用于体外培养的血管化肿瘤微流控器官芯片及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种用于体外培养的血管化肿瘤微流控器官芯片及其制备方法，芯片包括：PMMA模块和玻璃片，PMMA模块设有贯通其厚度方向的三个通孔；玻璃片的上表面与PMMA模块的下表面的四周通过粘结层键合为一体，使三个通孔分别形成用于容置肿瘤小球的第一腔室、用于储存培养液的第二腔室、第三腔室；且PMMA模块下表面的中间区域与玻璃片构成中空的组织腔室；具有液面高度差的培养液所产生的静态压力差可促进三维毛细血管网络生成，通过三维毛细血管网络与肿瘤小球共培养能实现对毛细血管的募集，构建成为三维血管化肿瘤微组织。本发明专利技术克服了目前微流控器官芯片制作的耗时与高成本缺点，工艺简单，尤其是体外血管化肿瘤疾病的研究提供了应用价值。

【技术实现步骤摘要】
用于体外培养的血管化肿瘤微流控器官芯片及其制备方法
本专利技术涉及生物医学工程
，具体地，涉及一种用于体外培养的血管化肿瘤微流控器官芯片及其制备方法。
技术介绍
作为局部组织和体循环之间物质交换的促进器，血管系统在人体内营养物质、氧气和废物的运输中十分重要。由于其自身的功能性和复杂性，伴随着组织工程的发展，血管系统的研究在多种血管相关疾病的治疗工程中有着深远的应用，同时也为潜在药物筛选方法提供了基础。目前，癌症已成为全世界健康领域所面临的最大挑战之一，传统动物模型评估的药物疗效往往不能预测其对人体的影响，因此体外治疗肿瘤疾病的新平台研发迫在眉睫。肿瘤所需的营养物质通常由其周围血管中的血流运输实现，构建融合肿瘤的血管网络机制已成为该癌症治疗领域的前沿方向之一。构建血管化肿瘤网络时，内皮细胞是常用的细胞类型，通过血流向肿瘤细胞传送营养和氧气。因此，亟需一种体外三维培养肿瘤细胞的方式搭建肿瘤微环境(TME)。在特定的体外三维环境中，癌细胞可富集成球状体，这在形态、细胞密度、物理环境方面与人体内肿瘤具有高度相似性，有助于缩短抗癌新药的研发周期，血管化肿瘤芯片的出现，为重建体外肿瘤微环境模型提供了平台，同时也在血管相关疾病治疗与抗肿瘤药物筛选中有深远的应用。传统生物芯片制造技术已广泛应用在构建基于水凝胶的体外三维血管网络，由于具有透光性能好，易加工成型，生物相容性高，透气性能优良等优势，PDMS已成为微流控芯片中应用最多的材料之一，通过微图形化、生长因子梯度、细胞共培养协同诱导血管生成，更好地模拟体内的生理功能。通过共培养人肺成纤维细胞(NHLF)与人脐静脉内皮细胞(HUVEC)，血管网络即可在血管内皮生长因子(VEGF)诱导作用下由HUVEC增殖、分化并连接而成，在体外培养数天后可实现血管管腔生成。细胞的增殖和分化需要外界各种复杂的因素协同控制，而器官芯片(Organ-on-Chips，OoC)将微流控技术和细胞生物学领域的优势相结合，在对外界因素和参数的控制方面拥有突出优势。由于遵循构建器官芯片最基本原则，功能性的OoC能够极大地缩短药物研发的时间，针对不同类器官体设计特有的血管化芯片结构，反映并分析其生理学功能。经过对现有微流控芯片工艺的检索发现，近年来通过结合微电子技术与微加工技术，模拟肺呼吸、肾脏、肝组织、心脏、眼球、脑组织等的芯片已被研制并用于实现人体内部生化信号、电生理信号的精确控制，但在制作方法中如何平衡时间与成本依旧是一大难题。常见的传统PDMS芯片工艺涉及MEMS光刻工艺和后续的模塑法，耗时长且成本高；基于生物相容材料的3D打印方法大大缩短了制作耗时的问题，且克服了PDMS吸收小分子的缺点，但其成本仍然昂贵，在追求高精度的芯片制程中更是如此。在此前的报道中，用于药物筛选的血管化芯片平台得到了广泛关注，但针对芯片制备方法的改进仍十分有限。DucT.T.Phan,BriannaM.Craver等人在LabChip,2017,17：511-520上撰文“Avascularizedandperfusedorgan-on-a-chipplatformforlarge-scaledrugscreeningapplications”，提出一种可结合96孔板的高通量体外3D器官芯片平台，通过化学表面处理PDMS芯片表面与孔板底部将二者对准键合，利用孔内培养液的不同高度实现静态液压差刺激下的血管生成模式，并由血管网输送FDA批准的抗肿瘤药物，从而可对多种癌细胞进行大规模药物筛选，但是该制作该平台既需要传统的光刻工艺，又需要倒模以及键合对准，制备时间较长且繁琐，此外，在密闭腔室内共培养肿瘤细胞与内皮细胞，无法实现全开放环境下特异性位置肿瘤组织的灵活培养。构建个性化的肿瘤器官芯片已成为该领域研究人员的关注焦点,Y.Nashimoto,T.Hayashi等人在IntegrativeBiology,2017,9(6):506-518上撰文“Integratingperfusablevascularnetworkswithathree-dimensionaltissueinamicrofluidicdevice”，描述一种血管网络可灌注的微流控平台，证明了血管网络将小分子物质运送到球组织内部，但其依旧沿用PDMS芯片工艺，研究内容局限于内皮细胞从两侧通道向内生长的血管生成(angiogenesis)，且缺乏肿瘤组织周围血管发生(vasculogenesis)的相关研究。由于传统PDMS芯片制程耗时，且PDMS材料自身易吸收小分子而影响药物筛选，J.Ko,J.Ahn等人在LabChip,2019,19:2822-2833上撰文“Tumorspheroid-on-a-chip:astandardizedmicrofluidiccultureplatformforinvestigatingtumorangiogenesis”，构建一种基于注塑法3D打印聚苯乙烯(PS)材料方法，构建可与96孔板结合的开放式血管化肿瘤平台，解决了PDMS吸收小分子的问题，该平台每个结构单元有两个培养液储液池和一个放置3D肿瘤小球的圆形通孔，可实现肿瘤的精确定位以及肿瘤诱发的血管生成，但整个平台受限于较高的打印制作成本。综上所述，目前报道的体外血管化肿瘤微流控平台制作还未实现时间与成本上的理想折中，传统工艺与新兴3D打印技术均具有自身缺点，同时针对不同3D培养的肿瘤球，亟需实现个性化的体外血管化芯片结构。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种用于体外培养的血管化肿瘤微流控器官芯片及其制备方法。本专利技术第一个方面提供一种用于体外培养的血管化肿瘤微流控器官芯片，包括：聚甲基丙烯酸甲酯模块(PMMA)，所述聚甲基丙烯酸甲酯模块设有贯通其厚度方向的第一通孔、第二通孔以及第三通孔，且所述第二通孔、所述第三通孔分别设置于所述第一通孔的两侧；玻璃片，所述玻璃片设置于所述聚甲基丙烯酸甲酯模块的下方，所述玻璃片的上表面与所述聚甲基丙烯酸甲酯模块的下表面的四周通过粘结层键合为一体，使所述第一通孔、所述第二通孔以及所述第三通孔分别形成用于容置肿瘤小球的第一腔室、用于储存培养液的第二腔室、第三腔室；且所述聚甲基丙烯酸甲酯模块下表面的中间区域与所述玻璃片构成中空的组织腔室，向所述组织腔室内填充纤维蛋白凝胶或胶原蛋白凝胶；所述组织腔室使所述第一腔室与所述第二腔室、所述第三腔室的底部连通；通过向所述第二腔室、所述第三腔室注入不同高度的培养液，具有液面高度差的培养液所产生的静态压力差能促进所述组织腔室内三维毛细血管网络生成，通过所述三维毛细血管网络与所述肿瘤小球共培养能实现对毛细血管的募集，构建成为三维血管化肿瘤微组织。优选地，所述聚甲基丙烯酸甲酯模块底部的四周采用PDMS封装，用以防止漏液。优选地，所述聚甲基丙烯酸甲酯模块为矩形结构。优选地，所述聚甲基丙烯酸甲酯模块顶部设有培养盖，且所述培养盖盖于所述第一通孔、所述第二通孔以及所述第三通孔的上方，用以防止肿瘤小球或培养液直接与外部本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于体外培养的血管化肿瘤微流控器官芯片，其特征在于，包括：/n聚甲基丙烯酸甲酯模块，所述聚甲基丙烯酸甲酯模块设有贯通其厚度方向的第一通孔、第二通孔以及第三通孔，且所述第二通孔、所述第三通孔分别设置于所述第一通孔的两侧；/n玻璃片，所述玻璃片设置于所述聚甲基丙烯酸甲酯模块的下方，所述玻璃片的上表面与所述聚甲基丙烯酸甲酯模块的下表面的四周通过粘结层键合为一体，使所述第一通孔、所述第二通孔以及所述第三通孔分别形成用于容置肿瘤小球的第一腔室、用于储存培养液的第二腔室、第三腔室；且所述聚甲基丙烯酸甲酯模块下表面的中间区域与所述玻璃片构成中空的组织腔室，向所述组织腔室内填充纤维蛋白凝胶或胶原蛋白凝胶；所述组织腔室使所述第一腔室与所述第二腔室、所述第三腔室的底部连通；通过向所述第二腔室、所述第三腔室注入不同高度的培养液，具有液面高度差的培养液所产生的静态压力差能促进所述组织腔室内三维毛细血管网络生成，通过所述三维毛细血管网络与所述肿瘤小球共培养能实现对毛细血管的募集，构建成为三维血管化肿瘤微组织。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于体外培养的血管化肿瘤微流控器官芯片，其特征在于，包括：
聚甲基丙烯酸甲酯模块，所述聚甲基丙烯酸甲酯模块设有贯通其厚度方向的第一通孔、第二通孔以及第三通孔，且所述第二通孔、所述第三通孔分别设置于所述第一通孔的两侧；
玻璃片，所述玻璃片设置于所述聚甲基丙烯酸甲酯模块的下方，所述玻璃片的上表面与所述聚甲基丙烯酸甲酯模块的下表面的四周通过粘结层键合为一体，使所述第一通孔、所述第二通孔以及所述第三通孔分别形成用于容置肿瘤小球的第一腔室、用于储存培养液的第二腔室、第三腔室；且所述聚甲基丙烯酸甲酯模块下表面的中间区域与所述玻璃片构成中空的组织腔室，向所述组织腔室内填充纤维蛋白凝胶或胶原蛋白凝胶；所述组织腔室使所述第一腔室与所述第二腔室、所述第三腔室的底部连通；通过向所述第二腔室、所述第三腔室注入不同高度的培养液，具有液面高度差的培养液所产生的静态压力差能促进所述组织腔室内三维毛细血管网络生成，通过所述三维毛细血管网络与所述肿瘤小球共培养能实现对毛细血管的募集，构建成为三维血管化肿瘤微组织。


2.根据权利要求1所述的用于体外培养的血管化肿瘤微流控器官芯片，其特征在于，所述聚甲基丙烯酸甲酯模块底部的四周采用PDMS封装，用以防止漏液。


3.根据权利要求1所述的用于体外培养的血管化肿瘤微流控器官芯片，其特征在于，所述聚甲基丙烯酸甲酯模块为矩形结构。


4.根据权利要求1所述的用于体外培养的血管化肿瘤微流控器官芯片，其特征在于，所述聚甲基丙烯酸甲酯模块顶部设有培养盖，且所述培养盖盖于所述第一通孔、所述第二通孔以及所述第三通孔的上方，用以防止肿瘤小球或培养液直接与外部环境接触而产生污染。


5.根据权利要求1所述的用于体外培养的血管化肿瘤微流控器官芯片，其特征在于，所述第一通孔的数量为多个，用于容置不同类型的肿瘤小球。


6.根据权利要求1所述的用于体外培养的血管化肿瘤微流控器官芯片，其特征在于，具有以下一种或多种特征：
-所述第一通孔的横截面为圆形或椭圆形；
-所述组织腔室为圆环形或矩形。


7.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓林，李钦宇，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31