[发明专利]用于构建三维微环境的方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于构建三维微环境的方法及装置，特别涉及一种基于三维图案化“微海绵支架”的自动装载效应，高效实现药物、材料和细胞的三维微尺度排列的方法及装置，属于三维微尺度芯片技术领域。

背景技术

分子细胞生物学、诊断与临床医学和新药开发等领域的发展需要在体外研究细胞与药物、细胞与细胞外基质(ECM)以及细胞与细胞的相互作用。传统的研究手段基于商业化的培养皿或多孔板的二维微环境。这种简化的两维微环境不能很好的模拟和重现体内的三维环境。因此在体外构建三维微环境实现药物、材料和细胞在三维水平上的相互作用研究对于加速生物医学和药物开发的进一步发展具有重要意义。诞生于半导体工业的微米尺度加工(微加工)技术被越来越广泛的应用于生物医学研究中以实现对于分子、材料和细胞在空间上的精确控制和高通量排列，其在建造图案化高通量的三维微环境领域具有强大功能。例如：空间上精确控制的三维微环境可以被用来重建体外的仿生模型(如模拟血管的多层生理结构，以及肝小叶精细的生理结构)；高通量排列的三维微环境可以被用来构建三维的药物、材料和细胞阵列芯片。常用的实现三维图案化排列的微加工方法包括：影印石版术(photolithography)、微成型技术(micro-molding)、模版图案技术(stencil patterning)、压印光刻技术(Imprint lithography)、流体光刻技术(flow lithography)等等。三维微环境的设计需要涉及多方面因素，例如生物材料的来源(天然的或合成的)、材料的物化性质(化学性质、硬度、降解性、结构性)、材料的生物活性(粘附位点存在与否、诱导信号存在与否)以及药物、材料和细胞封装的方式(在制作支架过程中封装、封装在已成型的支架上)。

如今，微加工技术在建造三维微环境的应用大都只局限于具有工程制造背景的实验室中实现，其在传统生物学、药学和医学实验室的广泛应用尚存在技术上的瓶颈，特别在涉及活细胞和具有生物活性的材料和药物的三维微环境的构建。例如，实验室常用的细胞外基质材料基质胶(matrigel)、明胶(collagen)是商品化的凝胶蛋白，具有良好的生物活性、生物相容性、可降解性，是公认的培养细胞的优良材料，尤其基质胶是培养胚胎干细胞(embryonic stem cell)的标准基底材料。其成胶(gelling)方式一般是温度转变(4℃～37℃)，用常规的方法很难实现三维的图案化排列。借助微加工技术来制备模具，依靠模具的微尺度空间限制可以实现凝胶蛋白和细胞的三维微尺度排列。但一定程度上又增加了研究成本或操作技巧难度。

与此同时，在实现基于细胞的三维微尺度研究过程中，需要特别考虑加工过程对于细胞的损伤问题。目前，细胞三维培养方式主要有两种：水凝胶培养方式和支架培养方式。水凝胶培养方式是将细胞和材料的悬浮液在一定条件下交联成水凝胶，细胞在水凝胶的交联网络体系内实现三维培养。常用的成胶(gelling)方式有：温度转变(collagen、matrigel)、pH转变(chitosan)、添加离子(alginate)、光暴露(hyaluronic acid or dextran-containing vinyl groups)等等。细胞在成胶过程中需要经历铰链过程和环境变化过程，不可避免受到伤害。支架培养方式是指将细胞种植到已经成型的三维支架材料中实现三维培养。目前细胞种植的方法分为两大类：静态种植和动态种植。静态种植一般将细胞悬浮液直接滴加在支架上，此方法简便、使用广泛，但也最低效。动态种植借助外部动力(如旋转种植、表面超声波种植、离心种植、磁场种植等等)使细胞较高效、均匀地渗入支架内部，但具有外部机械力损伤细胞的潜在危险。而且，不管采用哪种方式，都难以避免损失大量细胞。这对于一些来源短缺(如肝细胞)或培养成本高的细胞(如干细胞)非常不适用。

现代生物学、药学、医学的系统研究需要涉及大量信息的获取和分析，高通量(high-throughput)技术因此得到了广泛的应用，大大提高了信息获得的效率并且降低了所需试剂(如抗体、药物)、材料(如基质胶、胶原)和细胞(如干细胞、肝细胞)等的成本。目前常用的高通量平台技术基于微孔板(如96、384孔板)或芯片(如基因、蛋白、材料和细胞芯片)形式，用自动化操作系统(机械手、排枪、芯片点样系统、个人点样仪等)执行试验过程，实现微量样本研究。但是，昂贵的自动化操作系统并没有有效降低研究的总成本，需要开发更高效、更简易的装载(loading)方法来实现药物、材料和细胞的高通量三维微尺度排列芯片。