微流控PEEK芯片/细胞培养芯片

长期以来，许多体外方法被用于高通量药物筛选或毒理学测试。然而，目前大多数可用的系统只是对人体生物学的部分近似，因此其预测能力有限。

事实上，这些系统要么基于人类细胞培养物，无法捕捉三维（3D）环境中细胞行为的复杂性；要么基于动物组织片段，具有三维性质，但与人类组织只有部分生物相似性，无法解释与其他器官的相互作用。

为了克服这些限制，人们正在开发新一代生物反应器，以便在同一流体系统中生成多个基于人体细胞的组织类似物，从而更好地再现人体生理的复杂性和相互联系。

这些努力旨在创建多组织器官系统（心血管、胃肠道、肌肉骨骼等），并最终将其连接到一个相互连接的片上人体设备中，该设备能够真实再现人体对疾病和潜在药物治疗的复杂反应。

在这项⼯作中，我们重点研究了⼀种特定的生物反应器旨在生成骨软骨结构的多个输⼊/输出，即双相结构其中⼀侧本质上是软骨，⽽另⼀侧是骨质。

该细胞培养芯片/类器官芯片选择图 1所示的⽅案是因为它包含⼀个双室系统来承载具有不同流体学的单个双相组织构建体（图1，顶部）和⼀组互连的具有普通流体的腔室（图1，底部）。

从这个特定的生物反应器开始，我们有开发了⼀种通⽤⽅法来模拟多室、互连的微流体可应⽤于研究人体系统，该技术采用PEEK材料制备了微流控PEEK芯片。

分析的微生理骨软骨生物反应器（细胞培养芯片，或者类器官芯片）旨在骨关节炎 (OA) 的研究，骨关节炎是关节的主要病理学，影响超过33%的关节65岁以上⼈⼝。

这种疾病的特点是影响全⾝的所有组织关节，是软骨的进⾏性退化，早在临床症状出现之前就开始，最终需要关节置换⼿术。

发病率⾼这种痛苦和致残的病理学需要了解其发展的原因和机制，以便找到修复性药物疗法来阻⽌甚⾄治愈这种疾病。再生受损组织并最终避免⼿术。

这⽅⾯的新颖策略尊重采⽤组织⼯程⽅法并使⽤细胞培养芯片来产生⼤量相同的体外构建体可以复制关节疾病的发病机制，⽤于识别治疗靶点和药物筛选。

在这⽅⾯做了改进之后，开发了软骨与其他关节组织，特别是与软骨下骨之间相互作⽤的代表性模型。事实上，有越来越多的证据表明，⼈与⼈之间存在体内营养物质、细胞因⼦和激素的交换。

骨和软骨。骨软骨（OC）单位被认为是主要⽬标OA，反映健康和疾病中软骨/骨的动态相互作⽤这项⼯作中研究的中⾼通量系统，我们在此称为⾼通量类器官芯（HTB），是此类系统中的第⼀个。

它在⼀个单室中承载双相构造，其软骨和骨成分具有单独的流体学，有效创建双室设置（图1）。通过这种⽅式，软骨和骨骼将保持接触并能够相互发送信号，同时每个软骨和骨骼都暴露在其理想的培养基中。

此外，HTB允许生成和培养⼤量相同的 OC构建体的尺⼨与天然组织活检相似。必须指出的是，被检查组织的生理功能主要是承重和受⼒。

为了实现⾼通量药物筛选系统，单个微流控PEEK芯片双室（⽣物反应器单元）已连接并组合成多单元系统，按顺序和平⾏⾏组织（图1）。

在图1所⽰的96孔设计中，各个单元仅串联连接，⼀次 8 个，因为这种设计最适合药物或毒理学筛查；例如，为了评估剂量反应，每个 8 个单元的阵列可以接受不同浓度的待检查化合物。“并⾏” 连接虽然可能，但尚未设想。每⾏的构造表⽰为重复进⾏多终点测试（例如组织学、PCR 等）。

微流控PEEK芯片的 3D CAD 模型每个单元具有相同的配置，专⻔设计⽤于⽣⻓软⻣和⻣结合的结构，并包括以下部分：两个⼊⼝和两个由圆柱形通道组成的出⼝，以保证来⾃上游单元的流体循环到下游。

每个⼊⼝/出⼝通道的⻓度 (L) 为 5.3mm，内径 (d) 为 1 mm。穿孔的圆柱形插⼊件固定就位的脚⼿架⾼ 8.5 毫⽶，宽 3.75 毫⽶。每个细胞培养芯片室均由密封装置密封上盖和两个 O 形圈（⻅图1 ）。

这项研究即将扩展，将考虑 8 排⽣物反应器单元。通过对⻬这些⾏的 12 条平⾏线， 可以得到96个单元的板，这是药物⾼通量类器官芯片现实原型筛选。3D结构图如下图所示。

该微流控PEEK芯片具有⼊⼝、出⼝和外部⾃由流动的组合内部培养室（插⼊）具有多孔介质流的室。在每个地区，我们假设流动是不可压缩的。

为了实现动量平衡，我们的⽅法采⽤了包含两种类型流动性质的⼀般⽅程，我们将切换通过适当调整每个区域的问题参数来调整它们之间的关系。

这个⽅程具有多孔介质流动的布林克曼⽅程的结构，因为它结合了粘性项，例如斯托克斯，以及摩擦项，例如达西。为了模拟⾃由流动，对流项在⾼雷诺状态下起着重要作⽤是添加还假设静态条件。

上述文章来源：

1、 Iannetti L, D’Urso G, Conoscenti G, Cutrı`E, Tuan RS, Raimondi MT, et al. (2016) Distributed and Lumped Parameter Models for the Characterization of High Throughput Bioreactors.PLoS ONE 11(9): e0162774. doi:10.1371/journal.pone.0162774

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微流控PEEK芯片/细胞培养芯片/类器官芯片加工实物图