一种皮肤芯片装置的制作方法

1.本技术涉及皮肤体外培养及再生领域，特别涉及一种皮肤芯片装置。


背景技术：

2.人体皮肤的主要功能是作为一种生理屏障来保护器官和组织，使其免受物理性、机械性、化学性和病原微生物性的侵袭。皮肤日常会许多化学物质和生物制剂，包括化妆品、皮肤清洁剂、环境污染物和微生物病原体等。这些因素的迅速增加会引起各种皮肤反应，如皮肤发炎、发炎、过敏甚至癌症。
3.因此，对物质的毒性和开发皮肤新型药物的有效性要进行检测。为此每年在猪和老鼠身上进行了数百万次动物实验。然而动物实验有三个关键的局限性：第一，伦理及监管问题；目前欧盟已经明确规定化妆品研发禁止使用动物实验；第二，昂贵的成本；第三，猪和老鼠与人体皮肤有相当大的差异性，即皮肤厚度，毛发密度，以及其他附属物，而且老鼠皮肤没有汗腺。
4.由于皮肤生理和免疫力的差异，动物模型常常不能很好地预测人类的反应。根据国际人道协会的统计，动物研究中安全有效的10种候选药物中，有9种药物对人体无效，而动物研究往往不能预测实际的人类结果不到10％的病例。人体离体皮肤外植体可用于风险评估和药物测试。
5.然而，大多数目前市场上可购买的体外皮肤模型是基于成纤维细胞和角质形成细胞，并采用静态培养系统，只模仿人类表皮。
6.因此，有必要提供一种新的用于人体皮肤细胞培养的方法或装置，以更好地模拟皮肤微环境的仿生系统，从而解决上述技术问题。


技术实现要素：

7.本技术的目的在于提供一种用于人体皮肤细胞培养的皮肤芯片装置，通过同时给与电场及张力刺激，以提供模拟皮肤微环境的仿生系统，从而可以大大提高化妆品及药物筛选的有效性、效率及成本。
8.为了达到上述目的，根据本技术的一方面，提供一种皮肤芯片装置，用于构建一全皮肤模型；所述皮肤芯片装置包括：微流控芯片，具有一细胞培养腔，以进行细胞培养；拉伸组件，与所述微流控芯片连接，以向所述微流控芯片施加一作用力；以及，电源，与所述微流控芯片电性连接，以在所述细胞培养腔内产电场，并对所述细胞培养腔内的细胞施加一电场力；其中，所述电场力的方向垂直于所述作用力的方向。
9.在一些实施例中，所述微流控芯片包括相对设置的第一流道层和第二流道层，以及设置于所述第一流道层与所述第二流道层之间的第一多孔膜；其中，所述第一流道层与所述第二流道层中的至少一者与所述第一多孔膜构成所述细胞培养腔的一部分。
10.在一些实施例中，所述微流控芯片设有数条相互独立的第一流道及数条相互独立的第二流道；其中，所述第一流道层与所述第一多孔膜所构成的部分的细胞培养腔与一第
一流道及一第二流道分别流体连通；所述第二流道层与所述第一多孔膜所构成的部分的细胞培养腔与一第一流道及一第二流道分别流体连通。
11.在一些具体实施例中，所述第一流道层与所述第二流道层中的至少一者的一表面上设有凹槽及与所述凹槽流体连通的细长槽；所述凹槽与所述第一多孔膜构成所述细胞培养腔的一部分，所述细长槽构成所述第一流道和所述第二流道。
12.在一些实施例中，所述微流控芯片设有多个进口和多个出口；其中，每一第一流道对应连通一进口，每一第二流道对应连通一出口。
13.在一些实施例中，所述微流控芯片还包括至少一由一第三流道层及一第二多孔膜组成的叠层；所述叠层被配置以下结构中的至少一种：i)所述叠层设置于所述第一多孔膜与所述第二流道层之间；ii)相邻两叠层的第三流道层之间设有所述第二多孔膜：以及，iii)一叠层的第三流道层与所述第一多孔膜接触；每一第三流道层上设置一贯穿孔，以获得以下结构中的至少一种：a)所述第一多孔膜与所述第二多孔膜在所述贯穿孔处流体连通，以构成所述细胞培养腔的一部分；b)相邻两叠层的所述第二多孔膜在所述贯穿孔处流体连通，以构成所述细胞培养腔的一部分；以及，1.c)所述第二多孔膜与所述第二流道层构成所述细胞培养腔的一部分。
14.在一些实施例中，所述第一多孔膜与所述第二多孔膜所构成的部分的细胞培养腔与一第一流道及一第二流道分别流体连通；相邻两叠层的所述第二多孔膜所构成的部分的细胞培养腔与一第一流道及一第二流道分别流体连通。
15.在一些具体实施例中，所述第三流道层的一表面上设有与所述贯穿孔流体连通的细长槽；所述细长槽构成所述第一流道和所述第二流道。
16.在一些实施例中，每一第一流道对应连通一进口，每一第二流道对应连通一出口。
17.在一些实施例中，所述微流控芯片还设有第一电极和第二电极，所述第一电极与所述第二电极分别电性连接所述电源，以在所述细胞培养腔内产电场，并对所述细胞培养腔内的细胞施加一电场力。
18.在一些实施例中，所述第一流道层、第二流道层及第三流道层的弹性模量与第一多孔膜及所述第二多孔膜的弹性模量相同。
19.在一些实施例中，所述拉伸组件包括拉伸支架和设置于所述拉伸支架上的拉伸夹具，所述微流控芯片与所述拉伸组件的所述拉伸夹具连接，以使所述拉伸组件对所述微流控芯片施加一作用力。
20.在一些实施例中，所述拉伸夹具包括：与所述微流控芯片的一端连接的第一夹具，以及，与所述微流控芯片的另一端连接的第二夹具；通过调节所述第一夹具与所述第二夹具在所述拉伸支架上的相对位置，以调节所述拉伸组件对所述微流控芯片施加的作用力的大小。
21.在本技术中，结合微流控技术、电场及张力作用，提供了一种简单易行且适合于全皮肤培养的装置和方法。本技术的所述皮肤芯片装置具有分层结构，可利用多孔膜结构实现不同细胞的培养。具体地，通过本技术地所述皮肤芯片装置，可以实现例如角质细胞、黑色素细胞的气液界面培养，及与成纤维细胞及血管内皮共培养的全皮肤模型，并对皮肤组织给与电及张力刺激，实现化妆品及药物抗炎、抗菌及疤痕等疾病治疗类药物筛选。
22.本技术的所述皮肤芯片装置具有步骤简单、方便快捷、易于产业化等优点，可以实
现药物及化妆品的快速筛选与测试。
附图说明
23.图1是根据本技术一实施例的皮肤芯片装置的结构示意图；
24.图2a至图2c是根据本技术不同实施例的微流控芯片的结构示意图。
具体实施方式
25.以下，结合具体实施方式，对本技术的技术进行详细描述。应当知道的是，以下具体实施方式仅用于帮助本领域技术人员理解本技术，而非对本技术的限制。
26.在本实施例中，一种皮肤芯片装置，用于构建一全皮肤模型。如图1所示，所述皮肤芯片装置包括：微流控芯片1、拉伸组件2和电源3。其中，所述微流控芯片1具有一下文将详细描述的细胞培养腔，用于进行细胞培养；所述拉伸组件1用于向所述微流控芯片1施加一作用力；所述电源3则用于向所述微流控芯片提供一电场，以向细胞施加一电场力。
27.如图1所示，所述拉伸组件2包括拉伸支架21和设置于所述拉伸支架上的拉伸夹具22，所述微流控芯片1与所述拉伸组件2的所述拉伸夹具22连接，以使所述拉伸组件2对所述微流控芯片1施加一作用力。具体地，如图1所示，所述拉伸夹具22包括：与所述微流控芯片1的一端连接的第一夹具221，以及，与所述微流控芯片1的另一端连接的第二夹具222；通过调节所述第一夹具221与所述第二夹具222在所述拉伸支架21上的相对位置，以调节所述拉伸组件2对所述微流控芯片1施加的作用力。如图1所示，所述拉伸组件2对所述微流控芯片1施加的作用力的方向为图1中x轴方向。
28.如图1所示，所述微流控芯片1设有第一电极111和第二电极112，所述第一电极111与所述第二电极112分别通过导线l电性连接所述电源3，以向所述微流控芯片1提供一电场，进而对细胞施加一电场力。如图1所示，所述电源3所产生的电场而施加的电场力的方向为图1中y轴方向。
29.由此，通过本实施例的所述皮肤芯片装置，能够同时给予培养的细胞以作用力(张力)和电场力刺激，更好地模拟人体全皮肤，实现化妆品及药物抗炎、抗菌及疤痕等疾病治疗类药物筛选。
30.以下，结合图2a和图2b详细描述所述微流控芯片1的结构。
31.在本实施例中，如图2a所示的，所述微流控芯片1包括相对设置的第一流道层11和第二流道层12、设置于所述第一流道层11与所述第二流道层12之间的第一多孔膜13，以及，设置于所述第一多孔膜13与所述第二流道层12之间的一叠层14。所述叠层14由一第三流道层141及一第二多孔膜142组成。本领域技术人员可以理解的是，本领域技术人员可以根据实际需要而增加更多的叠层14，例如图2b所示。当然，本领域技术人员也可以根据实际需要而不设置所述叠层14，例如图2c所示。
32.为了构成细胞培养腔，如图2a和图2b所示，当设有所述叠层14或多层叠层14时，所述第一流道层11、第二流道层12、第三流道层141、第一多孔膜13和第二多孔膜142之间的位置关系应当满足：
33.i)如图2a和图2b所示，叠层14均设置于所述第一多孔膜13与所述第二流道层12之间；
34.ii)如图2b所示，相邻两叠层14的第三流道层141之间设有第二多孔膜142：以及，iii)如图2a和图2b所示，叠层14的第三流道层141与所述第一多孔膜13接触。
35.为了形成细胞培养腔，在本实施例中，如图2a所示，所述第一流道层11及所述第二流道层12的表面上设有凹槽151，以及与所述凹槽151流体连通的细长槽152。而所述第三流道层141上设置贯穿孔153，以及与所述贯穿孔153流体连通的细长槽152。由此，在当所述第一流道层11、第二流道层12、第一多孔膜13和叠层14层叠时，所述第一流道层11与所述第一多孔膜13构成所述细胞培养腔的一部分；所述第一多孔膜13与所述第二多孔膜142在所述贯穿孔153处流体连通，以构成所述细胞培养腔的一部分；以及，所述第二多孔膜142与所述第二流道层12构成所述细胞培养腔的一部分。
36.并且，本领域技术人员可以理解的是，设置所述第一流道层11、第二流道层12和第三流道层141上的细长槽152分别构成与各培养腔的一部分连通的第一流道(进液或进气流道)和第二流道(出液或出气流道)，且各流道之间均相互独立。
37.此外，如图2a所示，为了进液和/或进气，所述微流控芯片设有多个进口161和多个出口162，每一第一流道对应连通一进口161，每一第二流道对应连通一出口162。
38.本领域技术人员可以理解的是，所述第一流道层11、第一流道层11、第二流道层12、第三流道层141、第一多孔膜13和第二多孔膜142可以是由本领域已知的材料通过已知的方法制成。
39.例如，首先通过3d打印的方式获得与图2a至图2c中所述凹槽151、细长槽152相同结构的硅板。将道康宁184(pdms)中的单体与固化剂按比例混合，用玻璃棒搅拌混合，混合后的重量为33g。通过抽真空的方式去除搅拌混合导致的气泡，然后将其倒于硅板上方并再次抽真空除气泡。最后将硅板放置在加热板上固化，温度为70℃，时间为1h，为使其充分固化，在放置在70℃烘箱中固化1h。将固化完全后的pdms缓慢从硅板上剥离，即可获得第一流道层11、第二流道层12和第三流道层141。然后以打孔器打孔形成所述多个进口161和多个出口162。
40.然后，将处理好的第一流道层11、第二流道层12和第三流道层142通道用等离子清洗机中处理2min，处理完成后将第一多孔膜13和第二多孔膜142分别夹设于相应的位置处并贴合，然后将其再次置于加热板上1h，并在其上方放置1kg的重物以确保封装的可靠度。封装好后将外径0.7mm,厚度0.1mm，长度10mm的钢针11插入每个打好的孔内。最后用705透明硅橡胶对其进行密封处理。
41.在每个钢针上都街上一段长度10cm的聚四氟乙烯毛细管，然后将整个微流控芯片和熔点为70℃的铋锡合金置于80℃的油浴锅内预热，待合金转变为熔融态后，用1ml注射器将其注入预留孔。注射完成后，关闭油浴锅，使装置在锅内缓慢冷却至常温，形成图1中所示的第一电极111和第二电极112。
42.使用时，将一定浓度成纤维细胞悬浮液通于第三流道层141，贴壁后采用蠕动泵持续关注培养基，培养一段时间后在第一流道层11内注入按一定比例的角质及黑色素细胞，培养一段时间后进行气体灌注，实现气液界面培养。第二流道层12则注入血管内皮细胞，实现全皮肤细胞培养。
43.由此，本技术所述的皮肤芯片装置具有分层结构，可利用多孔膜结构实现不同细胞的培养。具体地，通过本技术地所述皮肤芯片装置，可以实现例如角质细胞、黑色素细胞
的气液界面培养，及与成纤维细胞及血管内皮共培养的全皮肤模型，并对皮肤组织给与电及张力刺激，实现化妆品及药物抗炎、抗菌及疤痕等疾病治疗类药物筛选。
44.本技术的所述皮肤芯片装置具有步骤简单、方便快捷、易于产业化等优点，可以实现药物及化妆品的快速筛选与测试。
45.本技术已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本技术的范例。必需指出的是，已公开的实施例并未限制本技术的范围。相反地，包含于权利要求书的精神及范围的修改及均等设置均包括于本技术的范围内。