一种器官芯片上的微流体驱动方法[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 107955788 A(43)申请公布日 2018.04.24

(21)申请号 2016107999.3(22)申请日 2016.10.14

(71)申请人 中国科学院大连化学物理研究所

地址 116023 辽宁省大连市中山路457号(72)发明人 秦建华　李中玉　郭雅琼　(74)专利代理机构 沈阳晨创科技专利代理有限

责任公司 21001

代理人 郑虹(51)Int.Cl.

C12M 3/00(2006.01)C12M 1/36(2006.01)

权利要求书1页 说明书3页 附图3页

(54)发明名称

一种器官芯片上的微流体驱动方法(57)摘要

本发明提供一种器官芯片上的微流体驱动方法，属于微流控技术领域。该方法采用控制泵操控器官芯片上流体的运动形式；采用前行、后行交替的形式，在器官芯片的微通道内形成一种蠕动流，利用这种蠕动流可以呈现流体的双向剪切力，增加微通道内流体停留时间，增加流体接触面积，获得更好的流体混合效果。该驱动方法效果稳定，可以模拟器官内蠕动形式的流体，增加微流体功能，对于实现体外仿真环境的器官芯片、微反应器的构建，进行药物评价的应用等具有重要意义。

CN 107955788 ACN 107955788 A

权　利　要　求　书

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1.一种器官芯片上的微流体驱动方法，其特征在于：在器官芯片上应用控制泵操控流体的运动形式。

2.如权利要求1所述的一种器官芯片上的微流体驱动方法，其特征在于：所述器官芯片为在微流控芯片集成有功能细胞以模拟相应器官功能的芯片。

3.如权利要求1所述的一种器官芯片上的微流体驱动方法，其特征在于：所述控制泵能够使用程序进行参数的调节，能够操控流体前行/灌注、后行/抽取。

4.如权利要求1所述的一种器官芯片上的微流体驱动方法，其特征在于：所述操控流体的运动形式为，驱动流体前行与后行交替向前或向后的形式。

5.如权利要求3所述一种器官芯片上的微流体驱动方法，其特征在于所述的程序参数，包括流速、时间、暂停时间、循环区间、循环次数；其中流速可以为负值，代表流体后行。

6.如权利要求4所述一种器官芯片上的微流体驱动方法，其特征在于所述驱动流体前行与后行交替向前或向后时，程序参数设定如下，流速a，时间b，暂停20微秒，流速-c，时间d，暂停20微秒，循环区间为上述所有参数，循环次数e，所得流体的流速为(a*b-c*d)/(b+d)；a>c时，流体前行，a2

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说　明　书

一种器官芯片上的微流体驱动方法

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技术领域[0001]本发明涉及器官芯片的构建方法及应用方法领域，具体涉及一种器官芯片上的微流体驱动方法。

背景技术[0002]动物实验在现代医学与生物学中占据了极为重要的位置，但是经费以及动物伦理也成了难以回避的问题。结合微流控技术与生物科学技术，创造出了一种“器官芯片”，能够用微芯片复制人体器官的功能，使医学实验变得更为简便。[0003]微流控芯片实验室又称芯片实验室或微流控芯片，指的是把生物和化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、裂解等基本操作单元集成或基本集成到一块几平方厘米(甚至更小)的芯片上，由微通道形成网络，以可控流体贯穿整个系统，用以取代常规化学或生物实验室的各种功能的一种技术。微流控芯片技术作为一门迅速发展起来的科学技术，已经在生物医学领域展现了其独特的优势，更因其同细胞尺寸匹配、环境同生理环境相近、在时间和空间维度上能够提供更为精确的操控，易于通过灵活设计实现多种细胞功能研究等特点而成为新一代生物仿生和细胞研究的重要平台。微流控芯片的结构特征在于各种复杂的微通道网络。微流控系统需要通过在这些微通道网络中对微流体的操作来实现各种功能，比如试剂的引入、混合、分离等。因此，微流控系统中的流体驱动技术是实现微流控芯片功能的关键技术。微流控系统采用各种类型的微泵来驱动流体，实际应用中对于微泵的基本要求是：能提供连续稳定的流量、结构简单、需要的辅助部件少、操作简便、制作和运行成本低。[0004]目前器官芯片尚的流体驱动法方法，大都采用静态、直行流、循环流等，还未见蠕动流的形式。采用前行、后行交替向前或前行、后行交替向后的形式，在微流控芯片的微通道内形成一种蠕动流，利用这种蠕动流可以呈现流体的双向剪切力，增加微通道内流体停留时间，增加流体接触面积，获得更好的流体混合效果。[0005]目前，利用特殊流体驱动技术的器官芯片进行相关研究分析还比较少见，在生物学研究及医药研发中具有极大的应用前景。

发明内容[0006]本发明的目的是提供一种器官芯片上的微流体驱动方法，这种方法构建的器官芯片模拟器官功能更加优化，增加了微通道内流体的功能，可应用于器官芯片或微反应器的构建，药物评价的应用等研究。[0007]本发明提供的器官芯片上的微流体驱动方法，在器官芯片上应用控制泵操控流体的方法。[0008]本发明提供的器官芯片上的微流体驱动方法，所述器官芯片为在微流控芯片集成有功能细胞以模拟相应器官功能的芯片。[0009]本发明提供的器官芯片上的微流体驱动方法，：所述控制泵能够进行不同参数的

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调节机程序设定，能够操控流体前行/灌注、后行/抽取。[0010]本发明提供的器官芯片上的微流体驱动方法，所述操控流体的方法为，驱动流体前行与后行交替向前或前行与后行交替向后的形式。[0011]本发明提供的器官芯片上的微流体驱动方法，所述的程序参数，包括流速、时间、暂停时间、循环区间、循环次数等。其中流速可以为负值，代表流体后行。[0012]本发明提供的器官芯片上的微流体驱动方法，所述流体驱动方法，驱动流体前行与后行交替向前或向后时，程序参数设定如下，流速a，时间b，暂停20微秒，流速-c，时间d，暂停20微秒，循环区间为上述所有参数，循环次数e。所得流体的流速为(a*b-c*d)/(b+d)。a>c时，流体前行，ac时，流体前行，a附图说明[0015]图1本发明器官芯片上的微流体驱动方法效果；a三种流体方式的速度；(1)直行流(1μL/min)，(2)直行流(0.5μL/min)，(3)蠕动流(1μL/min)；b三种流体方式的停留时间；。[0016]图2本发明器官芯片上的微流体驱动方法效果；(4)直行流(1μL/min)50％以上染料区域(5)直行流(1μL/min)25％以上染料区域(6)直行流(1μL/min)观察区域(7)直行流(0.5μL/min)50％以上染料区域，(8)直行流(0.5μL/min)25％以上染料区域，(9)直行流(0.5μL/min)观察区域，(10)蠕动流(1μL/min)50％以上染料区域，(11)蠕动流(1μL/min)25％以上染料区域(12)蠕动流(1μL/min)观察区域。[0017]图3本发明器官芯片上应用微流体驱动方法的渗透效果。a双层Transwell芯片照片；b上层芯片通道结构示意图；c下层芯片通道结构示意图；d肠芯片整体俯视示意图；e肠芯片横截面示意图；f荧光素钠渗透浓度-时间曲线；g荧光素钠渗透总量；[0018]其中13上层芯片通道，14多孔滤膜，15下层芯片通道，上层芯16片通道入口，17下层芯片通道入口。

具体实施方式[0019]下面的实施例将对本发明予以进一步的说明，但并不因此而本发明。[0020]实施例1[0021]微流体驱动方法[0022]制作单通道微流控芯片，通道结构为长直型，体系50μL。在通道内充满水，使用红

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色染料进行灌流，进行三种灌流方式的比较。设定控制泵参数为持续前行，流速为1μL/min；设定控制泵参数为持续前行，流速为0.5μL/min；设定控制泵参数为流速1μL/min，时间9s，暂停20微秒，流速-1μL/min，时间3s，暂停20微秒，循环次数10000次，得到流体流速为0.5μL/min。记录红色染料通过通道的时间。如图1所示，蠕动流具有高流速的剪切力与流体作用，又具有低流速的停留时间和速度。其混合效果也较其他两种效果更好，如图2所示。实施例2[0023]渗透实验[0024]制作Transwell两层微流控芯片，如图3a、b、c、d、e所示。该芯片由上层芯片、下层芯片和多孔滤膜组成，上层芯片中上层芯片通道13连接上层芯片通道入口16，下层芯片中下层芯片通道15连接下层芯片通道入口17，上层芯片通道13和下层芯片通道15通过多孔滤膜连接。[0025]在上层芯片通道内充满水，使用10mg/mL荧光素钠染料进行灌流，25μL后更换为水。上层芯片应用三种灌流方式。设定控制泵参数为持续前行，流速为1μL/min；设定控制泵参数为持续前行，流速为0.5μL/min；定控制泵参数为流速1μL/min，时间9s，暂停20微秒，流速-1μL/min，时间3s，暂停20微秒，循环次数10000次，得到流体流速为0.5μL/min。。下层芯片通道灌流速度为10μL/h。每30min收集下层芯片通道内液体，使用酶标仪检测荧光素钠浓度。如图3f所示，应用蠕动流具有高流速的渗透率，又具有低流速的渗透时间。其渗透效果也较其他两种效果更好，如图3g所示，应用蠕动流得到了更高的渗透率。

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图3

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