仿生毛细血管网络耦合的肾功能微流控芯片及使用方法与流程

本发明属于生物医学工程与微流控芯片，具体涉及一种集成滤过与重吸收功能的仿生肾微流控芯片，尤其适用于体外模拟肾脏滤过与重吸收功能的医学研究。

背景技术：

1、肾脏是人体重要的代谢与排泄器官，其核心功能包括肾小球滤过及肾小管重吸收等过程，这些功能依赖于肾单位中复杂的三维结构及血流-上皮之间的物质交换。肾小球滤过作用依赖于入球小动脉与出球小动脉之间形成的独特血流动力学微环境——入球小动脉具有高阻力特性以维持肾小球毛细血管的高压状态，而出球小动脉分支形成管周毛细血管网络，包绕肾小管，为肾小管重吸收提供物质交换的结构基础。上述血管结构与血流动力学特征共同构成了肾单位正常生理功能的结构与功能基础。

2、传统研究方法如动物模型和二维细胞培养在一定程度上推动了肾脏相关研究的发展，但仍存在明显局限。动物模型存在种属差异大、成本高及伦理限制等问题，难以反映人体的真实生理与病理过程；二维细胞培养体系则缺乏真实的三维空间结构与流体微环境，无法模拟体内细胞所承受的流体剪切力及物质交换条件，难以准确再现肾脏的生理功能。近年来，基于类器官的三维培养技术虽能在一定程度上重建肾脏组织的三维结构，但由于缺乏稳定可控的灌流系统，其在长期功能维持及成熟度方面仍存在不足。

3、随着微流控技术的发展，基于pdms等材料的器官芯片（organ-on-a-chip）为体外模拟复杂器官功能提供了新的技术路径，其核心优势在于能够在微米尺度上精确控制流体流动、构建细胞微环境并实现多种细胞类型的共培养。现有肾脏芯片通常通过构建微通道实现细胞共培养及流体剪切力模拟，在肾小管模型或滤过屏障模型方面已取得一定进展。例如，部分研究构建了具有肾小管上皮细胞的单通道芯片以模拟重吸收功能，另有一些研究通过在多孔膜两侧分别培养肾小球内皮细胞与足细胞以构建滤过屏障模型。

4、然而，现有技术仍存在以下不足：

5、其一，缺乏“滤过-重吸收”连续功能耦合。现有肾脏芯片大多集中于单一功能模块的构建，例如仅模拟肾小管重吸收或仅模拟肾小球的滤过过程，尚未实现在同一芯片上对“肾小球滤过→肾小管重吸收”这一完整生理过程链的连续性模拟，导致其功能完整性不足，难以全面评估药物对整个肾单位功能的影响。

6、其二，血管结构的仿生性不足。现有微流控芯片的血管通道多采用简单的直线或单一弯曲通道结构，既未模拟入球小动脉的高阻力血流特征，也未反映出入球小动脉分支形成管周毛细血管网的复杂三维网络结构。这种简化的通道设计导致芯片内部的流体阻力分布、剪切力水平及流动模式与体内真实情况存在显著偏差，难以准确复现肾单位特有的血流动力学微环境。

7、其三，物质交换界面的设计不合理。现有芯片多采用平面并列式的通道布局，血管通道与肾小管通道之间距离较大或接触面积有限，无法实现体内管周毛细血管与肾小管之间紧密的空间耦合与高效物质交换。此外，部分芯片中两种通道之间仅依靠扩散进行物质传递，缺乏足够的对流作用，进一步限制了物质交换效率。

8、其四，类器官培养与灌流系统脱耦。现有系统中，类器官的培养与灌流通常分属不同的操作阶段或模块，类器官在芯片内缺乏稳定的物理支撑与灌注界面。部分设计将类器官直接暴露于流体冲刷环境中，易造成细胞损伤或类器官解体；而另一些设计则在静态条件下培养类器官，无法实现持续的灌流供给，导致类器官内部营养供应不足、代谢废物堆积，难以维持长期功能活性。

9、因此，如何提供一种仿生毛细血管网络耦合的肾功能微流控芯片及使用方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种仿生毛细血管网络耦合的肾功能微流控芯片，能够在空间结构上实现血管网络与肾小管网络多层耦合、在功能上同时覆盖滤过与重吸收全过程，并具备高效物质交换能力及类器官稳定培养功能的微流控芯片，以更真实地模拟肾脏生理功能，为药物筛选、疾病建模及再生医学研究提供更为可靠的体外模型平台。

2、为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种仿生毛细血管网络耦合的肾功能微流控芯片，其包括：

3、层叠设置的上层芯片层和下层芯片层，以及设置于所述上层芯片层与所述下层芯片层之间的多孔膜；

4、所述下层芯片层设有中央凹槽、入球微动脉通道和出球毛细血管网络通道，所述中央凹槽的顶部开口延伸至所述上层芯片层，所述中央凹槽被所述多孔膜分隔为位于所述多孔膜上方的类器官容纳区和位于所述多孔膜下方的流体分布区，所述入球微动脉通道和所述出球毛细血管网络通道分别与所述流体分布区连通；所述出球毛细血管网络通道包含至少两级分叉结构，所述下层芯片层对应所述出球毛细血管网络通道的下游设有集液槽；

5、所述上层芯片层设有肾小管通道，所述肾小管通道与所述出球毛细血管网络通道上下相对设置且由所述多孔膜隔开。

6、本发明产生的技术效果是：通过上下层芯片层叠并结合多孔膜分隔布置的结构，将肾小球滤过与肾小管重吸收功能集成于同一芯片，实现了“滤过-重吸收”连续生理过程的一体化模拟，解决了传统芯片功能割裂的缺陷；同时，下层芯片中具备至少两级分叉结构的出球毛细血管网络通道，配合与之上层对应设置且由多孔膜隔开的肾小管通道，形成了血管网络与小管网络的高效物质交换界面，而中央凹槽被多孔膜分隔为类器官容纳区与流体分布区的设计，既为类器官提供了稳定的物理支撑和定位，又实现了灌流液经流体分布区与类器官基底侧的定向物质交换，从而在结构层面系统性复现了肾单位中入球-滤过-出球分支毛细血管-管周交换的完整血流动力学路径与物质转运微环境。

7、优选的，所述下层芯片层的中央凹槽的槽底设有微柱阵列，所述多孔膜设置于所述微柱阵列上方并由所述微柱阵列支撑。

8、由此产生的技术效果是：通过在中央凹槽槽底设置微柱阵列并将多孔膜铺设于其上，为中央凹槽内的多孔膜提供了均匀、稳定的物理支撑，有效防止了多孔膜在类器官重力及流体灌流压力作用下发生变形或塌陷，确保了多孔膜在分隔类器官容纳区与流体分布区时的结构稳定性；灌流液也能够从流体分布区经由微柱阵列间隙无阻碍地流动至多孔膜下表面，进而均匀透过整个多孔膜区域与上方的类器官基底侧进行物质交换。

9、优选的，所述入球微动脉通道为蛇形迂回微通道，其宽度为80～120μm，高度为40～60μm。

10、由此产生的技术效果是：通过将入球微动脉通道设置为蛇形迂回结构并结合80～120μm宽度和40～60μm高度的狭窄截面尺寸，在有限芯片面积内有效延长了流道总长度并增大了流体阻力，从而在灌流液进入中央类器官区之前即形成与体内入球小动脉相近的高阻力微环境，为后续毛细血管网络提供符合生理特征的压力和流量输入条件。

11、优选的，所述出球毛细血管网络通道的分叉结构至少包括一级主通道、次级通道及三级通道，所述次级通道由一级主通道分叉形成，所述三级通道由所述次级通道分叉形成；所述次级通道和所述三级通道的分叉角度为40°～75°。

12、由此产生的技术效果是：通过设置多级分叉结构，能在芯片上构建出高度仿真的树状分形毛细血管网络，有效增大了血管通道的总截面积和分支密度，使灌流液流经该网络时流速逐步减缓、脉动流衰减，从而准确再现了体内出球小动脉分支后管周毛细血管网中血流趋于平稳的低剪切力微环境。

13、优选的，所述肾小管通道为蛇形曲折通道，设置于所述上层芯片层中与所述出球毛细血管网络通道相对应的区域，所述肾小管通道的宽度大于所述出球毛细血管网络通道的宽度。

14、由此产生的技术效果是：在有限芯片面积内延长了肾小管流道长度、增加了与下方毛细血管网络的空间重叠面积，同时利用肾小管通道宽度大于出球毛细血管网络通道的尺寸差异，使两套通道在由多孔膜隔开的紧密耦合界面两侧形成流速差异和跨膜压力梯度，从而有效模拟了体内肾小管与管周毛细血管之间基于紧密解剖毗邻关系的高效重吸收物质交换过程。

15、优选的，所述多孔膜的孔径为0.4～10μm，所述多孔膜至少覆盖所述中央凹槽的开口区域以及所述肾小管通道与所述出球毛细血管网络通道之间的区域。

16、由此产生的技术效果是：该多孔膜允许小分子代谢物、药物及营养因子自由跨膜转运，又能有效阻挡类器官组织和大分子物质，实现选择性物质交换；同时通过多孔膜至少覆盖中央凹槽开口区域及肾小管通道与出球毛细血管网络通道之间的区域，确保了芯片从滤过到重吸收全流程中物质交换界面的完整性和连续性。

17、优选的，所述上层芯片层在对应所述类器官容纳区的位置设有开口，所述开口处设有可开合的盖板。

18、由此产生的技术效果是：开口能确保类器官方便、无损伤地植入中央类器官池，植入后通过闭合盖板形成封闭的培养环境，有效防止外界污染并避免灌流液对类器官的直接流体冲刷损伤。

19、优选的，所述上层芯片层对应所述肾小管通道的两端设有进口和出口，所述上层芯片层设有贯通至所述集液槽的引流通孔，所述引流通孔连接外部引流管。

20、由此产生的技术效果是：独立的进出口使肾小管通道形成具有独立灌流入路和出路的完整流路系统，从而能够独立控制肾小管侧的灌流流速和剪切力条件，实现对肾小管重吸收功能的高效定向灌注与出口样品收集检测。

21、优选的，所述集液槽为弧形槽，所述引流通孔有多个并沿弧形路径等弧长间隔布置。

22、由此产生的技术效果是：通过弧形槽与等弧长间隔布置的多引流通孔配合，扩大集液容积并实现均匀引流排液，有效避免局部堵塞和流场紊乱，保障出液顺畅稳定。

23、本发明还公开了一种仿生毛细血管网络耦合的肾功能微流控芯片的使用方法，采用上述的芯片，其包括：

24、将肾类器官置于所述类器官容纳区中，使所述肾类器官与所述多孔膜接触；

25、从所述入球微动脉通道灌注灌流液，使灌流液经所述流体分布区透过所述多孔膜与所述肾类器官进行物质交换后，从所述出球毛细血管网络通道下游的集液槽流出；

26、在所述入球微动脉通道中施加脉动流进行灌流培养。

27、由此产生的技术效果是：将肾类器官置于类器官容纳区并使其与多孔膜接触，构建了类器官基底侧与灌流液之间稳定且可控的物质交换界面；灌流液从入球微动脉通道经流体分布区透过多孔膜与类器官进行跨膜物质交换后从出球毛细血管网络通道流出的灌流路径设计，完整复现了体内“入球小动脉→肾小球滤过→出球小动脉→管周毛细血管”的血流动力学路径与跨膜交换过程；而在入球微动脉通道中施加脉动流进行灌流培养，则进一步以生理性脉动流作为力学信号驱动类器官内部血管内皮细胞的成熟与血管网络向类器官内部的定向入侵，同时脉动流经高阻力入球通道和分叉毛细血管网络后自然衰减为平稳层流，从而使整个芯片在流体剪切力、跨膜通量和脉动衰减等关键血流动力学指标上高度复现肾单位体内微环境。

28、优选的，在向所述入球微动脉通道灌注灌流液之前，还包括血管分区接种步骤：向所述入球微动脉通道内接种第一血管内皮细胞，并向所述出球毛细血管网络通道内接种第二血管内皮细胞；所述第一血管内皮细胞与所述第二血管内皮细胞为表型相异的血管内皮细胞，用于在灌流培养中分别模拟动脉微环境与静脉微环境。

29、由此产生的技术效果是：利用芯片入球与出球通道的空间隔离性，在灌流前实现异种血管内皮细胞的原位分区接种，从而构建具有动静脉异质性表型的功能性血管网络，显著提升肾类器官微环境模拟的生理仿生性和实验可控性。