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微流控软骨芯片

微流控软骨芯片

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由于人口老龄化,骨关节炎(osteoarthritisOA)这一常见所造成的社会影响预计将急剧增加,其常见的方式为缓解疼痛或手术。OA药物匮乏,主要源于缺乏准确的临床前OA模型,在传统2D培养和3D培养中,二者均不能准确的模拟软骨细胞的动态培养微环境,以及在关节活动时,软骨细胞所受到的特异性刺激,如持续的营养供给和特定的机械刺激。而微流控技术的引入,通过微流体控制和带有“分层”结构的软骨微流控芯片,为这一系列难题带来了新的创新型解决方案。

本文介绍了一种微流控软骨芯片及其细胞培养微流控系统,简述使用微流控手段进行软骨细胞培养的实验机理。

 

微流控软骨芯片

关节软骨)覆盖了关节的骨摩擦面,光滑且富有弹性,其主要功能是促进骨骼间的负荷传递,为关节活动提供缓冲与保护。关节软骨由细胞间质和软骨细胞组成,无血管和神经结构,营养物质由细胞间质输送至软骨细胞,关节活动时,外界机械刺激会促进营养物质的输送。

一种能在一定程度上模拟以上条件的微流控软骨芯片,其结构见下图。

上图中,a图为芯片俯视图,顶部为3个驱动腔,与正压FlowEZ压力泵或负压Flow EZ压力泵相连;中间黄色部分为细胞培养腔,为软骨细胞培养场所,培养基质为水凝胶;下方红色部分为灌流通道,模拟血管,为软骨细胞输送营养物质。结合芯片的横截面图b,可以发现,细胞培养腔一侧是带有弹性的PDMS膜,PDMS弹性膜与3个驱动相连,另一侧为很多的微柱阵列,与灌流通道相连。

芯片工作时,通过对3个驱动腔施加正压或负压,从而对PDMS弹性膜进行不同的机械刺激,促使PDMS弹性膜发生不同程度的形变,从而模拟软骨细胞在关节活动时候的挤压以及“反弹”。

 

软骨模拟微流控系统

此系统示意图见下图。

系统采用正压FlowEZ压力泵或负压Flow EZ压力泵作为驱动源,以对芯片上的3个驱动腔施加正压和负压,并采用32向开关阀来实现正负压的切换,其操作流程由PC端软件进行自动化编程控制。在芯片端,采用显微镜观察并分析芯片上PDMS弹性膜的形变,以及软骨细胞培养形态。

 

部分实验结果

下图为所拍摄的部分PDMS弹性膜显微镜图像,分别展示了PDMS弹性膜在4种不同压力情形下所发生的形变。

上图中,施加正压时,压力为800mbar,施加负压时,压力为-350mbar

 

在过去的几年里,传统2D培养向3D培养的转变,是体外培养体系的一大进步。3D培养可以诱导表型、基因表达以及分化增殖率,具有更高的生理学相关性,但与体内的活器官相比,大多数细胞不断受到化学与机械刺激,3D培养模型仍显得很简单。而微流控技术,是再现活器官复杂性的有力手段。本文中例子具有一定的通用性,可应用于肠道芯片、食道芯片等类似研究。

 

本文实验由Severine Le Gac (特文特大学) 与其团队完成,他们的实验室网址:https://www.utwente.nl/en/techmed/research/domains/bioengineering-technologies/