在微貯液池的中設置有水凝膠膜安裝微柱，用于放置結構色水凝膠膜；所述的芯片頂板設置有進液孔和出液孔，位置分別與芯片底板的進液口和出液口相對應。其中：所述的流量分配微通道為多重分支結構，即流量分配微通道的一端與進液口連通，另一端岔分為多個分支流道與微貯液池連通，分支流道數目n＝2N，其中N為級數，且N>2。所述的結構色水凝膠膜的形狀為多尾狀，且多尾部分朝向出液口方向。所述的水凝膠膜安裝微柱固定于微貯液池底部，其高度與結構色水凝膠膜的厚度總和等于微貯液池的高度。所述的結構色水凝膠膜的材料為甲基丙烯酸酯明膠(Gelma)、牛血清白蛋白(BSA)、四臂-聚乙二醇(4-arm-PEG)、聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)。所述的結構色水凝膠膜利用模板犧牲法、沉積法制備：1)利用打印機打印出多尾狀掩膜版，其中多尾部分為透光部分，其余部分為黑色不透光部分，之后利用掩膜版，將光子晶體前聚體溶液聚合，去掉未聚合部分后獲得正結構的多尾狀光子晶體正結構模板；2)將生物相容性水凝膠前聚體灌注于上述多尾狀光子晶體正結構模板中，聚合后去除光子晶體正結構模板，得到多尾狀反蛋白石結構色水凝膠膜；所制備的結構色水凝膠膜的結構色和反射峰通過調節光子晶體前聚體溶液中粒子粒徑的大小來控制，其結構色覆蓋可見光范圍，反射峰的位置在300nm～800nm。所述的心臟芯片的芯片頂板和芯片底板通過聚二甲基硅氧烷(PDMS)光刻技術或者聚二甲基硅氧烷(PDMS)反復制法加工制得。有益效果：與現有技術相比，本專利技術具有以下優勢：1)本專利技術公開了一種基于結構色水凝膠的心臟芯片，通過將心臟芯片與結構色水凝膠結合，實現了可視化檢測心肌細胞收縮力和跳動頻率，通過對結構色水凝膠的顏色變化進行實時檢測，利用光譜等特征測量方法，獲得心肌收縮力和跳動頻率的參數；2)通過改變心臟芯片中注入的藥物，在線觀測及記錄不同藥物對心肌細胞的影響；3)本專利技術不需要復雜的檢測系統，具備直觀性，對被檢測系統無生理藥理等方面的影響，更重要的是檢測方法不受外界環境和化學試劑等因素的影響，在心臟藥物的篩選和評估中，具有靈敏、高效，且不受外界條件影響的獨特內在優勢。附圖說明圖1是本專利技術的基于結構色水凝膠的心臟芯片整體示意圖；圖2是本專利技術的基于結構色水凝膠的心臟芯片的芯片底板結構示意圖；圖3是本專利技術的基于結構色水凝膠的心臟芯片內部水凝膠布置示意圖；圖中有：芯片頂板1、芯片底板2、進液口3、出液口4、水凝膠膜安裝微柱5、流量分配微通道6、微貯液池7、結構色水凝膠膜8、進液孔9和出液孔10。具體實施方式下面結合附圖對本專利技術的較佳實例進行更進一步的詳細說明，以使本專利技術的優點和特征能夠更易于被本領域技術人員理解：圖1給出了本專利技術的基于結構色水凝膠的心臟芯片的示意圖，具體結構包括芯片頂板1、芯片底板2、進液孔9和出液孔10等主要組成部分，進液孔9和出液孔10加工于芯片頂板1上，并分別通過軟管與外界相連，其中進液孔9用于注入培養液及測試液，出液孔10用于回收培養液及測試液，結構色水凝膠膜8安裝在水凝膠膜安裝微柱5上后，將頂板1與下底板2通過等離子體鍵合，構成封閉結構。圖2給出了本專利技術的基于結構色水凝膠的心臟芯片的芯片底板2的結構示意圖，具體結構包括進液口3、出液口4、水凝膠膜安裝微柱5、流量分配微通道6、微貯液池7；其中水凝膠安裝微柱5用以將結構色水凝膠固定在心臟芯片流道結構頂板1和下底板2之間，流量分配微通道6可以實現培養液及測試液均勻注入到微貯液池7中。圖3給出了本專利技術的基于結構色水凝膠的心臟芯片內部水凝膠膜布置示意圖；專利技術中使用的結構色水凝膠膜8為多尾狀，可以有效觀察每尾水凝膠上的結構色變化。實施例1：基于結構色水凝膠的心臟芯片用于異腎上腺素的檢測1)、生長有心肌細胞的結構色水凝膠膜8的制備：①選取可用于心肌培養的水凝膠材料，甲基丙烯酸酯明膠(Gelma)，采用模板犧牲法、制備多尾狀結構色水凝膠膜8；②提取SD乳大鼠的心肌細胞，種植在制備的結構色水凝膠表面進行心肌細胞培養；③經過一定培養周期后的心肌細胞，其在水凝膠材料上會表現出收縮及舒張的行為，得到生長有心肌細胞的多尾狀結構色水凝膠膜8，利用外延設備(光譜儀，波譜儀)，根據結構色水凝膠膜8顏色和波譜的變化，進行心肌細胞收縮、舒張行為的檢測。2)、異腎上腺素檢測①將制備好的生長有心肌細胞的多尾狀結構色水凝膠膜8，置于芯片底板2的水凝膠膜安裝微柱5上面，之后將芯片頂板1與于芯片底板2鍵合封閉；②在進液孔9注入異腎上腺素，同時利用外延設備(光譜儀或者波譜儀)，通過檢測結構色水凝膠膜8顏色和波譜的變化，觀察異腎上腺素對心肌細胞收縮力的影響；(3)調節注入的異腎上腺素的濃度，同時檢測不同濃度的異腎上腺素對心肌細胞收縮、舒張行為的影響，實現對心臟藥物的篩選評估。實施例2：基于結構色水凝膠的心臟芯片用于鈣離子檢測1)、生長有心肌細胞的結構色水凝膠膜8的制備：①選取可用于心肌培養的水凝膠材料牛血清白蛋白(BSA)，采用沉積法制備多尾狀結構色水凝膠膜8；②提取SD乳大鼠的心肌細胞，種植在制備的結構色水凝膠表面進行心肌細胞培養；③經過一定培養周期后的心肌細胞，本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于結構色水凝膠的心臟芯片，其特征在于：該心臟芯片包括芯片頂板(1)、芯片底板(2)和生長有心肌細胞的結構色水凝膠膜(8)，所述芯片底板(2)設置有微貯液池(7)，其一端通過流量分配微通道(6)與芯片底板(2)上的進液口(3)連通，另一端與芯片底板(2)上的出液口(4)連通，在微貯液池(7)中設置有水凝膠膜安裝微柱(5)，用于放置結構色水凝膠膜(8)；所述的芯片頂板(1)設置有進液孔(9)和出液孔(10)，位置分別與芯片底板(2)的進液口(3)和出液口(4)相對應。

【技術特征摘要】
1.一種基于結構色水凝膠的心臟芯片，其特征在于：該心臟芯片包括芯片頂板(1)、芯片底板(2)和生長有心肌細胞的結構色水凝膠膜(8)，所述芯片底板(2)設置有微貯液池(7)，其一端通過流量分配微通道(6)與芯片底板(2)上的進液口(3)連通，另一端與芯片底板(2)上的出液口(4)連通，在微貯液池(7)中設置有水凝膠膜安裝微柱(5)，用于放置結構色水凝膠膜(8)；所述的芯片頂板(1)設置有進液孔(9)和出液孔(10)，位置分別與芯片底板(2)的進液口(3)和出液口(4)相對應。2.如權利要求1所述的一種基于結構色水凝膠的心臟芯片，其特征在于：所述的流量分配微通道(6)為多重分支結構，即流量分配微通道(6)的一端與進液口(3)連通，另一端岔分為多個分支流道與微貯液池(7)連通，分支流道數目n＝2N，其中N為級數，且N&am...

【專利技術屬性】
技術研發人員：趙遠錦，高崴，商逸璇，顧笑曉，李琳杰，
申請(專利權)人：東南大學，
類型：發明
國別省市：江蘇,32