TWI880615B - 仿生器官裝置 - Google Patents

Abstract

一種仿生器官裝置，包括器官晶片及電源模組。器官晶片包括第一本體、第二本體、有孔膜以及至少一壓電元件；有孔膜設置於第一本體及第二本體間，且與第一本體及第二本體構成流道系統，其中流道系統包括第一流道及第二流道，而第一流道位於第一本體與有孔膜之間，第二流道位於第二本體與有孔膜之間。至少一壓電元件設置於有孔膜之至少一側而與有孔膜連接，並且，與電源模組電性連接。電源模組用以驅動至少一壓電元件形變，且至少一壓電元件之形變帶動有孔膜之大小改變。

Description

仿生器官裝置

本發明是有關一種仿生技術，尤其是一種可以模擬生物體內微環境的一種仿生器官裝置。

傳統的細胞培養模式不能反映生物體組織和器官的複雜生理功能，動物實驗則有週期長、成本高等缺點，此外也難總是能直接預測生物體真實的反應。器官晶片模仿生物體器官的關鍵功能，重建器官在體內的生理環境，模擬生物體器官的結構、微環境和生理功能，並可做到參數的準確控制，且具小型化、整合化、效率高、降低成本等優點。而，為模擬器官細胞的拉伸及收縮，現行的器官晶片具有真空系統，透過抽真空拉伸細胞，以實現仿生效果。然，真空拉伸也拉扯細胞所附著的膜層，並會造成膜層破損及器官晶片故障，此外真空系統在製程上複雜，因此有待改善。

本發明提供一種仿生器官裝置，可用以模擬器官的動態微環境，且具有較為簡化的結構，利於簡化製程、降低成本及提升良率。

本發明所提供的仿生器官裝置包括器官晶片及電源模組。器官晶片包括第一本體、第二本體、有孔膜以及至少一壓電元件；有孔膜設 置於第一本體及第二本體間，且與第一本體及第二本體構成流道系統，其中流道系統包括第一流道及第二流道，而第一流道位於第一本體與有孔膜之間，第二流道位於第二本體與有孔膜之間。至少一壓電元件設置於有孔膜之至少一側而與有孔膜連接，並且，與電源模組電性連接。電源模組用以驅動至少一壓電元件形變，且至少一壓電元件之形變帶動有孔膜之大小改變。

本發明因採用壓電元件及有孔膜，因此可用以模擬器官、組織或細胞的拉伸及收縮，且使用上更為便利。再者本發明之器官晶片具有較為簡化的結構，因此有利於簡化製程、降低成本及提升良率。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

1:仿生器官裝置

10、10’:器官晶片

110:第一本體

111:表面

112:容置空間

120:第二本體

121:表面

122:容置空間

300:流道系統

310:第一流道

320:第二流道

400:有孔膜

410:第一膜表面

420:第二膜表面

500:壓電元件

510:第一壓電元件

520:第二壓電元件

60:電源模組

610:導線

X:第一方向

Y:第二方向

Z:第三方向

h:厚度

L1:第一邊長

L2:第二邊長

l:長度

圖1所示為本發明一實施例的仿生器官裝置的立體示意圖。

圖2所示為本發明一實施例的仿生器官裝置的部分立體分解示意圖。

圖3所示為圖1中沿AA的剖視示意圖。

圖4所示為本發明另一實施例的仿生器官裝置的部分立體分解示意圖。

圖5所示為本發明一實施例的壓電元件的俯視示意圖。

圖6所示為本發明一實施例的壓電元件及有孔膜形變的俯視示意圖。

圖7所示為本發明一實施例的壓電元件及有孔膜形變的另一俯視示意圖

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用來說明並非用來限制本發明。此外，本說明書或申請專利範圍中提及的「第一」、「第二」等用語僅用以命名元件(element)的名稱或區別不同實施例或範圍，而並非用來限制元件數量上的上限或下限。

圖1所示為本發明一實施例的仿生器官裝置的立體示意圖，圖2為圖1之分解圖，圖3為圖1中沿AA的剖視示意圖。如圖1~3所示，本發明實施例之仿生器官裝置包括器官晶片10及電源模組60，且電源模組60與器官晶片10電性連接。器官晶片10包括第一本體110、第二本體120、有孔膜400及至少一壓電元件500，其中有孔膜400設置於第一本體110及第二本體120間，而至少一壓電元件500與有孔膜400連接，並與電源模組60電性連接。

如圖2~3所示，第一本體110及第二本體120可有槽狀之結構，具容納空間及開口，且第一本體110之開口與第二本體120之開口相對而與有孔膜400構成器官晶片10的主要部分，其中，有孔膜400並於至少一側連接有壓電元件500。有孔膜400並可透過壓電元件500接合於第一本體110朝向第二本體120之表面111以及第二本體120朝向第一本體110之表面121。

有孔膜400與第一本體110及第二本體120構成流道系統300，其包括位於第一本體110與有孔膜400之間的第一流道310，以及位於第二本體120與有孔膜400之間的第二流道320。流道系統300還可包括輸/注孔(圖未示)，其可與第一流道310及/或第二流道320連通。輸/注孔能依任 何已知方式配置於器官晶片10，舉例來說，可形成於第一本體110及/或第二本體120，且進一步可使器官晶片10之內外部連通。

第一流道310及/或第二流道320可供至少一流體(圖未示)通過或停留其中，而有孔膜400在相對兩側具有膜表面，其中第一膜表面410位於第一流道310，第二膜表面420位於第二流道320，且流體可接觸第一膜表面410、第二膜表面420，並可進一步覆蓋之。有孔膜400可具有例如三維支架結構或網狀結構，且具柔性而可伸縮、延展。有孔膜400之孔徑可以奈米(nm)為尺寸單位，且可具有例如十幾奈米、數十奈米、數百奈米的範圍。有孔膜400之材料可包括例如聚對苯二甲酸乙二酯(PETE)、聚二甲基矽氧烷(PDMS)、聚氨酯、苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯(SEBS)、聚(甲基丙烯酸羥乙酯)(pHEMA)、聚乙二醇或聚乙烯醇、聚碳酸酯(PC)等，或其他天然材料或人工合成之高分子材料。在本發明若干實施例中，有孔膜400可為親水性的高分子材料，例如但不限於纖維素、澱粉、透明質酸、海藻酸、幾丁聚醣等多醣類，膠原蛋白、聚L-賴胺酸、聚L-穀胺酸等多胜肽類，以及聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚丙烯醯胺等人工合成聚合物。

有孔膜400並可作為細胞附著膜，供細胞附著於第一膜表面410及/或第二膜表面420，而進一步培養於前述流體中。第一膜表面410上及第二膜表面420上可附著相同或不同的細胞，而第一流道310及第二流道320中的流體可因應細胞種類而不同。舉例來說，在本發明若干實施例中，第一膜表面410用以附著肺泡上皮細胞，第二膜表面420用以附著微血管內皮細胞，而第一流道310通以含氧氣體，第二流道320通以培養液。

如上所述，有孔膜400於至少一側連接有壓電元件500。壓電元件500是一種可透過施加電壓產生形變的元件，或為一種經施加力(壓力) 後可產生電壓的元件。在本發明較佳實施例中，壓電元件500可透過施加電壓產生形變，且與之電性連接的電源模組60可驅動壓電元件500的形變。而，壓電元件500與有孔膜400間可透過一或多種任何已知手段例如熱壓、熔接、膠黏，或其他可達成連接的手段實現。在本發明若干實施例中，是採用具熱固或熱塑性之材料例如水膠來使壓電元件500與有孔膜400接在一起。當壓電元件500產生形變，其並可帶動與之連接的有孔膜400，例如拉動、推動有孔膜400，進而使其大小改變。

如圖2~3所示，壓電元件500可設置於第一本體110及第二本體120間；此時，壓電元件500可抵接於第一本體110之表面111及第二本體120之表面121。壓電元件500與第一本體110、第二本體120間亦可進一步透過一或多種任何已知手段例如膠黏、鎖固，或其他可達成接合的手段實現。此外在本發明若干實施中，器官晶片10可進一步具有容置空間以設置壓電元件500。容置空間可為例如凹槽或通道，且可形成於第一本體110之表面111及/或第二本體120之表面121。圖4所示為本發明另一實施例之仿生器官裝置的器官晶片的分解示意圖。如圖4所示，器官晶片10’具有容置空間122形成於第二本體120的表面121，而壓電元件500設置於容置空間122。此外在其他實施例中，第一本體110上亦可形成容置空間。第一本體110、第二本體120之容置空間可單獨地或組合後容置壓電元件500。

在本發明實施例中，壓電元件500之形變可包括其大小之改變，而大小之改變可進一步包含壓電元件500在任一方向上長度的改變。形變量可為例如0%~10%。如上所述，壓電元件500可抵接於第一本體110之表面111及第二本體120之表面121；而，當壓電元件500形變，該形變較佳不牴觸相對兩側之第一本體110及第二本體120。換句話說，在本發明 實施例中，壓電元件500之形變例如體積變大、體積縮小或長度增加、長度減少較佳發生於第一本體110及第二本體120相連接之第一方向Z以外的方向上。除此之外，壓電元件500之形變方向並無限制，舉例來說，壓電元件500之形變可發生在第二方向X上、第三方向Y上或其組合，其中第二方向X及第三方向Y可與第一方向Z垂直，且實質平行於有孔膜400之膜面。當壓電元件500在第二方向X上形變，則較佳可在第二方向X上帶動有孔膜400，從而有孔膜400可伸張或收縮；當壓電元件500在第三方向Y上形變，則可在第三方向Y上帶動有孔膜400。在本發明實施例中，有孔膜400的伸張或收縮可有在長度上相對於原長度0%~10%的變化量。

圖5所示為本發明一實施例的壓電元件的俯視示意圖。如圖2~3及圖5所示，壓電元件500之數量為二，包括第一壓電元件510及第二壓電元件520。第一壓電元件510及第二壓電元件520分別可大致呈矩形片狀或矩形板狀，具分別有第一邊長L1、第二邊長L2及厚度h，其中厚度h方向與第一方向Z大致平行，而第一邊長L1所在之方向垂直於第二方向X。在本實施例中，壓電元件500之具有第一邊長L1的一側與有孔膜400連接，其中第一壓電元件510及第二壓電元件520分別設置於有孔膜400的相對兩側，而有孔膜400之與第一壓電元件510或第二壓電元件520連接的一側具有長度l。較佳地，第一邊長L1與長度l長度實質相同，然不以此為限。在本實施例中，當壓電元件500在第二方向X上形變，有孔膜400可由與壓電元件500連接的一側受到拉動或推動，進而伸張或收縮。

圖6~7所示為本發明一實施例的壓電元件及有孔膜形變的俯視示意圖。如圖6所示，在若干實施例中，壓電元件500在一電壓下例如在第一電壓值下體積縮小且長度沿第一方向X減少，從而拉動有孔膜400伸張(箭頭示意有孔膜400的伸張動作)。而，如圖7所示，在若干實施例中， 壓電元件500在另一電壓下例如在第二電壓值下體積變大且長度沿第一方向X增加，從而推動有孔膜400收縮(箭頭示意有孔膜400的收縮動作)。第一電壓值與第二電壓值可由電源模組60提供，且在本發明較佳實施例中，兩者方向相反而數值不同，例如其一為正值而另一為負值。當第一電壓值或第二電壓值間隔一定時間施予壓電元件500，則有孔膜400可週期性地伸張或收縮，因此當作為細胞附著膜，能使細胞發生如在生物體內環境之拉伸或收縮。第一電壓值與第二電壓值亦可交替變化，使有孔膜400週期性地伸張與收縮。

壓電元件500的材料可包括天然或人造之無機化合物、金屬氧化物、金屬氮化物、酸性氧化物、高分子化合物或其組合，例如但不限於壓電單晶例如石英、鈮酸鋰(LiNbO₃)的壓電單晶，壓電陶瓷例如鈦酸鋇(BaTiO₃)、鈦酸鉍鈉((Bi,Na)TiO₃)、鋯鈦酸鉛(PTZ)及鉛、鋯、鈦、鋇氧化物的壓電陶瓷，壓電薄膜例如氧化鋅(ZnO)、氮化鋁(AlN)、鋯鈦酸鉛(PTZ)的壓電薄膜，以及壓電高分子膜例如[P(VDF-TrFE)]。在壓電元件500之造型上，不限於前述的矩形片狀及矩形板狀，舉例來說，可因應不同材料而有各種形態。此外亦可使用粉末態之壓電材料成型為合適的造型。在本發明若干實施例中，壓電元件500之造型進一步可配合第一本體110及第二本體120，而例如為棍狀或柱狀。

在本發明實施例中，壓電元件500可具有例如0%~10%的形變量，而，有孔膜400的形變量與壓電元件500之形變量可相同或不同。舉例來說，當有孔膜400的形變量與壓電元件500之形變量實質相同，且有孔膜400之相對兩側的壓電元件500例如第一壓電元件510及第二壓電元件520分別在第二方向X上增加10μm，則有孔膜400也可在第二方向X上拉伸10μm，但不以此為限。在其他實施例中，壓電元件500可僅設置於 有孔膜400之單一側；當其長度增加10μm，則有孔膜400可拉伸5μm，但不以此為限。在本發明若干實施例中，還可依據對於有孔膜400形變量之需求，例如有孔膜400在長度上0%~10%的變化量，推得且決定壓電元件500的形變量。

如前所述，電源模組60與壓電元件500電性連接，其中壓電元件500可透過施加電壓產生形變，而電源模組60可驅動壓電元件500的形變。電源模組60與壓電元件500的連接可透過例如線材來實現。在本發明較佳實施例中，電源模組60包括電源供應器610及至少一導線組620。至少一導線組620與壓電元件500連接；電源供應器610位於器官晶片10外，用以施加電壓於壓電元件500，使其可因電壓形變。如圖1所示，導線組620可從壓電元件500之一端延伸且與電源供應器610連接，但不以此為限。電源供應器610可輸出至少一電壓值，包括例如第一電壓值、第二電壓值或兩者，且第一電壓值與第二電壓值不同。當電源供應器610沒有施加電壓於壓電元件500，可視為輸出的電壓值為零，或可謂沒有輸出電壓。

舉例來說，電源供應器610可輸出第一電壓值、第二電壓值及第三電壓值，三個電壓值不同，且其中之一為零。為方便說明，將第三電壓值作為零，且視為預設值。在第三電壓值下，壓電元件500沒有形變量，有孔膜400也不發生伸張或收縮，而在第一電壓值下，舉例來說，壓電元件500之體積縮小而有孔膜400伸張，反之，在第二電壓值下壓電元件500之體積變大而有孔膜400收縮。第一電壓值、第二電壓值及第三電壓值的單位可為伏特(V)，具體數值則可因壓電材料而有不同。舉例來說，在本發明若干實施例中，配合壓電陶瓷而輸出的電壓值可為例如-110V~110V。

電源供應器610可交替輸出第一電壓值、第二電壓值、第三電壓值中任兩者，舉例來說，交替輸出第一電壓值及第二電壓值，並使有孔膜400交替發生伸張與收縮，或者，交替輸出第一電壓值及第三電壓值而使有孔膜400週期性地伸張。因此，當有孔膜400作為細胞附著膜，能使細胞發生如在生物體內環境之拉伸或收縮；搭配流道系統300，更可真實模擬器官的動態微環境。

本發明因使用壓電元件500，因此提供一種與傳統真空方式完全不同，可用以模擬器官、組織或細胞拉伸/收縮的手段。使用者從器官晶片10外部設定電源供應器610，即可達到模擬器官/組織/細胞拉伸或收縮的效果，相較於透過真空系統抽、送氣更為便利。此外，相較於傳統之真空系統需透過在器官晶片內部配置供抽、送氣的通道而得以完成，本發明的器官晶片10因毋須真空系統，因此可具有較為簡化的結構與製程，有利於降低成本及提升良率。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1:仿生器官裝置

10:器官晶片

110:第一本體

120:第二本體

400:有孔膜

500:壓電元件

60:電源模組

610:電源供應器

620:導線組

Claims (15)

1. 一種仿生器官裝置，包括一器官晶片及一電源模組；該器官晶片包括一第一本體、一第二本體、一有孔膜以及至少一壓電元件，其中： 該有孔膜設置於該第一本體及該第二本體間，且與該第一本體及該第二本體構成一流道系統；該流道系統包括： 一第一流道，位於該第一本體與該有孔膜之間；以及 一第二流道，位於該第二本體與該有孔膜之間；以及 該至少一壓電元件設置於該有孔膜之至少一側而與該有孔膜連接，且該至少一壓電元件與該電源模組電性連接； 其中，該電源模組用以驅動該至少一壓電元件形變，且該至少一壓電元件之形變帶動該有孔膜之大小改變。
2. 如請求項1所述之仿生器官裝置，其中該電源模組用以施加電壓於該至少一壓電元件，而該至少一壓電元件因電壓而形變。
3. 如請求項1所述之仿生器官裝置，其中該有孔膜用以作為一細胞附著膜；該有孔膜具有一第一膜表面及一第二膜表面；該第一膜表面位於該第一流道，該第二膜表面位於該第二流道，且該第一膜表面、該第二膜表面或其組合用以供細胞附著。
4. 如請求項1所述之仿生器官裝置，其中該第一流道、該第二流道或其組合用以供至少一流體通過，且該至少一流體接觸該有孔膜之至少一膜表面。
5. 如請求項1所述之仿生器官裝置，其中該至少一壓電元件進一步設置於該第一本體及該第二本體間；該第一本體及該第二本體在一第一方向上連接，而該至少一壓電元件之形變發生在不同於該第一方向的一方向上。
6. 如請求項5所述之仿生器官裝置，其中該至少一壓電元件之形變發生在一第二方向上；該第二方向垂直於該第一方向，且該至少一壓電元件之形變帶動該有孔膜在該第二方向上伸張或收縮。
7. 如請求項5所述之仿生器官裝置，其中該至少一壓電元件之形變包括該至少一壓電元件大小之改變。
8. 如請求項5所述之仿生器官裝置，其中該至少一壓電元件之形變包括該至少一壓電元件在該方向上之長度的改變。
9. 如請求項6所述之仿生器官裝置，其中該有孔膜於該至少一側具有一長度；該至少一壓電元件之造型為矩形、片狀、板狀或柱狀，且具有一厚度及一邊長，其中該邊長之方向不同於該第二方向；該至少一壓電元件以具有該邊長之一側連接於該有孔膜，且該邊長與該有孔膜之該長度實質相同。
10. 如請求項1所述之仿生器官裝置，其中該至少一壓電元件包括一第一壓電元件及一第二壓電元件分別設置於該有孔膜之相對兩側。
11. 如請求項2所述之仿生器官裝置，其中該電源模組包括一電源供應器及至少一導線組；該至少一導線組與該至少一壓電元件連接，而該電源供應器透過該至少一導線組施加電壓於該至少一壓電元件。
12. 如請求項11所述之仿生器官裝置，其中該電源供應器輸出至少一電壓值；該至少一電壓值包括一第一電壓值、一第二電壓值或其組合，該第一電壓值與該第二電壓值不同，且至少之一不為零。
13. 如請求項1所述之仿生器官裝置，其中該第一本體具有一下表面，該第二本體具有一上表面，且該第一本體以該下表面面向該上表面而與該第二本體相連接；該器官晶片更具有一容置空間形成於該上表面、該下表面或其組合，且該至少一壓電元件設置於該容置空間。
14. 如請求項13所述之仿生器官裝置，其中該容置空間包括凹槽、通道或其組合。
15. 如請求項1所述之仿生器官裝置，其中該壓電元件之材料包括天然或人造之無機化合物、金屬氧化物、金屬氮化物、酸性氧化物、高分子化合物或其組合。

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