[发明专利]一种用于吡格列酮改善HepG2胰岛素抵抗模型研究的3D打印浓度梯度芯片

说明书

本发明公开一种用于吡格列酮改善HepG2胰岛素抵抗模型研究的3D打印浓度梯度芯片。本工作设计了一种树形分支结构的开放式微流控芯片，利用纸基纤维的毛细作用实现流体的扩散运输，摆脱传统微流控梯度发生器需要外部动力的问题，同时将梯度发生器和细胞三维培养区域集成到同一平台，实现高通量、可重复、低试剂消耗的药物筛选实验操作。实验从胰岛素抵抗三维细胞模型的建立入手，探讨不同浓度胰岛素诱导人肝癌细胞HepG2胰岛素抵抗的反应程度及吡格列酮改善HepG2细胞葡萄糖消耗的水平，建立了稳定的胰岛素抵抗模型和吡格列酮干预胰岛素抵抗模型。

技术领域

本发明涉及医药和工程技术领域，特别是一种用于吡格列酮改善HepG2胰岛素抵抗模型研究的3D打印浓度梯度芯片。

背景技术

胰岛素抵抗（insulin resistance, IR）是指机体靶组织对正常剂量胰岛素产生低于正常生物学效应的一种病理生理状态，主要发生在肝脏及外周组织，是导致II 型糖尿病、代谢综合征、高血压病、肥胖、动脉粥样硬化等常见临床疾病发生的共同病理生理基础。IR主要表现为胰岛素敏感性降低，外周组织葡萄糖利用率下降，肝脏组织不能有效抑制糖异生和糖原分解。饮食结构、生活习惯、遗传和环境因素均可造成胰岛素抵抗。通常，研究人员通过建立动物模型或者二维界面细胞模型来研究IR的发病机制并筛选治疗IR的有效药物。但是，动物与人类在生理生化和解剖结构上存在差异，且动物模型有着周期长、造价高的缺点；传统的二维培养细胞模型在缺乏三维微环境的二维界面生长仅能保存部分原有生物化学性质，如细胞表型、代谢及基因表达，不能模拟相对真实的生物学或生理学发生的环境。而三维细胞培养体系是简单的二维培养模型和复杂而昂贵的动物模型的折中选择，它可提供细胞-细胞和细胞-细胞外基质动态相互作用的类体内微环境，允许氧、代谢物和蛋白因子等浓度梯度的发生，又兼具周期短，成本相对较低的特点，为构建合适的IR体外模型研究胰岛素抵抗发病机制和降糖药物的作用机制提供了新的方向。

微流控芯片可在微米或纳米级别的通道内实现微纳流体的精确操控，通过精心设计微通道网络，调节入口样品流速和流量，以分子扩散主导的方式经多次分流、汇流形成预定浓度梯度，又被叫做微流控梯度发生器。微流控梯度发生器因其高通量、低消耗、小体积等优势被广泛应用于分析化学、生物学、材料科学等领域，尤其在生物学方面展现出得天独厚的优势。首先，微加工技术的进步使通道几何结构的不断微型化成为可能，物质运输时间更贴近生理范围，提供了具有生理意义的时间尺度和空间尺度。其次，微流控芯片可将多个模块设计集成到同一操作平台中，同时实现梯度的发生和细胞的三维培养，使细胞的生长状态和药物的作用模式更接近生物体内的情况，改变了体外研究中控制细胞微环境的方法。尽管拥有巨大的开发潜能，巨大而昂贵的外加驱动泵使其仅能应用于实验室，无法实现商业化的批量生产。液体运输的动力问题，成为困扰微流控梯度发生器走出实验室的一大阻碍。

在此研究基础上，本工作利用3D打印技术快速成型、微流控平台易集成和纸纤维依靠毛细作用运输液体的特点，构建了3D打印浓度梯度芯片用于胰岛素抵抗HepG2三维细胞模型的建立与高通量药物的筛选。酶联免疫吸附实验测得的细胞葡萄糖摄取率显示，细胞在3.334×10^-6 μmol·L^-1胰岛素作用下，经24 h后葡萄糖消耗率约降为正常对照组的一半；吡格列酮干预后，胰岛素抵抗细胞模型的胰岛素敏感性有所改善。

发明内容

1.本发明的目的是提供一种用于吡格列酮改善HepG2胰岛素抵抗模型研究的3D打印浓度梯度芯片。

本发明的目的是这样实现的，一种用于吡格列酮改善HepG2胰岛素抵抗模型研究的3D打印浓度梯度芯片，其特征在于，以3D打印技术获得树形分支结构的芯片模型，以羧甲基纤维素钠（CMCNa）溶液为粘合剂，以α-纤维素为纸基基质，构建开放式浓度梯度微流控芯片。