一种多传感器集成的在线无损检测心肌组织芯片的制作方法

本发明涉及一种体外心肌组织芯片，特别是涉及一种多传感器集成的在线无损检测心肌组织芯片。

背景技术：

随着器官芯片和心肌组织工程的发展，出现了多种多样的心肌芯片。心脏的基本功能是搏动输送血液，一般临床上对心脏功能的评价标准主要是心率、心肌搏动强度和心血管疾病的生物标志物。因此，心肌芯片能够实现精确、高通量的药物筛选的前提是心肌芯片能够反馈完整的评价信息。然而由于目前传感器的工作模式单一、评价方式复杂等原因，心肌芯片中的信号反馈难以做到无损、多功能和在线实时检测。

另外，心肌芯片在研究过程中只承担心肌组织载体的功能。目前多数的心肌芯片只设计了心肌芯片的本体——也即心肌组织的载体部分，而仅有少数涉及了整个系统的构件，提供在线、实时的检测心肌组织在不同药物作用下的效果。对于一个完整的药物筛选、药病理学的研究而言，仅有心肌组织的载体部分，无法完整的支持心肌芯片的研究工作，且现有的信号采集系统也无法实现心肌芯片的全信号采集。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种多传感器集成的在线无损检测心肌组织芯片，能够在线无损的对体外心肌组织进行收缩力、细胞外群电位以及生物标志物释放程度的心肌组织功能评价。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种多传感器集成的在线无损检测心肌组织芯片，其包括：芯片基底、设置在所述芯片基底一侧的培养腔体、设置在所述培养腔体内的第一、第二培养腔、设置在两所述培养腔内的集成传感器以及用于支持心肌组织芯片工作的模块化部件；所述第一培养腔作为所述心肌组织芯片的输入端，其底部设置有分别用于与外部培养液供给端相连的第一进液口、与所述第二培养腔相连的第一出液口和与外部氧气输入输出端相连的气体交换口；所述第二培养腔作为所述心肌组织芯片的输出端，其底部设置有用于与所述第一出液口相连的第二进液口以及用于与外部培养液回收端相连的第二出液口，构成闭环系统；所述集成传感器通过设置在所述芯片基底上的电极层与外部检测系统相连，如微电极阵列胞外电极记录系统、示波器、电化学工作站等，对心肌组织进行全信息采集。

进一步的，所述第一培养腔底部的第一进液口、第一出液口和气体交换口以及所述第二培养腔底部的第二进液口和第二出液口结构均相同，包括相互垂直的第一、第二两微流通道，所述第一微流通道设置在所述培养腔体底部，一端与所述第一培养腔或第二培养腔相连，另一端与所述第二微流通道相连，所述第二微流通道内插设针头，所述针头通过橡胶管与外部培养液供给端、回收端或氧气输入输出端相连。

进一步的，所述集成传感器包括设置在所述第一培养腔内的微柱传感器和设置在所述第二培养腔内的电化学传感器，所述微柱传感器对培养在所述第一培养腔内的心肌组织进行收缩力、细胞外群电位信息进行采集，所述电化学传感器对所述第二培养腔内的生物标志物释放程度信息进行采集，采集数据通过所述电极层发送到外部检测系统。

进一步的，所述微柱传感器包括能够提供无损、在线检测的心肌组织收缩力传感器和心肌组织细胞外群电位传感器，且所述心肌组织收缩力传感器与心肌组织细胞外群电位传感器集成为一体。

进一步的，所述心肌组织收缩力传感器包括带阵列电极的压电薄膜以及放置在所述压电薄膜上带有pdms微柱阵列的pdms薄膜，且压电薄膜和pdms薄膜采用pdms进行等离子体处理后封装。

进一步的，所述pdms微柱阵列为n*n阵列，各微柱的尺寸为直径10～2000微米，高30～6000微米，圆心间隔为30～6000微米；pdms薄膜的厚度为5～500微米；所述压电薄膜上设置的阵列电极与所述pdms微柱阵列相对应，用于对各微柱的压力进行采集，并发送到外部检测系统。

进一步的，所述心肌组织细胞外群电位传感器包括导电层和引线层，所述导电层为采用金属沉积或微滴喷射高分子材料的方法在所述心肌组织收缩力传感器的pdms微柱表面覆盖的一层导电材料，所述导电层直接与体外心肌组织接触；所述引线层为采用金属材料或高分子导电材料组成的电极引线，所述电极引线分别与所述导电层和外部在线检测系统相连。

进一步的，所述导电层的厚度为1埃～1微米。

进一步的，所述电化学传感器为心肌组织生物标志物传感器，所述心肌组织生物标志物传感器包括工作电极、参比电极和辅助电极，以及在各电极表面按照顺序固定的mua、edc、nhs、spv以及生物素化生物标志物单克隆抗体，各电极通过电极引线与外部电化学工作站相连。

进一步的，所述模块化部件包括温度测量装置、ph测量装置、培养液循环装置和培养液气体除泡装置；所述温度测量装置通过温敏装置，对进入心肌组织芯片第一培养腔的培养液进行温度测量；所述ph测量装置通过在线ph测量仪对心肌组织芯片第二培养腔输出的培养液进行测量；所述培养液循环装置通过微量蠕动泵为心肌组织芯片内的培养液提供循环动力；所述除泡装置设置于心肌组织芯片输入端，利用pdms的透气性原理，对薄膜一端进行真空，实现薄膜另一端溶液的除泡。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明在芯片基底上设置第一、第二培养腔，并在第一培养腔内设置微柱传感器，第二培养腔内设置电化学传感器，能够同时在线的对心肌组织的收缩力、细胞外群电位以及生物标志物释放程度进行采集，实现了对心肌组织的无损、多功能和实时全信号采集。2、本发明中微柱传感器包括心肌组织收缩力传感器和心肌组织细胞外群电位传感器，心肌组织收缩力传感器采用压电薄膜以及位于压电薄膜上带pdms微柱的pdms薄膜构成，pdms微柱一方面用于固定水凝胶心肌组织的位置，另一方面与压电薄膜配合对培养在微柱上的心肌组织的收缩力进行检测，第三方面作为心肌组织细胞外群电位传感器的承载，两种传感器集成一体，使得传感器尺寸更小。3、本发明心肌组织收缩力传感器内的压电薄膜上设置有与pdms微柱阵列相对应的阵列电极，实现了对pdms薄膜上单微柱的压力采集，使得检测结果更加精确。4、本发明由于心肌组织细胞外群电位传感器沉积在pdms微柱表面，使得该传感器在结构上呈现三维立体结构，能够对心肌组织的电位进行三维采集。因此，本发明可以广泛应用于心肌组织细胞在线检测领域。

附图说明

图1是本发明体外心肌组织芯片的立体图；

图2是本发明体外心肌组织芯片的俯视图；

图3是本发明体外心肌组织芯片的主视图；

图4是本发明体外心肌组织芯片的分解图；

图5是本发明心肌组织收缩力传感器的分解图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明提供的一种多传感器集成的在线无损检测心肌组织芯片，其包括：芯片基底1、设置在芯片基底1一侧的培养腔体2、设置在培养腔体2内的第一、第二培养腔3、4、设置在两培养腔内的集成传感器以及用于支持心肌组织芯片工作的模块化部件(图中未示出)。其中，第一培养腔3作为心肌组织芯片的输入端，其底部设置有分别用于与外部培养液供给端相连的第一进液口5、与第二培养腔4相连的第一出液口6和与外部氧气输入输出端相连的气体交换口7；第二培养腔4作为心肌组织芯片的输出端，其底部设置有用于与第一出液口6相连的第二进液口8以及用于与外部培养液回收端相连的第二出液口9，构成闭环系统。集成传感器包括设置在第一培养腔3内的微柱传感器10和设置在第二培养腔4内的电化学传感器11，且微柱传感器10和电化学传感器11分别通过设置在芯片基底1上的电极层12与外部检测系统，如微电极阵列胞外电极记录系统、示波器、电化学工作站等相连，对通过水凝胶的形式培养在第一培养腔3内微柱传感器10上的心肌组织进行收缩力、细胞外群电位以及第二培养腔4内的生物标志物释放程度信息进行在线采集。

作为一个优选的实施例，芯片基底1采用硅橡胶材料制作，例如pdms(聚二甲基硅氧烷)材料。

作为一个优选的实施例，第一培养腔3底部的第一进液口5、第一出液口6和气体交换口7以及第二培养腔4底部的第二进液口8和第二出液口9结构均相同，均包括相互垂直的两微流通道13、14，第一微流通道13设置在培养腔体2底部，其一端与第一或第二培养腔相连，另一端与第二微流通道14相连，第二微流通道14内插设针头，针头通过橡胶管与外部培养液供给端、回收端或氧气输入输出端相连。

作为一个优选的实施例，微柱传感器10包括能够提供无损、在线检测的心肌组织收缩力传感器和心肌组织细胞外群电位传感器，且心肌组织收缩力传感器与心肌组织细胞外群电位传感器集成为一体，分别通过电极引线与微电极阵列胞外外电极记录系统、示波器相连。

作为一个优选的实施例，如图4、图5所示，心肌组织收缩力传感器包括压电薄膜15以及放置在压电薄膜15上带有pdms微柱阵列的pdms薄膜，且压电薄膜15和pdms薄膜采用pdms进行等离子体处理后封装。其中，pdms薄膜上的pdms微柱阵列为n*n阵列(本发明中采用的为3*3阵列)，各微柱的尺寸为直径10～2000微米，高30～6000微米，圆心间隔为30～6000微米；pdms薄膜的厚度为5～500微米。压电薄膜15上设置有阵列电极，该阵列电极的正极151与pdms薄膜上的各微柱阵列一一对应，用于对各微柱的压力进行在线的采集，阵列电极的正、负极151、152分别通过电极层12上的电极引线发送到外部电荷放大器、低通滤波器、示波器。

作为一个优选的实施例，心肌组织细胞外群电位传感器包括导电层和引线层，其中，导电层为采用金属沉积或微滴喷射高分子材料的方法在心肌组织收缩力传感器的pdms微柱表面覆盖的一层厚度在1埃～1微米的导电材料，该导电层直接与体外心肌组织接触；引线层为采用金属材料或高分子导电材料组成的电极引线，该电极引线分别与导电层和外部检测系统相连。本发明中，由于导电层是沉积在pdms微柱表面，因而心肌组织细胞外群电位传感器为立体微电极阵列，能够在线的对心肌组织的电位进行三维采集。

作为一个优选的实施例，电化学传感器11采用心肌组织生物标志物传感器，其包括工作电极、参比电极和辅助电极，以及在各电极表面按照顺序固定的mua(11-巯基十一烷酸)、edc(1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐)、nhs(n-羟基琥珀酰亚胺)、spv(链霉亲和素)以及生物素化生物标志物单克隆抗体，各电极通过电极层的引线与外部电化学工作站相连。本发明中，工作电极和辅助电极采用金材料制作，参比电极采用银材料制作，但不限于此，可根据实际需要选择各电极的制作材料，例如铂、碳纳米管等。

作为一个优选的实施例，模块化部件包括温度测量装置、ph测量装置、培养液循环装置和培养液气体除泡装置等功能部件。其中，温度测量装置设置在心肌组织芯片的输入端，对进入第一培养腔的培养液进行温度测量；ph测量装置通过在线ph测量仪对心肌组织芯片输出端的培养液进行ph测量；培养液循环装置包括培养液储存罐和微量蠕动泵，培养液的出口与微量蠕动泵的入口端相连，微量蠕动泵的出口端与心肌组织芯片中第一培养腔3的第一进液口5相连，第二培养腔4的第二出液口9与培养液储存罐的入口相连，微量蠕动泵用于为进入心肌组织芯片的培养液提供循环动力；除泡装置设置在心肌组织芯片的输入端，利用pdms薄膜的透气性原理，对pdms薄膜一端进行真空，实现薄膜另一端溶液的除泡。

作为一个优选的实施例，模块化部件中，可根据需求以模块化的方式接入及取出各功能部件。

本发明在使用时，首先，采用硅胶管将体外心肌组织芯片的第一培养腔3的第一进液口5与培养液供给端相连，将气体交换口与氧气进气端相连，第一培养腔3的第一出液口6与第二培养腔4的第二进液口8相连，第二出液口6与外部培养液回收端相连；然后，开启培养液循环装置中的微量蠕动泵，使外部培养液由心肌组织芯片的输入端向输出端循环流动，并在该过程中，在线实时测量心肌组织芯片输入端培养液的温度、输出端培养液的ph以及心肌组织的收缩力、细胞外群电位以及生物标志物释放程度信息。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。