TWI421340B

TWI421340B - 微流道晶片及其使用方法

Info

Publication number: TWI421340B
Application number: TW099107681A
Authority: TW
Inventors: chen wei Wu; Cheng Hsien Liu; Chau Ting Yeh; hui ling Lin; Hsin Yu Lai; Tzu Chi Yu
Original assignee: Nat Univ Tsing Hua
Priority date: 2010-03-16
Filing date: 2010-03-16
Publication date: 2014-01-01
Also published as: TW201132757A; US20100216244A1; US8759096B2

Description

微流道晶片及其使用方法

本發明係關於一種組織培養裝置，特別是關於一種微流道晶片及其使用方法。

由於人體系統複雜，為瞭解藥物對人體的影響，目前通常是先試驗於細胞層級，研究人員從細胞對藥物的反應而推論可能之人體作用模式，藥物引起細胞外部型態及內部代謝的一系列變化，透過藥物對細胞的檢測分析，可推測藥物的作用機制，評估藥物活性與毒性，而若能更進一步直接進行藥物對身體組織的檢測分析，了解藥物對身體組織的活性及毒性，將更能貼近藥物對人體實際的影響。

過去傳統肝臟組織培養的方法：主要可以分為：(A)靜置培養(B)振動培養(C)單邊灌流培養及(D)雙邊灌流培養。(A)靜置培養與(B)振動培養最大的問題點在於新鮮的培養液無法有效的進入到培養的肝臟組織內部，造成靜置培養過一段時間後，肝臟組織內部的細胞會開始死亡，最後完全失去肝臟組織的基本功能，目前臨床肝臟組織培養的極限約3~5個培養天數。而(C)單邊灌流培養與(D)雙邊灌流培養利用單邊及雙邊灌流的方式企圖增加肝臟組織的存活率，但缺乏良好的設計，仍無法真正對肝臟組織進行高效率地養分供應，肝臟組織內部細胞因無法從新鮮的培養液中獲取養分而逐漸開始凋亡，最後整個肝臟組織呈現壞死狀態。因此發展一種能高效率地供給肝臟組織的裝置，提高肝臟組織的存活率，將是目前此領域急待解決的問題。

而隨著微小化技術的日趨成熟，很多傳統的培養皿漸漸被晶片取代，當進行藥物刺激反應研究時，微小化技術可大量節省檢體數量，並可一次進行多樣反應。

結合習知技術之優點及改善其缺點，經過悉心試驗與研究構思出本發明之微流道晶片，將此微流道晶片應用於體外組織之維持，可延長組織於體外之存活時間、維持其基本功能，並藉由微小化技術加速進行藥物對身體組織之反應研究。

先前技術所具有之缺點在於，無法真正對肝臟組織進行高效率的養份供應，在培養一段時間後，容易造成肝臟組織內部細胞無法從新鮮的培養液中獲取養分而逐漸開始凋亡，使整個肝臟組織呈現壞死狀態。

因此，本發明之一目的在提供一種微流道晶片，可有效地用於體外組織的培養。

本發明之另一目的在提供一種使用如前述之微流道晶片培養體外組織之方法。

本發明為解決習知問題所採用之技術手段為一種微流道晶片，可供一具有預定流速之培養液輸入及輸出，以培養一動物肝組織之體外組織，包括：一基材，具有一表面；至少一組織培養區，形成於基材之表面，組織培養區具有一微流道，係由複數個具有預定深度之幾何形結構(如噴嘴型結構) 所連接形成，該噴嘴型結構係為一複數個三角形結構，該三角形結構以三角形之一尖部與鄰近三角形之一底邊相連，在相鄰之幾何形結構間定義有一預定夾角，用以調整該培養液於該微流道之流場分布，預定夾角介於0至90度，依實際流場需求擇一適當角度使用，較佳範圍介於45至90度，各個相連之幾何形結構之連接處具有一預定寬度，可用以避免培養之體外組織隨培養液流動，微流道具有一輸入口與一輸出口，分別位於微流道之兩端以供培養液之輸入及輸出，在微流道底部開設有至少一氣體交換孔，微流道更貼附有一高分子膜層，高分子膜層之表面培養有複數個細胞；以及一可用以對應地覆蓋於基材之上蓋。

本發明之另一實施例，係具有複數個組織培養區之微流道晶片，該複數個組織培養區係一一地連接形成至少一一維陣列，且一維陣列具有一輸入口及一輸出口，分別位於一維陣列之兩端，在基材之表面更形成有至少一側流道，各個側流道係分別連通於一維陣列之輸入口及相連之組織培養區之連接處。

本發明之又一實施例為一種培養體外組織之方法，使用如前述之微流道晶片，包含以下步驟：(a)提供一培養有複數個細胞之高分子膜層(聚二甲基矽氧烷之材質)；(b)在微流道之氣體交換孔外提供一機械力，使高分子膜層受到機械力之吸引，將高分子膜層貼附於微流道晶片之微流道；(c)將一體外組織置於高分子膜層上，將一上蓋對應地覆蓋於微流道晶片之基材；(d)由微流道之輸入口輸入一具有預定流速之培養液。

經由本發明所採用之技術手段，利用微流道晶片之幾何形結構(噴嘴型結構)之結構設計，在培養液輸入微流道晶片之微流道時，可有效地降低邊界流速及應力，應用於體外組織維持時，將可延長組織於體外之存活時間，維持其基本功能及加速藥物之檢測。

本發明之一種微流道晶片及其使用方法將可由以下的實施例說明而得到充分瞭解，使得熟習本技藝之人士可以據以完成之，然而本案之實施並非可由下列實施例而被限制其實施型態，熟習本技藝之人士仍可依據除既揭露之實施例的精神推演出其他實施例，該等實施例皆當屬於本發明之範圍。

第一實施例

參閱第1~2圖，第1圖為本發明第一實施例之分解立體圖，第2圖為第1圖結合後之立體圖。如圖所示，本實施例之微流道晶片100可供一具有預定流速之培養液輸入及輸出以培養一體外組織，其包括一基材1及一上蓋2，其中基材1之材質係為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，而上蓋2之作用係可用以對應地覆蓋於基材1。

基材1具有一表面10，在基材1之表面10形成有至少一組織培養區11(本實施例以一組組織培養區作說明，但非僅限於此)。組織培養區11具有一微流道12，係由複數個具有預定深度之幾何形結構121所連接形成。微流道具有一輸入口122與一輸出口123，分別位於微流道12之兩端可供培養液之輸入及輸出，在微流道12底部開設有至少一氣體交換孔124，藉此進行氣體的交換。

參閱第3圖，係顯示本發明第一實施例之基材之上視圖。如圖所示，在本實施例之微流道晶片100中，幾何形結構121為一種噴嘴型結構，但非僅限於此。其中相鄰之幾何形結構121間定義有一預定夾角A(例如圖中所示，幾何形結構底邊與相鄰幾何形結構之斜邊所夾角度)，不同的預定夾角A會影響微流道12內流場的分佈。經電腦模擬結果，最大流速出現在幾何形結構121連接處，不同的預定夾角A對應不同的最大流速，可根據將體外組織放入微流道晶片100的實際情形以及體外組織適合承受的應力選擇預定夾角A，以解決體外組織內部無法獲取新鮮培養液的問題。為降低邊界流速，使其對細胞造成的影響較小，夾角A視實際所需流場流速而定，於0至90度選擇一最適角度，使細胞較能正常分泌蛋白質提供給予體外組織。由實驗結果證實，最佳之預定夾角為84度。而各個相連之幾何形結構121之連接處有一預定寬度D，可避免所培養之體外組織受到流場的作用隨培養液流動。

參閱第4圖，係顯示本發明基材之4-4斷面之剖視圖。如圖所示，基材1的微流道12上貼附一層高分子膜層13，其中高分子膜層13是軟性的可撓曲材料，本實施例所選用之材質為聚二甲基矽氧烷(PDMS)，且在高分子膜層13表面培養有複數個細胞C(本實施例為間皮細胞)，而動物肝組織之體外組織T置於高分子膜層13上方，與間皮細胞直接接觸，所培養之間皮細胞可分泌、提供動物肝組織所需的蛋白質，以維持、延長動物肝組織之基本功能或存活時間。

第二實施例

參閱第5圖，係顯示第二實施例中具有複數個組織培養區之基材之上視圖。如圖所示，在本實施例之基材1a中，具有複數個組織培養區11a、11b、11c，係一一地連接形成至少一個一維陣列14。其中一維陣列14具有一個輸入口141及一個輸出口142，分別位於一維陣列14的兩端，且基材1a中還包括分別形成有一側流道15a、15b，各個側流道15a、15b分別連通於一維陣列14之輸入口141及相連的組織培養區之連接處，如側流道15a連通於一維陣列14之輸入口141及組織培養區11b、11c之連接處，側流道15b連通於一維陣列14之輸入口141及組織培養區11a、11b之連接處。

第三實施例

參閱第6圖及第7A~7F圖，第6圖係顯示第三實施例之流程圖，而第7A~7F圖係顯示對應於第6圖中各步驟之示意圖。

步驟101：提供一培養有複數個細胞C之高分子膜層13。如第7A圖所示，將聚二甲基矽氧烷(PDMS)材質所製成之高分子膜層13上培養複數個細胞C。由臨床實驗已知間皮細胞(Mesothelial cells)能分泌特殊蛋白質，對培養肝組織有絕對幫助。因此在軟性可撓曲材料之高分子膜層13上培養間皮細胞，以便於後續步驟能增加間皮細胞與肝組織的接觸面積，使得更多對肝組織有益的蛋白質能夠被肝組織吸收。

步驟102：將該高分子膜層13貼附於該微流道晶片100之微流道12。如第7B~7C圖所示，將步驟101培養複數個細胞C之高分子膜層13平放於該微流道晶片100之微流道12上，由於高分子膜層13為軟性的可撓曲材料，在該微流道12之氣體交換孔124外提供一機械力F，可將此複數個細胞C之高分子膜層13產生形變而貼合於該微流道晶片100之微流道12。

步驟103：將一體外組織T置於該高分子膜層13上。如第7D圖所示，將一體外組織T如動物肝組織置於步驟102之高分子膜層13上，使動物肝組織周圍可以直接與間皮細胞接觸。

步驟104：將一上蓋對應地覆蓋於該微流道晶片之基材。如第7E圖所示，將上蓋2對應地覆蓋於該微流道晶片100之基材1。

步驟105：由該微流道12之輸入口122輸入一具有預定流速之培養液。如第7F圖所示，可利用一輸液幫浦3，連接至微流道晶片100之輸入口122處，經由該微流道12之輸入口122輸入一具有預定流速之培養液，步驟103之體外組織T將受到流場的作用而嵌入至幾何形結構121之連接處，可避免步驟103之體外組織T隨培養液流動。且體外組織T之間亦可透過培養液之流動，互相釋放或吸收益於成長之蛋白質。

100‧‧‧微流道晶片

1、1a‧‧‧基材

2‧‧‧上蓋

3‧‧‧輸液幫浦

10‧‧‧表面

11、11a、11b、11c‧‧‧組織培養區

12‧‧‧微流道

121‧‧‧幾何形結構

122‧‧‧輸入口

123‧‧‧輸出口

124‧‧‧氣體交換孔

13‧‧‧高分子膜層

14‧‧‧一維陣列

141‧‧‧輸入口

142‧‧‧輸出口

15a、15b‧‧‧側流道

A‧‧‧預定夾角

C‧‧‧細胞

D‧‧‧預定寬度

F‧‧‧機械力

T‧‧‧體外組織

第1圖係顯示本發明第一實施例之分解立體圖；第2圖係顯示第1圖結合後之立體圖；第3圖係顯示本發明第一實施例之基材之上視圖；第4圖係顯示本發明基材之4-4斷面之剖視圖；第5圖係顯示第二實施例中具有複數個組織培養區之基材之上視圖；第6圖係顯示第三實施例之流程圖；第7A圖係顯示提供一已培養複數個細胞之高分子膜層第7B圖係顯示將該高分子膜層平放於該微流道晶片之微流道第7C圖係顯示將氣體交換孔施加一機械力使該高分子膜層貼附於該微流道晶片之微流道第7D圖係顯示將一體外組織置於該高分子膜層上第7E圖係顯示將一上蓋對應地覆蓋於該微流道晶片之基材第7F圖係顯示由該微流道之輸入口輸入一具有預定流速之培養液

100．．．微流道晶片

1．．．基材

2．．．上蓋

10．．．表面

11．．．組織培養區

12．．．微流道

121．．．幾何形結構

122．．．輸入口

123．．．輸出口

124．．．氣體交換孔

Claims

一種微流道晶片，可供一具有預定流速之培養液輸入及輸出以培養一體外組織，包括：一基材，具有一表面；至少一組織培養區，形成於該基材之表面，該組織培養區具有一微流道，係由複數個具有一預定深度之幾何形結構所連接形成，該微流道具有一輸入口與一輸出口分別位於該微流道之兩端以供該培養液之輸入及輸出，在該微流道底部開設有至少一氣體交換孔；其中，該幾何型結構為一噴嘴型結構，該噴嘴型結構係為一複數個三角形結構，該三角形結構以三角形之一尖部與鄰近三角形之一底邊相連，該尖部與底邊形成一預定夾角。
如申請專利範圍第1項所述之微流道晶片，其中該預定夾角係大於0度並且小於90度。
如申請專利範圍第1項所述之微流道晶片，其中該預定夾角係大於或等於45度並且小於90度。
如申請專利範圍第1項所述之微流道晶片，其中該各個相連之幾何結構之連接處具有一預定寬度，用以避免該培養之體外組織隨該培養液流動。
如申請專利範圍第1項所述之微流道晶片，其中該微流道更貼附有一高分子膜層。
如申請專利範圍第5項所述之微流道晶片，其中該高分子膜層之材質係為聚二甲基矽氧烷。
如申請專利範圍第5項所述之微流道晶片，其中該高分子膜層之表面培養有複數個細胞。
如申請專利範圍第7項所述之微流道晶片，其中該細胞係為間皮細胞。
如申請專利範圍第1項所述之微流道晶片，其中該基材之材質係為聚甲基丙烯酸甲酯。
如申請專利範圍第1項所述之微流道晶片，其中該體外組織係源自於動物。
如申請專利範圍第1項所述之微流道晶片，其中該體外組織係源自於動物肝組織。
如申請專利範圍第1項所述之微流道晶片，更包括一上蓋，用以對應地覆蓋於該基材。
如申請專利範圍第1項所述之微流道晶片，其中該微流道晶片具有複數個組織培養區。
如申請專利範圍第13項所述之微流道晶片，其中該複數個組織培養區係一一地連接形成至少一一維陣列，且該一維陣列具有一輸入口及一輸出口，分別位於該一維陣列之兩端。
如申請專利範圍第14項所述之微流道晶片，其中在該基材更包括形成有至少一側流道，該各個側流道係分別連通於該一維陣列之輸入口及該相連之組織培養區之連接處。