一种类人亚毛囊微流控芯片及其使用方法与流程

本发明涉及一种类人亚毛囊微流控芯片的毛囊功能细胞及其血管、神经支配多细胞共培养体系，可高效、精准、深入表征和探讨毛囊组织多细胞相互作用生理与疾病建模及其药物和非药物干预机制与方法，多个界面可与智能化传感器和控制器件整合。属于器官芯片、生物医学工程及相关皮肤疾病建模与精准诊疗领域。

背景技术：

1、毛发疾病及影响毛发正常生长的皮肤疾病在临床上极为普遍，对患者美观及心理健康易造成严重影响，其治疗有一定难度成为医学重要挑战。毛囊功能及血管、神经支配作用对于毛发生长至关重要，已知头皮毛囊受多种感觉神经末梢与交感神经末梢的直接支配，但目前相关神经机制研究主要集中在毛囊隆起细胞和/或黑素细胞，对于其他毛囊功能细胞的直接神经支配或间接神经调控，以及血管收缩是否受交感、副交感神经的直接控制，以及何种感觉神经末梢的参与，目前尚缺乏详细深入研究。因此深入探索毛囊功能细胞及其血管、神经支配作用，对于防治脱发、白发、烧伤及其他皮肤疾病引起的毛发问题等，具有重要研究意义和临床价值。

2、现有相关研究依赖于细胞与组织分离培养实验和动物在体实验。动物来源的毛囊分离与移植培养研究以及毛囊血管、神经支配体自体移植实验已取得一定进展，但理想的毛囊血管、神经支配体外培养技术至今尚未建立。经典细胞与组织分离培养实验均一直存在人体关联性、复杂性及智能化通量过低等问题，即使多细胞混合培养也难以准确表征毛囊血管、神经支配的实际情况与机制。动物模型实验则存在显著的种属差异局限及其伦理问题。更重要的是，人类视、听觉信息输入及其对毛囊周期与脱发治疗和防控等人体生理、心理、病理、药理、毒理、物理过程的影响与模型动物存在系列不同或迥异差别。现有模型的缺陷与不足已成为深化认识和技术创新的重要制约因素，迫切需要通过新型建模方法来弥补和突破这些限制。

3、近年来微流控芯片和发育式类器官等新型建模技术的出现，提供了新的研究途径。基于微流控芯片技术可模拟体内微环境，实现多种细胞体外培养。但目前在构建毛囊、神经、血管共培养微流控芯片方面并无相关报道。以往研究多集中在皮肤细胞与神经元共培养以及皮肤神经支配相关机制表征，但尚无毛囊神经整合支配建模。而一项联合研究报道中，将神经元直接和皮肤相关细胞在同一腔室混合培养以构建含神经元全层皮肤等价物，显然不够准确，在技术和概念上均存在缺陷与不足。而被认为有望用于脱发、白发病等相关治疗的发育式类器官内出现的分化神经元与人体固有神经系统和靶组织之间，能建立怎样的结构与功能关联等神经整合问题，在概念和技术上均未见讨论与实现。

4、基于上述，我们首次构建毛囊功能细胞、神经细胞、毛细血管内皮细胞共同培养的类人亚毛囊微流控芯片，形成毛囊生理及病理模型。在该模型中我们将毛囊功能细胞与神经细胞分腔培养，二者间构建微槽结构，该微槽结构可通过信号分子和神经纤维,但阻止活细胞通过。毛细血管内皮细胞腔室可模拟血液循环，在该腔室加入药物，通过多孔膜孔隙进入毛囊功能细胞及神经细胞腔室，以此建立病理模型。在病理模型基础上，观察与生理模型靶细胞的差异性。通过对这一模型施加不同条件，例如在毛细血管内皮细胞腔室加入药物以模拟全身给药或在毛囊功能细胞腔室模拟局部给药及物理治疗，观察不同药物、物理干预效应。可望实现其药理性多种相关神经递质、介质药理学建模与干预或结构与功能性独立腔室相关异质性神经元轴突连接神经整合、毛囊病理建模及其相关药物与物理干预等多重表征，为进一步的机制探讨，高通量传感器集成，智能化临床诊疗与防控新策略、新材料、新技术和新方法研发奠定重要技术基础。

技术实现思路

1、一种类人亚毛囊微流控芯片，所述类人亚毛囊微流控芯片包括上层芯片、中间多孔膜和下层芯片，所述上层芯片通过中间多孔膜与下层芯片相连。

2、进一步地，所述上层芯片由上层芯片输入通道、上层腔室、上层芯片输出通道组成，上层芯片输入通道和上层芯片输出通道分别位于上层腔室两侧，并通过上层腔室相互连通，上层芯片输入通道的位置高于上层芯片输出通道的位置。

3、进一步地，所述下层芯片由二个腔室、四个通道、一个微槽组成，分别为第一下层腔室、第二下层腔室、微槽、第一下层芯片输入通道、第一下层芯片输出通道、第二下层芯片输入通道、第二下层芯片输出通道，第一下层腔室通过微槽与第二下层腔室相连，微槽位于第一下层腔室、第二下层腔室底部之间；

4、第一下层腔室两侧分别构建第一下层芯片输入通道和第一下层芯片输出通道，并通过第一下层腔室相互连通，第一下层芯片输入通道的位置高于第一下层芯片输出通道的位置；

5、第二下层腔室两侧分别构建第二下层芯片输入通道和第二下层芯片输出通道，并通过第二下层腔室相互连通，第二下层芯片输入通道的位置高于第二下层芯片输出通道的位置；

6、上层芯片输入通道、上层腔室、上层芯片输出通道的流向与第一下层芯片输入通道、第一下层腔室、第一下层芯片输出通道的流向在空间上呈十字交叉但互不相通；上层芯片输入通道、上层腔室、上层芯片输出通道的流向与第二下层芯片输入通道、第二下层芯片输出通道的流向在空间上呈十字交叉但互不相通。

7、进一步地，所述中间多孔膜由聚对苯二甲酸乙二醇酯pet材料组成,位于上层芯片与下层芯片之间，上层腔室与第一下层腔室之间通过中间多孔膜相互分隔成上下二层，上层腔室与第二下层腔室之间通过中间多孔膜相互分隔成上下二层，中间多孔膜设多个孔洞，上层腔室内的物质通过浓度梯度弥散方式穿过中间多孔膜与第一下层腔室、第二下层腔室之间实现细胞非接触式物质交换。

8、进一步地，所述上层腔室的高度为50μm、长度为500μm、宽度为200μm；所述第一下层腔室的高度为50μm、长度为200μm、宽度为200μm；所述第二下层腔室的高度为50μm、长度为200μm、宽度为200μm。

9、进一步地，上层芯片输入通道、上层芯片输出通道、第一下层芯片输入通道、第二下层芯片输入通道、第一下层芯片输出通道、第二下层芯片输出通道的直径均为40μm。

10、进一步地，所述微槽高度为10μm，长度为100μm，宽度为10μm。

11、进一步地，所述中间多孔膜的厚度为10μm，长度为500μm、宽度为200μm；孔径为0.4μm或1μm，相邻孔间距为5μm，孔密度为4×106/cm2，中间多孔膜尺寸设定则与上层腔室尺寸相对应。

12、一种如上所述的类人亚毛囊微流控芯片的使用方法，上层腔室提供毛细血管内皮细胞的生长环境，使用注射泵通过上层芯片输入通道向上层腔室注入毛细血管内皮细胞培养液，注入的毛细血管内皮细胞培养液从上层芯片输出通道流出回收，第一下层腔室提供毛囊功能细胞的生长环境，使用注射泵通过第一下层芯片输入通道注入毛囊功能细胞培养液，注入的毛囊功能细胞培养液从第一下层芯片输出通道流出回收；第二下层腔室提供神经细胞的生长环境，使用注射泵通过第二下层芯片输入通道注入神经细胞培养液，注入的神经细胞培养液从第二下层芯片输出通道流出回收。

13、一种如上所述的类人亚毛囊微流控芯片的使用方法，所述类人亚毛囊微流控芯片上层腔室为毛细血管细胞腔室，其培养毛细血管内皮细胞；第一下层腔室为毛囊功能细胞腔室，其培养毛囊功能细胞；第二下层腔室为神经细胞腔室，其培养神经细胞；

14、使用注射泵通过上层芯片输入通道注入雄激素受体抑制剂，流过上层腔室即毛细血管细胞腔室，后从上层芯片输出通道流出，作用于毛细血管内皮细胞，模拟构建雄激素性脱发类人亚毛囊微流控芯片模型；使用注射泵通过上层芯片输入通道注入某种药物，流过上腔室即毛细血管细胞腔室，后从上层芯片输出通道流出，模拟在类人亚毛囊微流控芯片模型基础上的全身药物干预；使用注射泵通过第一下层芯片输入通道注入某种药物，流过下层腔室即毛囊功能细胞腔室，作用于毛囊功能细胞，后从第一下层芯片输出通道流出，模拟在类人亚毛囊微流控芯片模型基础上局部药物干预；使用注射泵通过第二下层芯片输入通道注入神经激动剂或神经拮抗剂，流过下层腔室即神经细胞腔室，作用于神经细胞，后从第二下层芯片输出通道流出，模拟在类人亚毛囊微流控芯片模型基础上模拟局部神经作用。

15、本发明的有益效果是：

16、1、类人亚毛囊微流控芯片借助芯片技术，体外构建毛细血管内皮细胞、毛囊功能细胞、神经细胞组成的多细胞相互作用体系。类人亚毛囊微流控芯片为毛发/毛囊疾病及神经系统与靶组织之间结构与功能神经整合问题的研究提供可靠平台。

17、2、本发明利用微流控芯片技术，创建类人亚毛囊微流控芯片全新模型。可通过药物或物理干预控制变量因素，进行前后对比参照，实现药理性或结构与功能性神经整合对毛发疾病、毛囊再生及修复的深入研究。