一种非光学依赖的心脏类器官芯片及检测方法

本发明属于生物医学工程类器官与器官芯片，具体涉及一种非光学依赖的心脏类器官芯片及检测方法。

背景技术：

1、心脏是人体最重要的器官之一，每年因心血管疾病导致死亡占全球死亡人数1/3以上，新药研发中药物的心脏毒副作用也是一项必须评估的内容。为了研究心脏的相关病理生理机制，以及筛选治疗心脏疾病的药物或者评估药物的心脏毒副作用，需要建立相应的心脏模型。在药物测试中，通常要明确药物对心脏功能的影响，包括：频率，收缩力，动作电位，传导等。特别地，由于心脏“兴奋-收缩耦合”(又称“机-电耦合”)的机制，心肌的机电信号会紧密联系在一起，当这种机制减弱就可能导致心律失常，所以，对于明确心肌组织的生理和病理机制来说，机械信号和电信号这两种信号的同步测量至关重要。然而，传统的二维细胞培养模型效果并不理想。心脏芯片是一种基于微加工、干细胞、生物材料、组织工程和电子信息等技术，构建的一个集成式心脏类器官微生理系统。

2、目前的心脏芯片测试功能还相对单一，例如测试心脏类器官组织的收缩频率和相对收缩力，或者测试组织的场电位信号，但是对于“机-电耦合”的同步信号测试还难以实现。更重要的是，目前大部分公开的心脏芯片都会基于光学显微镜来观察心脏类器官的搏动频率，幅度大小，包括后续收缩力大小的评估都是基于光学显微镜所拍摄的视频来分析的，由于显微镜在同一时间尺度下观察样本的数量极其有限，导致这些心脏芯片很难满足高通量的商业需求，极大了限制了其应用。

技术实现思路

1、发明目的：针对现有技术中心脏类器官芯片，无法同步测量体外心肌组织的“电-机械”活动和通量低的问题，提出一种非光学依赖的心脏类器官芯片及检测方法，所述心脏类器官芯片为非光学依赖芯片且能同步测量“机-电耦合”信号。

2、技术方案：一种非光学依赖的心脏类器官芯片，其特征在于，所述心脏类器官芯片包括培养层和监测层，所述培养层位于监测层的上侧；所述培养层包括盖板，盖板上设有若干腔室，腔室用于放置三维心脏类器官和细胞培养基液体；所述监测层包括基板，所述基板上设有多个与所述腔室对应的监测装置；所述监测装置包括两柱状电极、信号采集层和电阻传感层；所述电阻传感层设置在基板的上侧，电阻传感层包括基底，电阻传感层的基底上设有一根传感导电线路，传感导电线路的连接电阻检测仪，用于检测电阻传感层的基底弯曲形变时电阻的变化；所述信号采集层设置在电阻传感层的上侧，信号采集层包括基底，信号采集层的基底上设有两根导电线路；两所述导电线路的第一端分别与两所述柱状电极相连，两所述导电线路的第二端分别连接第一信号采集电极和第二信号采集电极；所述第一信号采集电极和第二信号采集电极用于与电信号采集器连接；两所述柱状电极间隔设置在所述培养层的腔室内，且两所述柱状电极的下端固定在所述信号采集层的基底上，两所述柱状电极用于锚定三维心脏类器官。

3、进一步的，所述腔室为上端开口的槽状结构；所述腔室9为矩形或哑铃形，长径比大于2：1。

4、进一步的，所述三维心脏类器官由凝胶、心肌细胞、成纤维细胞和内皮细胞混合均匀后自组装而成。

5、进一步的，所述培养层的材料选自石英、玻璃、tpe(热塑性弹性体)、pmma(聚甲基丙烯酸甲酯)、pdms(聚二甲基硅氧烷)聚合物中的任一种。

6、进一步的，所述基板的材料选自石英、玻璃、tpe、pmma、pdms聚合物中的任一种。

7、进一步的，所述电阻传感层的基底为柔性基底，所述电阻传感层6的基底材料为聚乙烯醇(pva)、聚酯(pet)、聚酰亚胺(pi)、聚萘二甲酯乙二醇酯(pen)、纸片、pdms中任一种；；所述传感导电线路的材料为液态金属镓、镓铟合金、导电pdms中任一种。

8、进一步的，所述信号采集层的基底为柔性基底，所述电阻传感层6的基底材料为聚乙烯醇(pva)、聚酯(pet)、聚酰亚胺(pi)、聚萘二甲酯乙二醇酯(pen)、纸片、pdms中任一种；所述第一信号采集电极和第二信号采集电极的材料选自金、铂、银、铜、钛中任一种。

9、进一步的，所述柱状电极为碳电极或导电硅胶电极。

10、本发明还公开了一种基于所述非光学依赖的心脏类器官芯片的高通量检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

11、步骤1)、制备多个非光学依赖的心脏类器官芯片，并进行形变收缩力和电阻的数值关系校正；

12、步骤2)、向心脏类器官芯片培养层的腔室中注入含有心肌细胞，成纤维细胞和内皮细胞的凝胶悬液，凝胶化后注入细胞培养基液体进行培养；

13、步骤3)、待腔室中的三维心脏类器官自组装形成后，将所述第一信号采集电极和第二信号采集电极连接电信号采集器的正负极，实时读出电位信号；

14、同步地，将传感导电线路的两端连接电阻检测仪，根据校正的数值关系，直接显示量化的心脏类器官收缩力大小；

15、步骤4)、检测给药后心肌组织跳动频率和兴奋-收缩偶联机电信号，具体操作如下：

16、在腔室中加入不同的试剂或药物，检测给药后心肌组织跳动频率和兴奋-收缩偶联机电信号，得到所述试剂或药物对心脏类器官组织的作用；

17、步骤5)、为实现高通量目的，将多个上述心脏类器官芯片进行并列，将电阻检测仪和信号采集器设置为多通道采集，进而实现非光学依赖的高通量心脏类器官电生理信号实时监测的功能。

18、有益效果：本发明克服现有技术中无法同步测量体外心肌组织的“电-机械”活动、通量低等缺陷。在药物筛选和个性化医疗领域有着广泛的应用前景。

技术特征：

1.一种非光学依赖的心脏类器官芯片，其特征在于，所述心脏类器官芯片包括培养层和监测层，所述培养层位于监测层的上侧；所述培养层包括盖板，盖板上设有若干腔室，腔室用于放置三维心脏类器官和细胞培养基液体；所述监测层包括基板，所述基板上设有多个与所述腔室对应的监测装置；所述监测装置包括两柱状电极、信号采集层和电阻传感层；

2.根据权利要求1所述的一种非光学依赖的心脏类器官芯片，其特征在于，所述腔室为上端开口的槽状结构，所述腔室为矩形或哑铃形，长径比大于2：1。

3.根据权利要求1所述的一种非光学依赖的心脏类器官芯片，其特征在于，所述三维心脏类器官由凝胶、心肌细胞、成纤维细胞和内皮细胞混合均匀后自组装而成。

4.根据权利要求1所述的一种非光学依赖的心脏类器官芯片，其特征在于，所述培养层的材料选自石英、玻璃、tpe、pmma、pdms聚合物中的任一种。

5.根据权利要求1所述的一种非光学依赖的心脏类器官芯片，其特征在于，所述基板的材料选自石英、玻璃、tpe、pmma、pdms聚合物中的任一种。

6.根据权利要求1所述的一种非光学依赖的心脏类器官芯片，其特征在于，所述电阻传感层的基底为柔性基底，所述电阻传感层的基底材料为聚乙烯醇、聚酯、聚酰亚胺、聚萘二甲酯乙二醇酯、纸片、pdms中任一种；所述传感导电线路的材料为液态金属镓、镓铟合金、导电pdms中任一种。

7.根据权利要求1所述的一种非光学依赖的心脏类器官芯片，其特征在于，所述信号采集层的基底为柔性基底，所述信号采集层的基底材料为聚乙烯醇、聚酯、聚酰亚胺、聚萘二甲酯乙二醇酯、纸片、pdms中任一种；所述第一信号采集电极和第二信号采集电极的材料选自金、铂、银、铜、钛中任一种。

8.根据权利要求1所述的一种非光学依赖的心脏类器官芯片，其特征在于，所述柱状电极为碳电极或导电硅胶电极。

9.基于权利要求1-8任意一项所述的心脏类器官芯片的高通量检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明公开一种非光学依赖的心脏类器官芯片及检测方法，所述心脏类器官芯片包括培养层和监测层，所述培养层位于监测层的上侧；所述培养层包括盖板，盖板上设有若干腔室；所述监测层包括基板，所述基板上设有多个与所述腔室对应的监测装置；所述监测装置包括两柱状电极、信号采集层和电阻传感层；所述电阻传感层设置在基板的上侧；所述信号采集层设置在电阻传感层的上侧，信号采集层包括基底，信号采集层的基底上设有两根导电线路；两所述导电线路的第一端分别与两所述柱状电极相连，两导电线路的第二端分别连接第一信号采集电极和第二信号采集电极；两柱状电极间隔设置在培养层的腔室内，且柱状电极的下端固定在所述信号采集层的基底上。

技术研发人员：张峰,崔畅
受保护的技术使用者：江苏省人民医院（南京医科大学第一附属医院）
技术研发日：
技术公布日：2024/5/19