本发明专利技术提供一种集成微电极阵列的器官芯片，包括微电极层和微流控芯片层；微电极层包括透明基底和附着于其上表面的阵列微电极，每组微电极包括一组叉指结构，叉指结构与两条微引线相连，且每条微引线与引脚相连；微流控芯片层包括进样口、多个细胞培养孔、出样口、自进样口分岔并与所有细胞培养孔连通的进样流道、自出样口分岔并与所有细胞培养孔连通的出样流道；叉指结构位于细胞培养孔底部，细胞培养孔用于培养细胞或细胞团。本发明专利技术还提供相应制备和使用方法。本发明专利技术的器官芯片可培养细胞团或干细胞衍生相关器官或类器官以模拟人体组织或器官；可在芯片内进行形态观察或通过微电极实现实时、无创、在线监测；可实现阵列化、高通量培养和监测。通量培养和监测。通量培养和监测。
【技术实现步骤摘要】
一种集成微电极阵列的器官芯片及其制备和使用方法
[0001]本专利技术涉及一种集成微电极阵列的器官芯片及其制备和使用方法，透光材料可实现直接观察细胞形态，并通过微电极实时监测电化学交流阻抗谱检测芯片阻抗的变化，可实现非侵入、原位、持续的监测器官芯片中细胞团、干细胞衍生相关器官或类器官的存活状态，以评估物质或药物对人体组织或器官的影响，能够应用于药物/环境污染物等毒性评估。
技术介绍
[0002]评估物质对有机体是否会产生不良作用是毒理学的研究目的，有助于减少人类危害暴露的风险，促进人类“保持或发挥全部遗传潜力”。目前动物毒性实验被认为是物质毒性检测的“黄金标准”，但由于种属的差异性，动物毒性实验并不能很好的反应待测物对人体毒性的真实情况。此外，二维细胞培养体系也常被用来在体外模拟人体内的微环境以评估物质对人体的毒性，但由于永生细胞系中缺乏组织器官的某些特异性组成或功能，其毒性评估准确性并不尽如人意。
[0003]人体器官芯片是近几年快速发展起来的一门前沿科学技术，是一种在芯片上构建的器官生理微系统，它以微流控芯片为核心，可以在体外模拟构建包含有多种活体细胞的组织器官微环境，反映人体组织器官的主要结构和功能特征。这种微缩的组织器官模型不仅可在体外接近真实地重现人体器官的生理、病理活动，还可能使研究人员以前所未有的方式来见证和研究机体的各种生物学行为，预测人体对药物或外界不同刺激产生的反应。然而，器官芯片在构建和形成过程中需要较长的时间，需要对其生长和分化过程进行监测，传统技术手段如免疫荧光染色、噻唑蓝比色法(MTT)、CCK8等难以实现实时、无创、在线监测器官芯片中细胞生长或受药物(毒性物质)刺激后的细胞行为，不能满足研究的需要。
[0004]基于微机电工艺制作的微电极是一种具有微型化、响应迅速、灵敏度高、信噪比高和易于实现阵列化等优点的传感单元。在器官芯片上集成微电极是更进一步的技术突破，该技术方案可实现非侵入、原位、持续的监测芯片中细胞的行为和状态。集成微电极的器官芯片旨在将器官芯片构建成为具有传感性能的培养设备，将更适用于药物或者环境污染物的毒性评估，快速、准确、高效的优势使其有望取代传统毒性检测手段。
[0005]针对目前动物实验和平面二维细胞培养难以准确评估药物/环境污染物对人体毒性，而器官芯片存在难以实现实时、无创、在线监测的问题，急需一种新的器官芯片来解决上述问题。
技术实现思路
[0006]本专利技术的目的在于提供一种集成微电极阵列的器官芯片及其制备和使用方法，以在准确评估药物/环境污染物对人体毒性的同时，实现实时、无创、在线监测。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术提供一种集成微电极阵列的器官芯片，包括自下而上依次堆叠设置的微电极层和微流控芯片层；所述微电极层包括透明的基底和附着于基底的
上表面的阵列微电极，每组微电极分别包括一组叉指结构，叉指结构与两条微引线相连，且每条微引线均与一个引脚相连；所述微流控芯片层包括一个进样口、多个细胞培养孔、一个出样口、自进样口分岔并与所有细胞培养孔均连通的进样流道、以及自出样口分岔并与所有细胞培养孔均连通的出样流道；每个叉指结构均与其中一个位于细胞培养孔沿竖直方向对齐的底部，细胞培养孔用于容置和培养细胞团、干细胞衍生相关器官或类器官。
[0008]优选地，所述微电极层的基底的材质为透明材料；所述微电极采用溅射或沉积或印刷工艺制得，材质为传感材料；所述微流控芯片层采用光刻或刻蚀工艺制得，材质为透光材料。
[0009]优选地，所述微电极层的基底的材质为玻璃或透明塑料，所述微电极的材质为多层传感材料，所述微流控芯片层的材质为聚二甲基硅氧烷或透明塑料。
[0010]优选地，单个微电极层上的微电极的叉指结构呈阵列排布；相应的，所述细胞培养孔的数量和阵列排布的形式与叉指结构一致。
[0011]优选地，每个叉指结构由至少15个导电指对交错排布而成，每个导电指对包括彼此间隔开的第一类导电指和第二类导电指，所有导电指的第一类导电指通过所述微引线的其中一条电连接在一起，所有导电指的第二类导电指通过所述微引线的另一条电连接在一起。
[0012]优选地，第一类导电指和第二类导电指的指长为0.2
‑
20mm，指宽为5
‑
5000μm，指间隙为5
‑
5000μm。
[0013]优选地，所述微流控芯片层由微流道下层和微流道上层组成；所述进样口直由贯穿微流道上层的通孔和进样流道的起始端的凹槽组成；所述进样流道为设于微流道下层的上表面的沟槽；所述细胞培养孔的直径为0.2
‑
30mm，深0.2
‑
20mm，由微电极层的上表面、贯穿进样流道末端的通孔和出样流道的起始端的凹槽组成；所述出样流道为微流道上层的下表面的沟槽；所述出样口由贯穿微流道上层的通孔和微流道下层的上表面组成；所述叉指结构至少一部分位于所述细胞培养孔的底部，所述叉指结构的尺寸大于细胞培养孔的尺寸，且所述叉指结构的厚度为100
‑
600nm；所述引脚的面积为1
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10mm2，至少一部分位于微电极层上且与微流控芯片层不重叠的区域。
[0014]另一方面，本专利技术提供一种集成阵列微电极的器官芯片的制备方法，其用于制作根据上文所述的集成阵列微电极的器官芯片，包括：
[0015]S1：采用透明材料作为基底，通过光刻或刻蚀工艺得到所需微电极的形状；通过沉积或溅射工艺在所述基底的一面制作所述微电极，得到的具有微电极的基底为微电极层；
[0016]S2：根据进样流道、细胞培养孔和出样流道的结构，通过光刻工艺或者注塑工艺制得所述微流控芯片层；
[0017]S3：将微电极层和微流控芯片层通过离子清洗机中清洗改性、对准、键合得到器官芯片；或者通过热塑封或者粘贴工艺将将微电极层和微流控芯片层对准、粘合得到器官芯片；其中，对准是指微流控芯片层的细胞培养孔与微电极层的叉指结构相对齐。
[0018]另一方面，本专利技术提供一种集成微电极阵列的器官芯片的使用方法，其基于上文所述的集成阵列微电极的器官芯片，包括：
[0019]A1：在所述集成微电极阵列的器官芯片中进行细胞团、干细胞衍生相关器官或类器官的培养和监测；
[0020]A2：利用培养有细胞团、干细胞衍生相关器官或类器官的集成微电极阵列的器官芯片进行物质毒性或药物检测。
[0021]本专利技术的集成微电极阵列的器官芯片以微流控技术为核心，通过细胞培养孔在芯片上培养细胞团、干细胞衍生相关器官或类器官以模拟人体组织或器官。透光材料可实现直接观察细胞形态，并通过微电极实时监测电化学交流阻抗谱检测芯片阻抗的变化，可实现非侵入、原位、持续的监测器官芯片中细胞团、干细胞衍生相关器官或类器官的存活状态，以评估物质或药物对人体组织或器官的影响。本专利技术兼具了器官芯片高度模拟人体组织或器官结构和功能的特性及微电极微型化、集成化、阵列化的优点，解决了传统毒性评估手段难以提供直接准确的毒性数据和器本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种集成微电极阵列的器官芯片，其特征在于，包括自下而上依次堆叠设置的微电极层和微流控芯片层；所述微电极层包括透明的基底和附着于基底的上表面的阵列微电极，每组微电极分别包括一组叉指结构，叉指结构与两条微引线相连，且每条微引线均与一个引脚相连；所述微流控芯片层包括一个进样口、多个细胞培养孔、一个出样口、自进样口分岔并与所有细胞培养孔均连通的进样流道、以及自出样口分岔并与所有细胞培养孔均连通的出样流道；每个叉指结构均与其中一个位于细胞培养孔沿竖直方向对齐的底部，细胞培养孔用于容置和培养细胞团、干细胞衍生相关器官或类器官。2.根据权利要求1所述的集成微电极阵列的器官芯片，其特征在于，所述微电极层的基底的材质为透明材料；所述微电极采用溅射或沉积或印刷工艺制得，材质为传感材料；所述微流控芯片层采用光刻或刻蚀工艺制得，材质为透光材料。3.根据权利要求2所述的集成微电极阵列的器官芯片，其特征在于，所述微电极层的基底的材质为玻璃或塑料，所述微电极的材质为多层传感材料，所述微流控芯片层的材质为聚二甲基硅氧烷或透明塑料。4.根据权利要求1所述的集成微电极阵列的器官芯片，其特征在于，微电极的叉指结构呈阵列排布；相应的，所述细胞培养孔的数量和阵列排布的形式与叉指结构一致。5.根据权利要求1所述的集成微电极阵列的器官芯片，其特征在于，每个叉指结构由至少15个导电指对交错排布而成，每个导电指对包括彼此间隔开的第一类导电指和第二类导电指，所有导电指的第一类导电指通过所述微引线的其中一条电连接在一起，所有导电指的第二类导电指通过所述微引线的另一条电连接在一起。6.根据权利要求5所述的集成微电极阵列的器官芯片，其特征在于，第一类导电指和第二类导电指的指长为0.2
‑
20mm，指宽为5
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5000μm，指间隙为5
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5000μm。7.根据权利要求1所述的集成微电极阵列的器官芯片，其特征在于，所述微流控芯片层由微...
【专利技术属性】
技术研发人员：葛玉卿，赵江贵，赵建龙，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：
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