一种药物测试仿生皮肤芯片的制作方法

本发明涉及器官芯片技术领域，具体涉及一种药物测试仿生皮肤芯片。

背景技术：

皮肤是人体最大的器官，作为生理屏障包裹着肌肉和骨骼，以保护体内的组织和器官。然而，皮肤经常暴露于诸多生化制剂(如：化妆品，皮肤洗涤剂等)、紫外线、病原体、环境污染物和微生物。这些因素的快速增加可引起各种皮肤反应，如皮肤炎症、刺激、过敏甚至皮肤癌。然而，动物的皮肤与人类皮肤存在巨大差异，如厚度，毛发密度以及附属物等方面，因此基于动物模型的研究是有局限性的。此外，随着欧洲立法禁止用动物测试化妆品成分，并增加了必须进行风险评估的工业化学品数量。因此，化妆品、药理学和毒理学等领域强烈需要可靠的、可重复的、高通量的替代品以替代动物测试。

针对于人体皮肤替代物，源自人类细胞系的三维人类皮肤模型是最先进的体外替代方法。与单层细胞培养相比，三维人类皮肤模型可以更好地模拟天然皮肤的细胞组织和功能，脂质组成和分化，代谢能力，并保留细胞的极化。

近年来，微流控技术与微加工技术迅速发展，为体外模拟类似于人体微环境提供可能，能够提供三维组织培养环境，为组织供给养分，及时清除废弃物以及提供合适的剪切速率，从而实现体外模拟人体器官。如专利cn110408538a公开一种多肝小叶集成结构的肝芯片，能够在结构和功能上高度模拟肝脏微结构。

但现有技术中皮肤芯片较少，且现有技术中的皮肤芯片无法分析不同浓度药物对皮肤组织的影响。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于提供一种能够分析不同浓度药物对皮肤组织的影响的药物测试仿生皮肤芯片。

本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：

一种药物测试仿生皮肤芯片，包括从上到下依次设置的上层芯片、中层芯片、多孔膜和下层芯片；

所述上层芯片的底面设有凹陷的气体通道，所述中层芯片上设有与气体通道对应的通槽；

所述下层芯片的上表面设有至少三个凹陷的特斯拉微混合器、第一进口通道、第一主通道、汇集通道和第一出口通道，所述特斯拉微混合器并联设置，所述特斯拉微混合器的通道入口均与第一主通道连接，所述第一进口通道均位于相邻特斯拉微混合器的中部，所述第一进口通道的一端与第一主通道连通，所述特斯拉微混合器的通道出口汇集通道连通，所述第一出口通道与汇集通道连通；

所述多孔膜的上表面覆盖于通槽下方，所述多孔膜的下表面覆盖于汇集通道上。

工作原理：将多孔膜覆盖在汇集通道上，然后放上中层芯片，将制备好的皮肤组织放入通槽内，最后放上上层芯片。运行时，不同浓度的药物从不同的第一进口通道进入第一主通道，由于凹陷的特斯拉微混合器并联设置，且第一进口通道均位于相邻特斯拉微混合器的中部，相邻第一进口通道内的药物在经混合后，可以同时进入相邻第一进口通道之间的特斯拉微混合器凹陷的通道内，当特斯拉微混合器的个数为两个时，特斯拉微混合器中只含有一种浓度的药物，当特斯拉微混合器的个数至少为三个时，非两侧的特斯拉微混合器中有不同浓度的药物同时流入，经特斯拉微混合器进行快速高效混合，形成稳定的浓度梯度药物，然后通过多个特斯拉微混合器的通道出口进入汇集通道，由于多孔膜的下表面覆盖于汇集通道上，药物穿过多孔膜供给皮肤组织，同时从气体通道通入无菌空气，由于凹陷的气体通道与通槽对应，气体通道内通入的无菌空气对通槽内的皮肤组织产生气体流动，为皮肤组织提供气液相培养环境，皮肤组织代谢物透过多孔膜进入药物中，经过物质交换后，从汇集通道流入第一出口通道。

有益效果：本发明提供的药物测试仿生皮肤芯片能够为皮肤培养提供气液相培养环境，实现仿生的气液相皮肤组织培养，更好的模拟人体微环境；

本发明中的药物测试仿生皮肤芯片结构简单，采用特斯拉微混合器，能够快速高效的进行药物混合，形成稳定的药物浓度梯度提高药物测试的效率和可靠性。

现有技术中的皮肤芯片无法应用于药物筛选或药物测试，而本发明中的药物测试仿生皮肤芯片与现有技术中的皮肤芯片相比，不仅可以用于气液相培养，还可以同时进行药物毒性测试或药物筛选，进一步提高了检测效率。

可以收集第一出口通道中的皮肤组织代谢物，实时监控皮肤组织的代谢物，从而监测不同梯度浓度药物对皮肤组织的影响。

气体通道可以模拟人体皮肤微环境，气液相培养有利于体外制作的皮肤组织形成角质层。

优选地，所述特斯拉微混合器包括多级特斯拉微混合器，所述多级特斯拉微混合器之间依次串联连接，前一级任一特斯拉微混合器的出口通道位于后一级相邻特斯拉微混合器的进口通道的中部，所述后一级特斯拉微混合器的个数比前一级特斯拉微混合器的个数多一个。

优选地，所述多级特斯拉微混合器包括第一级特斯拉微混合器和第二级特斯拉微混合器；所述第一级特斯拉微混合器的通道入口均与第一主通道连接，所述第一进口通道均位于相邻第一级特斯拉微混合器的中部；

所述第二级特斯拉微混合器的通道入口设有第二主通道，所述第二级特斯拉微混合器的通道入口均与第二主通道连通，所述第一级特斯拉微混合器的通道出口均位于相邻第二级特斯拉微混合器的中部，所述第二级特斯拉微混合器的通道出口与汇集通道连通。

优选地，所述第一级特斯拉微混合器的个数为三个，所述第二级特斯拉微混合器的个数为四个，所述汇集通道的个数为四个。

优选地，所述气体通道包括第一气体通道和第二气体通道，所述第一气体通道呈树状分布，所述第二气体通道与第一气体通道的末端连通，所述第二气体通道与中层芯片的通槽对应。

优选地，所述第一气体通道为三级树状通道，三级树状通道的末端由四个分支通道构成，第二气体通道的个数为四个，四个分支通道分别与四个第二气体通道连通。

优选地，所述上层芯片的一侧设有第一通道，所述第一通道的截面呈l形，所述第一通道的一端穿过上层芯片的侧壁、第一通道的另一端与三级树状通道的前端通道连通，所述第一通道的另一端贯穿上层芯片的下表面。

优选地，所述第一出口通道的一端与汇集通道连通，所述第一出口通道的另一端与下层芯片的外壁连通。

有益效果：可以从下层芯片的外壁收集皮肤细胞代谢物，通过皮肤细胞代谢物实时监测药物对皮肤细胞的影响。

优选地，所述特斯拉微混合器的通道深度小于下层芯片的厚度。

优选地，所述第一进口通道、第一主通道、第二主通道、汇集通道和第一出口通道的深度小于下层芯片的厚度。

优选地，所述气体通道的深度小于上层芯片的厚度。

优选地，所述上层芯片通过螺丝与中层芯片、下层芯片固定。

优选地，所述第二气体通道、通槽和汇集通道的形状相同。

优选地，所述多孔膜为pes膜或pvdf膜。

本发明的工作原理：将多孔膜覆盖在汇集通道上，然后放上中层芯片，将制备好的皮肤组织放入通槽内，最后放上上层芯片。运行时，不同浓度的药物从不同的第一进口通道进入第一主通道，由于凹陷的特斯拉微混合器并联设置，且第一进口通道均位于相邻特斯拉微混合器的中部，相邻第一进口通道内的药物在经混合后，可以同时进入相邻第一进口通道之间的特斯拉微混合器凹陷的通道内，当特斯拉微混合器的个数为两个时，特斯拉微混合器中只含有一种浓度的药物，当特斯拉微混合器的个数至少为三个时，非两侧的特斯拉微混合器中有不同浓度的药物同时流入，经特斯拉微混合器进行快速高效混合，形成稳定的浓度梯度药物，然后通过多个特斯拉微混合器的通道出口进入汇集通道，由于多孔膜的下表面覆盖于汇集通道上，药物穿过多孔膜供给皮肤组织，同时从气体通道通入气体，由于凹陷的气体通道与通槽对应，气体通道内通入的气体对通槽内的皮肤组织产生气体流动，为皮肤组织提供气液相培养环境，皮肤组织代谢物透过多孔膜进入药物中，经过物质交换后，从汇集通道流入第一出口通道。

本发明的优点在于：本发明提供的药物测试仿生皮肤芯片能够为皮肤培养提供气液相培养环境，实现仿生的气液相皮肤组织培养，更好的模拟人体微环境；

本发明中的药物测试仿生皮肤芯片结构简单，采用特斯拉微混合器，能够快速高效的进行药物混合，形成稳定的药物浓度梯度提高药物测试的效率和可靠性。

可以收集第一出口通道中的皮肤组织代谢物，实时监控皮肤组织的代谢物，从而监测不同浓度梯度药物对皮肤组织的影响。

附图说明

图1为本发明实施例1中药物测试仿生皮肤芯片的爆炸图；

图2为本发明实施例1中药物测试仿生皮肤芯片的爆炸透视图；

图3为本发明实施例1中上层芯片的透视图；

图4为本发明实施例1中上层芯片的仰视图；

图5为本发明实施例1中中层芯片的透视图；

图6为本发明实施例1中下层芯片的俯视图；

图7为本发明实施例2中采用实施例1中药物测试仿生皮肤芯片检测不同浓度h2o2对皮肤细胞存活率的影响结果图；

图中：上层芯片11；第一气体通道12；第二气体通道13；第一通道14；中层芯片21；通槽22；多孔膜31；下层芯片41；第一进口通道42；第一主通道43；第一级特斯拉微混合器44；第二主通道45；第二级特斯拉微混合器46；汇集通道47；第一出口通道48；第二通道49。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

需要说明的是，在本文中，如若存在第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

实施例1

一种药物测试仿生皮肤芯片，如图1和图2所示，包括从上到下依次设置的上层芯片11、中层芯片21、多孔膜31和下层芯片41，为方便安装，上层芯片11上表面设有贯穿的螺纹孔，中层芯片21和下层芯片41表面设有对应的螺纹孔，上层芯片11、中层芯片21和下层芯片41之间通过螺丝连接。

如图2、图3和图4所示，上层芯片11的底面设置向上凹陷的气体通道，气体通道包括第一气体通道12和第二气体通道13，第一气体通道12呈树状分布，本实施例中第一气体通道12为三级树状通道，三级树状通道的末端由四个分支通道构成，第二气体通道13的个数为四个，三级树状通道末端的四个分支通道分别与四个第二气体通道13连通。

为方便气体进入气体通道内，上层芯片11的一侧设有第一通道14，第一通道14的截面呈l形，第一通道14的一端穿过上层芯片11的侧壁、与三级树状通道的前端通道连通，第一通道14的另一端贯穿上层芯片11的下表面。

如图1、图2和图6所示，下层芯片41的底面设置有向下凹陷的特斯拉微混合器、向下凹陷的第一进口通道42、向下凹陷的第一主通道43、向下凹陷的汇集通道47和向下凹陷的第一出口通道48，特斯拉微混合器是由特斯拉(tesla)结构构成，特斯拉微混合器为现有技术，利用coanda效应让流体产生回流，可以大大加强混沌对流，改善混合效果，特斯拉微混合器、向下凹陷的第一进口通道42、向下凹陷的第一主通道43、向下凹陷的汇集通道47和向下凹陷的第一出口通道48的深度均小于下层芯片41的厚度。

为形成更多的物质浓度梯度，特斯拉微混合器由多级构成，多级特斯拉微混合器之间依次串联连接，前一级任一特斯拉微混合器的出口通道位于后一级相邻特斯拉微混合器的进口通道的中部，后一级特斯拉微混合器的个数比前一级特斯拉微混合器的个数多一个，每级特斯拉微混合器的尺寸相同。

本实施例中特斯拉微混合器由两级构成，包括第一级特斯拉微混合器44和第二级特斯拉微混合器46，本实施例中第一级特斯拉微混合器44的个数为三个，第二级特斯拉微混合器46的个数为四个，第一进口通道42的个数为两个。

三个第一级特斯拉微混合器44的通道入口均与第一主通道43的侧壁连通，其中两个第一级特斯拉微混合器44的通道入口分别与第一主通道43的侧壁两端连通，另一个第一级特斯拉微混合器44的通道入口位于第一主通道43侧壁的中部，第一进口通道42分别位于相邻第一级特斯拉微混合器44的中部，且第一进口通道42的一端与第一主通道43的侧壁连通，本实施例中第一级特斯拉微混合器44的轴线与第一主通道43的轴线垂直。

四个第二级特斯拉微混合器46的通道入口均与第二主通道45的侧壁连通，四个第二级特斯拉微混合器46的通道入口平均分布在第二主通道45上，其中两个第二级特斯拉微混合器46的通道入口分别与第二主通道45的侧壁连通，三个第一级特斯拉微混合器44的通道出口分别位于相邻第二级特斯拉微混合器46的通道入口之间，第一级特斯拉微混合器44的的通道出口与第二主通道45的侧壁连通。

第二级特斯拉微混合器46的通道出口与汇集通道47连通，汇集通道47的个数为四个，汇集通道47的一端与第二级特斯拉微混合器46的通道出口连通，汇集通道47的另一端与第一出口通道48的一端，第一出口通道48的另一端与下层芯片41的外壁连通。

为方便药物进入第一进口通道42内，下层芯片41的一侧设置第二通道49，本实施例中第二通道49的截面呈l形，第二通道49的一端穿过下层芯片41的侧壁，第二通道49的另一端贯穿下层芯片41的上表面，第二通道49的另一端与第一进口通道42连通。

如图1、图2和图5所示，中层芯片21表面设有与第二气体通道13对应的通槽22，本实施例中通槽22的个数为四个。

多孔膜31的上表面覆盖于通槽22下方，多孔膜31的下表面覆盖于汇集通道47上方，多孔膜31的下表面与汇集通道47上表面贴合，本实施例中多孔膜为pvdf膜或pes膜。

为使多孔膜31更好的贴合在通槽22下方和汇集通道47下表面，使气体能够更好的在皮肤组织表面流动，本实施例中第二气体通道13的形状、通槽22的形状、汇集通道47的形状、尺寸相同。

本实施例的工作原理：将多孔膜31覆盖在汇集通道47上，然后放上中层芯片21，将制备好的皮肤组织放入通槽22内，最后放上上层芯片11，然后通过螺丝将上层芯片11、中层芯片21、下层芯片41固定。

运行时，不同浓度的药物分别从两个第二通道49的入口进入第一进口通道42，经过第一主通道43，由于第一进口通道42位于相邻两个第一级特斯拉微混合器44的中间，由于凹陷的特斯拉微混合器并联设置，且第一进口通道42均位于相邻第一级特斯拉微混合器44的中部，相同浓度的药物进入相邻两个第一级特斯拉微混合器44内，中间的第一级特斯拉微混合器44有两种不同浓度的药物流入混合，两侧的第一级特斯拉微混合器44中的药物浓度不变，第一级特斯拉微混合器44中的药物进入第二主通道45内，从第二主通道45流入第二级特斯拉微混合器46内，经第二级特斯拉微混合器46混合后，形成四种药物浓度梯度，然后分别从第二级特斯拉微混合器46的通道出口流入汇集通道47内汇集，由于多孔膜31的下表面覆盖于汇集通道47上，药物穿过多孔膜31供给皮肤组织，同时从气体通道通入气体，由于凹陷的气体通道与通槽22对应，气体通道内通入的气体对通槽22内的皮肤组织产生气体流动，为皮肤组织提供气液相培养环境，皮肤组织代谢物透过多孔膜31进入药物中，经过物质交换后，从汇集通道47流入第一出口通道48。

如从第一进口通道42的入口分别通入浓度为0和2mol/l的药物，经过三个第一级特斯拉微混合器44混合后，第一级特斯拉微混合器44通道出口的药物浓度分别为0、1mol/l、2mol/l，经过第二级特斯拉微混合器46混合后，第二级特斯拉微混合器46通道出口的药物浓度分别为0、0.5mol/l、1.5mol/l、2mol/l，形成四种不同浓度梯度的药物。

本实施例中第一气体通道12、第二气体通道13、第一通道14、第一进口通道42、第一主通道43、第一级特斯拉微混合器44、第二主通道45、第二级特斯拉微混合器46、汇集通道47、第一出口通道48的宽度尺寸在微尺度范围内(毫米级以内)，使流体形成层流。

本实施例有益效果：本发明提供的药物测试仿生皮肤芯片能够为皮肤培养提供气液相培养环境，实现仿生的气液相皮肤组织培养，更好的模拟人体微环境；

本发明中的药物测试仿生皮肤芯片结构简单，采用特斯拉微混合器，能够快速高效的进行药物混合，形成稳定的药物浓度梯度提高药物测试的效率和可靠性。

可以收集第一出口通道48中的皮肤组织代谢物，实时监控皮肤组织的代谢物，从而监测不同梯度浓度药物对皮肤组织的影响。

实施例2

采用实施例1中的药物测试仿生皮肤芯片检测了h2o2对皮肤细胞的损伤影响，把制备好的皮肤组织放入到通槽22中，从第二通道49的入口分别通入浓度为0％和0.2％的h2o2，经过24小时给药处理后，检测细胞培养室中细胞存活情况(图7)，结果说明h2o2形成了稳定的浓度梯度，细胞存活率随着药物浓度的增加而降低。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。