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微流控軟骨芯片
由于人口老齡化，骨關(guān)節(jié)炎（osteoarthritis，OA）這一常見疾病所造成的社會影響預(yù)計將急劇增加，其常見的治療方式為緩解疼痛或手術(shù)治療。OA治療藥物匱乏，主要源于缺乏準(zhǔn)確的臨床前OA模型，在傳統(tǒng)2D培養(yǎng)和3D培養(yǎng)中，二者均不能準(zhǔn)確的模擬軟骨細(xì)胞的動態(tài)培養(yǎng)微環(huán)境，以及在關(guān)節(jié)活動時，軟骨細(xì)胞所受到的特異性刺激，如持續(xù)的營養(yǎng)供給和特定的機(jī)械刺激。而微流控技術(shù)的引入，通過微流體控制和帶有“分層”結(jié)構(gòu)的軟骨微流控芯片，為這一系列難題帶來了新的創(chuàng)新型解決方案。
本文介紹了一種微流控軟骨芯片及其細(xì)胞培養(yǎng)微流控系統(tǒng)，簡述使用微流控手段進(jìn)行軟骨細(xì)胞培養(yǎng)的實驗機(jī)理。
微流控軟骨芯片
關(guān)節(jié)軟骨（Articular cartilage）覆蓋了關(guān)節(jié)的骨摩擦面，光滑且富有彈性，其主要功能是促進(jìn)骨骼間的負(fù)荷傳遞，為關(guān)節(jié)活動提供緩沖與保護(hù)。關(guān)節(jié)軟骨由細(xì)胞間質(zhì)和軟骨細(xì)胞組成，無血管和神經(jīng)結(jié)構(gòu)，營養(yǎng)物質(zhì)由細(xì)胞間質(zhì)輸送至軟骨細(xì)胞，關(guān)節(jié)活動時，外界機(jī)械刺激會促進(jìn)營養(yǎng)物質(zhì)的輸送。
一種能在一定程度上模擬以上條件的微流控軟骨芯片，其結(jié)構(gòu)見下圖。
上圖中，a圖為芯片俯視圖，頂部為3個驅(qū)動腔，與正壓FlowEZ壓力泵或負(fù)壓Flow EZ壓力泵相連；中間黃色部分為細(xì)胞培養(yǎng)腔，為軟骨細(xì)胞培養(yǎng)場所，培養(yǎng)基質(zhì)為水凝膠；下方紅色部分為灌流通道，模擬血管，為軟骨細(xì)胞輸送營養(yǎng)物質(zhì)。結(jié)合芯片的橫截面圖b，可以發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞培養(yǎng)腔一側(cè)是帶有彈性的PDMS膜，PDMS彈性膜與3個驅(qū)動相連，另一側(cè)為很多的微柱陣列，與灌流通道相連。
芯片工作時，通過對3個驅(qū)動腔施加正壓或負(fù)壓，從而對PDMS彈性膜進(jìn)行不同的機(jī)械刺激，促使PDMS彈性膜發(fā)生不同程度的形變，從而模擬軟骨細(xì)胞在關(guān)節(jié)活動時候的擠壓以及“反彈”。
軟骨模擬微流控系統(tǒng)
此系統(tǒng)示意圖見下圖。
系統(tǒng)采用正壓FlowEZ壓力泵或負(fù)壓Flow EZ壓力泵作為驅(qū)動源，以對芯片上的3個驅(qū)動腔施加正壓和負(fù)壓，并采用3個2向開關(guān)閥來實現(xiàn)正負(fù)壓的切換，其操作流程由PC端軟件進(jìn)行自動化編程控制。在芯片端，采用顯微鏡觀察并分析芯片上PDMS彈性膜的形變，以及軟骨細(xì)胞培養(yǎng)形態(tài)。
部分實驗結(jié)果
下圖為所拍攝的部分PDMS彈性膜顯微鏡圖像，分別展示了PDMS彈性膜在4種不同壓力情形下所發(fā)生的形變。
上圖中，施加正壓時，壓力為800mbar，施加負(fù)壓時，壓力為-350mbar。
在過去的幾年里，傳統(tǒng)2D培養(yǎng)向3D培養(yǎng)的轉(zhuǎn)變，是體外培養(yǎng)體系的一大進(jìn)步。3D培養(yǎng)可以誘導(dǎo)表型、基因表達(dá)以及分化增殖率，具有更高的生理學(xué)相關(guān)性，但與體內(nèi)的活器官相比，大多數(shù)細(xì)胞不斷受到化學(xué)與機(jī)械刺激，3D培養(yǎng)模型仍顯得很簡單。而微流控技術(shù)，是再現(xiàn)活器官復(fù)雜性的有力手段。本文中例子具有一定的通用性，可應(yīng)用于腸道芯片、食道芯片等類似研究。