一种基于负磁泳的微重力环境下类器官芯片系统及培养方法技术方案

本发明专利技术公开了种基于负磁泳的微重力环境下类器官芯片系统及培养方法，所述统包括非磁性箱体，其内部设置微流体芯片，微流体芯片置于升降平台上，微流体芯片通过导管分别与储液池、废液池连通，储液池与空气注射泵导管连接，非磁性箱体各个壁面设置电磁铁，非磁性箱体与导线连接。本发明专利技术装置利用电磁体产生磁场，模拟太空微重力环境，在微重力条件下进行磁悬浮干细胞自组装，形成多细胞的类器官，通过可控微流体作用模拟类器官微环境，可用于太空微重力环境下组织和类器官构建与发育、组织工程、体外生理/病理/药理模型构建、药物研究等方面。面。面。

【技术实现步骤摘要】
一种基于负磁泳的微重力环境下类器官芯片系统及培养方法


[0001]本专利技术属于生物微流控芯片及培养方法，特别涉及基于负磁泳的微重力环境下类器官芯片系统及培养方法。

技术介绍

[0002]长时间处于太空微重力环境，可能导致航天员出现多种生物损伤，包括心血管系统、肌肉运动系统、神经系统和免疫系统等。因此，需要研究一种能够模拟太空微重力环境的系统，观测长期太空微重力状态下人体组织/器官的变化，研究组织/器官结构组成的变化机理，评估重力水平对组织/器官功能的影响，构造微重力环境下受损组织/器官的病理模型，研究药物作用功效，保护宇航员健康并推动太空再生医学发展。
[0003]微重力下的实验是验证地面空间赋能技术的基本步骤之一。复杂空间操作的测试和演示要求地面测试系统应提供一个长期、大规模、准确、可控和几乎真实的微重力测试环境，以模拟与空间相同的程度的空间运动。目前，一般是采用环境模拟方法，包括零重力飞机、落塔和微重力旋转仪；
[0004]零重力飞机可以模拟短期微重力环境，其中测试的机身在飞机潜水期间自由坠落(类似于抛物线飞行)。但是零重力飞机有几个明显的缺点，例如微重力持续时间短(10
‑
30秒)、飞机内部体积小、工作空间有限、成本高，飞机动态运动过程中易导致工作环境不平滑或抖动。落塔使用自由落体定律模拟零重力环境，但它不适合模拟航天器的长期运行。微重力旋转仪通过可拆卸的固定装置将生物培养微流控芯片侧面固定，生物培养微流控芯片固定在微重力回转仪上，通过回转仪的旋转模拟微重力环境，但只能定期取出更换培养基，无法长期、稳定地维持组织/器官周围的微环境。
[0005]利用磁悬浮技术在地面搭建一个培养细胞的微重力环境，有利于解决上述问题，模拟细胞组织在太空中的微重力环境，以求更方便的探微重力环境对细胞活动的影响。同时，利用磁悬浮，还能同步实现组织/类器官的自组装，这种方法不需要制造支架和其他牺牲性结构。目前磁性修饰技术的操作流程复杂，对操作人员的专业性要求高、成本控制较难，同时需要考虑用于标记的磁纳米颗粒在细胞生长过程中与细胞间的生物相容性。
[0006]负磁泳是指在含磁流体的溶液中，非磁性颗粒在磁流体中受到磁场力的作用，会出现和磁场强度相反的磁浮力，受到磁浮力影响的非磁性颗粒包括但不限于细胞等，会在朝着磁场强度减小的方向运动。其优势在于无需对目标颗粒进行标记和修饰，能最大程度的保留目标颗粒的生物特性。通过改变磁流体溶液中的磁流体浓度可以调节负磁泳力大小，控制粒子运动轨迹。因此，本专利提出一种基于负磁泳的微重力模拟系统，利用其中的类器官芯片仿生组织/器官生理微环境特征，并观测其结构或功能在微重力环境下的变化情况。

技术实现思路

[0007]专利技术目的：本专利技术目的是提供一种基于负磁泳的微重力环境下类器官芯片系统。
[0008]本专利技术的另一目的是提供所述基于负磁泳的微重力环境下类器官芯片系统的培养方法。
[0009]技术方案：所述的基于负磁泳的微重力环境下类器官芯片系统，包括非磁性箱体，其内部设置微流体芯片，微流体芯片置于升降平台上，微流体芯片通过导管分别与储液池、废液池连通，储液池与空气注射泵导管连接，非磁性箱体各个壁面设置电磁铁，非磁性箱体与导线连接。
[0010]通过调节不同方向上的电磁铁的磁性大小，实现干细胞等非磁性目标在受到电磁场力的作用下向目标内壁运动，实现对类器官芯片的对应内壁的细胞附着。在封闭的亚克力板箱各内壁上都镶嵌上一个电磁铁，负磁泳效应提供磁场力支持。在磁场的作用下，非磁性的干细胞等和磁性的Gd
3+
磁流体培养液显示出受力差异。类器官芯片(微流体芯片)内部的非磁性颗粒受到磁场力的作用是由磁场强度大的方向指向磁场强度小的方向的。通过不同方位的电磁体I
‑Ⅵ
的六个电磁体通电和断电，在类器官芯片外部的不同方位产生梯度磁场，实现对干细胞等非磁性颗粒的运动控制，引导干细胞向不同的方向悬浮生长。
[0011]提供磁场方式为电磁铁，用于平衡非磁性颗粒的重力以及控制细胞聚集性生长。
[0012]每个提供电磁场的电磁铁可独立的电源控制开关，保证其工作独立不受影响。
[0013]内置非磁体手动升降平台，放置类器官芯片以及调节芯片距离电磁铁位置。
[0014]非磁性外壳箱体包括但不限于塑料、亚克力板。
[0015]升降平台包括但不限于使用塑料、亚克力板制作，不会影响磁场的正常分布。
[0016]可从箱体正上方打开，正方设有开门把手，上方开门面通过合页与箱体侧面相连。
[0017]当非磁性或者抗磁性物质在磁性溶液中受到外加梯度磁场作用时，因物质本身与磁流体之间的磁化差异性，使得非磁性或者抗磁性物质也会产生梯度磁场力作用，朝着远离磁场源的方向运动，这一现象通常被称为负磁泳。
[0018]负磁泳力的大小可表示为：
[0019][0020]其中V为非磁性颗粒的颗粒体积，χ是非磁性颗粒的磁化率，χ
f
为磁流体的磁化率，μ0＝4*pi*10
‑7H/m的真空磁导率，B为磁感应强度；
[0021]将带有干细胞的Gd
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磁流体培养液注射进入类器官芯片。将培养液置于磁场环境中，该培养液含有Gd
3+
磁流体，该磁流体培养液在磁场作用下显示磁性。
[0022]特别的，该Gd
3+
磁流体培养液具有生物相容性，能够用于附着后的细胞生长，由于钆盐无色，能够方便观测细胞。
[0023]通过负磁泳特性，使干细胞向目标表面附着。所述的干细胞等微纳级粒子都属于非磁性颗粒，其磁导率远远低于Gd
3+
磁流体培养液；
[0024]在外磁场的作用下，非磁性颗粒受到的磁浮力由磁场强度由大到小的磁场梯度方向；
[0025]通过调节对应位置的通过电磁铁的电流大小，改变电磁铁的磁场强度，使得携带干细胞的Gd
3+
磁流体培养液在梯度磁场力的作用下，干细胞能够向指定表面移动并附着。所述Gd
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磁流体培养液具有生物相容性，不会影响细胞的存活与生长。所述Gd
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磁流体培养液适宜细胞存活不短于72小时。所述Gd
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磁流体培养液中，适宜浓度的Gd
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被证明是无毒的，
适宜的浓度与人体血细胞是等渗的。所述Gd
3+
在磁流体培养液中的含量为17.3％
‑
19.5％，保证生物相容性。
[0026]微流体芯片主体由聚二甲基硅氧烷PDMS，该材质无法透气，需要在培养基中额外添加缓冲剂。
[0027]PDMS与玻璃片之间的固定由PMMA双面胶相互粘合，或者由热压键合封合。
[0028]培养液：所述Gd
3+
在磁流体培养液提供干的存活环境，能够用于培养细胞所述Gd
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在磁流体培养液在磁场中表现出磁性。由于Gd
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于负磁泳的微重力环境下类器官芯片系统，其特征在于，包括非磁性箱体(3)，其内部设置微流体芯片(10)，微流体芯片(10)置于升降平台(9)上，微流体芯片(10)通过导管分别与储液池(6)、废液池(12)连通，储液池(6)与空气注射泵(5)导管连接，非磁性箱体(3)各个壁面设置电磁铁(4)，非磁性箱体(3)与导线(2)连接。2.根据权利要求1所述的基于负磁泳的微重力环境下类器官芯片系统，其特征在于，非磁性箱体(3)上方设置开门面。3.根据权利要求1所述的基于负磁泳的微重力环境下类器官芯片系统，其特征在于，非磁性箱体(3)的材质为塑料或亚克力板。4.根据权利要求1所述的基于负磁泳的微重力环境下类器官芯片系统，其特征在于，微流体芯片(10)底层用玻璃片封装。5.根据权利要求1所述的基于负磁泳的微重力环境下类器官芯片系统，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱莉娅，戴宏韬，周智宁，张跃翰，唐文来，
申请(专利权)人：南京师范大学，
类型：发明
国别省市：