基于增材制造的多级流道血管芯片

1.本发明属于仿生芯片领域，具体是基于增材制造的多级流道血管芯片。


背景技术：

2.微流控芯片又称芯片实验室，是一种在微小的体积内以微通道形成网络，在微米、纳米尺度上对流体进行操控为主要特征的科学技术。利用此技术，可以实现化学和生物学等领域中所涉及的样品制备、反应、分离、检测；细胞培养、分选、裂解等基本操作。由于具有微小、灵活、规模集成和成本低等优点，目前己广泛运用于物理、化学、电子工程学、生物、医学、纳米科学等众多领域。
3.血管系统是由动脉、静脉和毛细血管组成的封闭网络。血液循环是人体进行气体交换和大规模营养输送的的关键要素，在维持人体内环境稳态中起着至关重要的作用。血管芯片的构建常规地有两种思路1、利用常规方法人为的在芯片内设计各种微通道，利用微通道将内皮细胞接种在通道的内壁上，这种方法的好处在于微通道是预先设定的，可根据需求自由的设定；2、通过将内皮细胞等包裹在凝胶等生物材料中，内皮细胞自发的形成和重建网络，这种方法形成的微血管更为接近体内血管的发育状态，但影响因素微流控仿生肝血窦芯片的构建及功能研究。上述两种方法各有优劣，但是在实际应用过程中血管网络构建成固态无法仿真血管的收缩过程。


技术实现要素：

4.为了解决上述问题，本发明的目的是因此本发明拟用现有的3d打印构建体外血管，利用同心管的方法等打印含有细胞的生物墨水，并迅速交联形成管状结构，并通过设计血管通道仿真血管的收缩过程。
5.为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：基于增材制造的多级流道血管芯片包括基底和位于基底表面的双层血管通道，所述双层血管通道包括用于循环通入静脉内表皮细胞的入口和出口，入口和出口之间带有截流收缩部，所述截流收缩部包括围成矩形矩阵的弹性凸点，所述弹性凸点的半径大于弹性凸点的间距。
6.采用上述方案后实现了以下有益效果：1、本技术方案根据颅骨毛细血管的特征设计血管芯片结构，从而实施支架与huvecs体外培养，分析血管形成机理，降低了器官体外培养的成本，提出具有板障静脉特征的血管嵌入式支架的创新设计理念，并结合动态灌流的体外培养更好地揭示血管形成过程，为骨组织的再生提供新途径。
7.2、相对于采用体外培养的现有技术，本技术方案中利用灌流中液体的流动液压和剪应力调控血管渗透性，促进血管内皮细胞增殖、迁移，抑制细胞凋亡，同时流剪应力会引起huvecs伸长，且随着灌流时间的增长而增大，利于生成顺应性更好的血管结构。
8.3、相对于采用血管结构生成的现有技术，本技术方案中通过弹性凸点实现培养基质和培养细胞的截获，截获原理如下，当流体经过弹性凸点时，外侧的弹性凸点受到流体(培养基或细胞液)的压力时进行产生偏折和挤压，此时由于弹性凸点围成矩形矩阵，因此
弹性凸点的最少数量为4，外侧的弹性凸点受液压作用向内侧弹性凸点靠拢，因此产生收缩效果，同时弹性凸点的设计压缩了当前位置的空间，当空间降低(容积降低)此处的液压升高，从而液体流速加快，并且矩阵的中心处产生负压吸引力，容易捕获huvecs和培养基质加快血管的生成，降低血管生成时间，同时在后续灌流操作中可以添加药物，以矩阵处为靶细胞，观测芯片中不同靶点对药物的吸收作用及药物浓度变化情况。
9.4、相对于便于捕获细胞的现有技术，本技术方案中通过设计双层血管通道，并且不同层的血管通道液体流向不同，促使不同层面矩阵中心变化情况相反，模拟血管的扩张与收束同时扩张过程中便于捕获细胞的延展(血管延展)。
10.进一步，所述双层血管通道包括上层通道和下层通道，所述上层通道与下层通道的弹性凸点一一对应，上层通道的截流收缩部中心处和下层通道的截流收缩部中心处连通，连通处带有通阀，且上层通道的截流收缩部和下层通道的截流收缩部运动方向相反。
11.有益效果：相对于模拟血管的现有技术，本技术方案中利用不同层面连通的矩阵实现压力变化，产生间歇式血管扩张与收缩以及铺设，此时模拟了血管分子间营养物质交换的情景，同时血管扩张和交换主要是利用上下层连通处矩阵的液压差，由于上层血管和下层血管的液体流向相反，在调整泵入的时间差后，当某层血管先收缩，此处弹性凸点靠拢挤压，另一处弹性凸点尚未变化时，挤压处的液压加大，从而通过通阀流向未变化处的弹性凸点中心，此时未变化处的弹性凸点中心涌入液压，将弹性凸点向外扩张，实现血管的扩张变化，通过也可以将粘黏的弹性凸点进行解压操作，促进物质交换。(由于弹性凸点围成矩阵当靠拢或挤压后，朝中心处聚合。)
12.进一步，基底表面对置有细胞培养基池，所述细胞培养基池内置有支架管，支架管连通于双层血管通道，双层血管通道于细胞培养基池处围成正六边形。
13.有益效果：便于向基池内添加基质或药物，实现变量控制。
14.进一步，基底的中心处带有微量泵，微量泵的上方设有上细胞培育池，微量泵的下方设有下细胞培育池，上细胞培育池连通于上层通道，下细胞培育池连通于下层通道，上层通道与下层通道围成“亚”字形。
15.进一步，所述弹性凸点位于双层血管通道的拐角处。
16.有益效果：通过拐角处铺设，向两边延展，从而在弹性凸点的作用下实现一排或多排细胞的铺设。
17.进一步，所述微量泵包括泵出口和泵入口，连通上层通道的泵出口和连通下层通道的泵出口方向相反。
18.有益效果：实现逆流差，导致流向不同，通入下层的液体携带动能将左侧的弹性凸点带动外扩。
19.进一步，所述出口和入口处带有检测电极。
20.有益效果：便于实现后续的检测流程。
21.进一步，弹性凸点与双层血管通道之间连接有支杆，支杆与双层血管通道粘接。
22.有益效果：通过支杆摆动，产生简谐运动，从而实现间断式捕获和延展。
23.进一步，所述弹性凸点与双层血管通道的间隙高度为4-6um，弹性凸点之间的间距为40-50um，弹性凸点的直径为110-130um。
附图说明
24.图1为本发明实施例的示意图；
25.图2为图1中截流收缩部的示意图；
26.图3为图2中a-a处剖视图。
具体实施方式
27.下面通过具体实施方式进一步详细说明：
28.说明书附图中的附图标记包括：双层血管通道1、微量泵2、上细胞培育池3、下细胞培育池4、细胞培养基池5、支架管6、截流收缩部7、弹性凸点8、支杆9、通阀10、基底11。
29.实施例基本如附图1所示：基于增材制造的多级流道血管芯片包括基底11和位于基底11表面的双层血管通道1，双层血管通道1包括上层通道和下层通道，基底11的中心处带有微量泵2，微量泵2的上方设有上细胞培育池3，微量泵2的下方设有下细胞培育池4，微量泵2包括泵出口和泵入口，连通上层通道的泵出口和连通下层通道的泵出口方向相反。
30.上细胞培育池3连通于上层通道，下细胞培育池4连通于下层通道，上层通道与下层通道围成“亚”字形，基底11表面对置有细胞培养基池5，细胞培养基池5内置有支架管6，支架管6连通于双层血管通道1，双层血管通道1于细胞培养基池5处围成正六边形。
31.请参考图2，双层血管通道1包括用于循环通入静脉内表皮细胞的入口和出口，出口和入口处带有检测电极，入口和出口之间带有截流收缩部7，截流收缩部7包括围成矩形矩阵的弹性凸点8，弹性凸点8与双层血管通道1的间隙高度为4um，弹性凸点8之间的间距为40um，弹性凸点8的直径为110um。
32.请参考图3弹性凸点8与双层血管通道1之间连接有支杆9，支杆9与双层血管通道1粘接。弹性凸点8的半径大于弹性凸点8的间距，上层通道与下层通道的弹性凸点8一一对应，上层通道的截流收缩部7中心处和下层通道的截流收缩部7中心处连通，连通处带有通阀10，且上层通道的截流收缩部7和下层通道的截流收缩部7运动方向相反，弹性凸点8位于双层血管通道1的拐角处。
33.具体实施过程如下：由于采用双层血管通道1，并且不同层的血管通道液体流向不同，促使不同层面矩阵中心变化情况相反，模拟血管的扩张与收束同时扩张过程中便于捕获细胞的延展，当流体经过弹性凸点8时，外侧的弹性凸点8受到流体(培养基或细胞液)的压力时进行产生偏折和挤压，此时由于弹性凸点8围成矩形矩阵，因此弹性凸点8的最少数量为4，外侧的弹性凸点8受液压作用向内侧弹性凸点8靠拢，因此产生收缩效果，同时弹性凸点8的设计压缩了当前位置的空间，当空间降低(容积降低)此处的液压升高，从而液体流速加快，并且矩阵的中心处产生负压吸引力，容易捕获huvecs和培养基质加快血管的生成，降低血管生成时间，同时在后续灌流操作中可以添加药物，以矩阵处为靶细胞，观测芯片中不同靶点对药物的吸收作用及药物浓度变化情况。
34.同时利用不同层面连通的矩阵实现压力变化，产生间歇式血管扩张与收缩以及铺设，此时模拟了血管分子间营养物质交换的情景，同时血管扩张和交换主要是利用上下层连通处矩阵的液压差，由于上层血管和下层血管的液体流向相反，在调整泵入的时间差后，当某层血管先收缩，此处弹性凸点8靠拢挤压，另一处弹性凸点8尚未变化时，挤压处的液压加大，从而通过通阀10流向未变化处的弹性凸点8中心，此时未变化处的弹性凸点8中心涌
入液压，将弹性凸点8向外扩张，实现血管的扩张变化，通过也可以将粘黏的弹性凸点8进行解压操作，促进物质交换。
35.因此本技术方案根据颅骨毛细血管的特征设计血管芯片结构，从而实施支架与huvecs体外培养，分析血管形成机理，降低了器官体外培养的成本，提出具有板障静脉特征的血管嵌入式支架的创新设计理念，并结合动态灌流的体外培养更好地揭示血管形成过程，为骨组织的再生提供新途径。利用灌流中液体的流动液压和剪应力调控血管渗透性，促进血管内皮细胞增殖、迁移，抑制细胞凋亡，同时流剪应力会引起huvecs伸长，且随着灌流时间的增长而增大，利于生成顺应性更好的血管结构。
36.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
37.以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本技术给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本技术的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本技术要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。