一种三脉管肝芯片设计研究

发布时间：2020-09-19 08:02

　　当前,肝芯片迅速发展,其已成为药物筛选、药物安全测试、肝脏疾病研究等的重要工具。目前的肝芯片主要包括索状肝芯片、血管网络状肝芯片、腺泡状肝芯片、六边形状肝芯片等,这些肝芯片仍存在诸多不足,比如没有构建门静脉-肝动脉-中央静脉系统(简称三脉管系统),没有实现肝动脉与门静脉血管之间在血液流动、营养物供给等方面的差异,从而无法模拟肝小叶区血液微循环。据此,本文基于肝小叶生理结构,设计了一款高度仿生的肝芯片,主要工作内容如下:首先,基于门静脉血和肝动脉血在肝窦汇流进入中央静脉这一特征,设计了三脉管肝芯片,其主要包括门静脉、肝动脉、中央静脉微通道和细胞培养区域。针对该芯片,本文基于亚硫酸钠与氧反应的原理,还设计了氧芯片,定量控制肝芯片肝动脉、门静脉进口的溶解氧浓度,从而模拟了生理水平的肝动脉、门静脉血液氧浓度的差异性。其次,实验确认了氧芯片和肝芯片的性能。根据氧芯片输出的氧浓度,验证了供氧的稳定性,并建立了亚硫酸钠浓度与培养基氧浓度的对应关系。肝细胞在芯片中培养五天后,通过荧光染色,确认了肝细胞的高存活率;通过测量培养基尿素和白蛋白浓度,确认了肝细胞的代谢和蛋白合成功能。然后,理论分析了肝芯片氧输运性能。通过氧输运理论建模,本文展现了肝芯片中的血流和氧分布。更进一步地,本文基于肝小叶的生理结构和参数,建立了组织与血管耦合的肝小叶模型,模拟了生理状态下血流和氧分布,分析了病理状态下(癌细胞堵塞时)血流和氧分布的变化以及缺氧导致的组织损伤程度。本文构建的高度仿生的三脉管肝芯片不但有助于精准的药物筛选和测试,也有利于建立精准的肝脏疾病模型,更为肝芯片的发展提供了重要的参考。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN402;R318.0
【部分图文】：

血流图,肝小叶,肝脏,血液循环

文的研究意义；最后介绍本文的组织框架。逡逑１．１肝芯片研究背景逡逑肝脏是人体最重要的器宫之？（图１．１），位于腹部的右上方，呈不规则逡逑的楔形，由两个功能独立的肝叶组成（肝右叶和肝左叶）。肝脏承担着解毒、逡逑去氧化、存储肝糖、合成蛋白等５００多种生理功能（Ｐｏｐｐｅｒ，邋Ｓｔｅｉｇｍａｎｎ邋ｅｔ邋ａｌ．邋１９４９）。逡逑肝小叶是肝脏的基本功能单元，大致呈六边形状。肝小叶具有精细的生理微结逡逑构。在细胞组成上（Ｄｕ，邋Ｌｉ邋ｅｔａｌ．邋２０１７），肝小叶主要由实质细胞和非实质细胞组逡逑成。实质细胞主要是肝细胞，非实质细胞主要包括内皮细胞、星形细胞和枯否逡逑细胞。在组织结构上，肝小叶内部枯否细胞、内皮细胞、星形细胞和肝脏细胞逡逑有序排列，血管网络纵横交错（图１．１ａ）。逡逑肝脏不但具有精细的生理结构

示意图,芯片,器官,图注

邋Ｙｉ邋ｅｔ邋ａｌ．邋２０１８）；邋（ｅ）血管芯片不意图（Ｚｈａｎｇ，邋Ｍｏｎｔｇｏｍｅｒｙ邋ｅｔ邋ａｌ．邋２０１６）：邋（ｆ）逡逑心脏芯片示意图（Ｇｒｏｓｂｅｒｇ．邋Ａｌｆｏｒｄ邋ｅｔ邋ａｌ．邋２０１１邋＞逡逑器官芯片是一种微流体细胞培养装置（图１．２），其基本原理是将？种或多种逡逑细胞植入芯片中，通过微流控技术提供模拟人体生理的理化微环境（压力、剪逡逑切力、浓度及其梯度等）（Ｂｈａｔｉａａｎｄｌｎｇｂｅｒ２０１４）。器官芯片可广泛应用于药物逡逑毒理研究、药物安全性测试、药物筛选、疾病研究等。当前，科学家发展了各逡逑种器官芯片（Ｈｕｈ．邋Ｍａｔｔｈｅｗｓ邋ｅｔ邋ａｌ．邋２０１０，邋Ｇｒｏｓｂｅｒｇ．邋Ａｌｆｏｒｄ邋ｅｔ邋ａｌ．邋２０１１，邋Ｊａｎｇ，邋Ｍｅｈｒｅｔ逡逑ａｌ．邋２０１３，邋Ｒａｍａｄａｎ，邋Ｊａｆａｒｐｏｏｒｃｈｅｋａｂ邋ｅｔ邋ａｌ．邋２０１３，邋Ｚｈａｎｇ，邋Ｍｏｎｔｇｏｍｅｒｙ邋ｅｔ邋ａｌ．邋２０１６，邋Ｍｉ，逡逑Ｙｉｅｔａｌ．邋２０１８），主要包括肾芯片（图１．２ａ）、肺芯片（图１．２ｂ）、肠芯片（图逡逑１．２ｃ）、肝芯片（图丨．２ｄ）、血管芯片（图１．２ｅ）、心脏芯片（图１．２ｆ）等等。逡逑在这些器官芯片中．肝芯片一直是研究难点和重点，究其主要原因是，肝脏具逡逑有复杂的生理微结构和理化微环境，在芯片上构建高度仿生的微结构和微环境逡逑较为困难（Ｎｏ

芯片,索状,血管网,芯片类

分层邋２Ｄ邋培养（Ｈｏ，邋Ｌｉｎ邋ｅｔ邋ａｌ．邋２００６，邋Ｈｏ，邋Ｌｉｎ邋ｅｔ邋ａｌ．邋２０１３）逡逑当前，基于肝小叶生理结构的肝芯片主要包括索状肝芯片、血管网络状肝逡逑芯片、腺泡状肝芯片和六边形状肝芯片（图１．３）。Ｌｅｅ等人设计的索状肝芯片逡逑（图１．３ａ）主要由微流体通道、内皮状阻隔和肝脏细胞培养区域组成，可模拟逡逑生理肝窦与组织之间的物质输运（Ｌｅｅ

【相似文献】