基于高分子材料和微流控技术的类脑器官芯片模型元件的设计和制备

Microfluidic organ-on-a-chip exhibits great potentials in many fields, and the corresponding material methodology needs to be improved. Brain Science and Brain-inspired Intelligence has become one of the most important international academic frontiers and major national strategies. As a very challenging in vitro micro-tissue engineering, brain-on-a-chip is still in its infancy, even lacking of design and preparation of prototype of corresponding biomimetic devices. The applicant put forward this topic, would like to challenge myself by combination of advanced biomaterials and microfabrication tissue engineering to set up an in vitro model that mimics the physiological structures of the human brain to some extents..After careful survey, the applicant intends to use the cross-sectional structure of the cerebral cortex as a starting point for the in vitro mimicking. The proposal will be to construct a layered spatial structure with neuron stratification and nerve fiber orientation in a microfluidic chip. The chip technology will also be combined with fluorescence and electrical methods to characterize some primary disease models in order to achieve functionalization of the prototype of brain-on-a-chip..The applicant engaged in biodegradable polymeric materials during Master study, and then went abroad for a Ph.D. research on microfabrication techniques and microfluidics research. The current research group led by Prof. Ding is focused on biomedical materials and tissue engineering. The grant is aimed at combining the previous training to challenging a new interdisciplinary frontier about in vitro prototype devices of cerebral cortex, with emphasis on laying a foundation on the corresponding biomaterial design and microfabrication methodology.

微流控器官芯片前景广阔，但是材料方法学方面亟待进步。脑科学和类脑研究已经成为国际学术前沿和国家重大战略需求之一，而针对脑器官芯片的研究还处于起步阶段，尤其缺乏相应的仿生元件的设计和制备。本青年基金拟结合生物材料和工程技术，建立一个能够模仿人脑复杂生理结构的模型化体外仿生元件。.申请人经过认真调研，打算以模仿皮层的剖面结构作为切入点，通过微加工技术、材料学和生物学的交叉应用，在微流控芯片内构建神经元分层、神经纤维取向的精密空间架构。该芯片技术还将结合荧光和电学手段疾病模型进行表征，初步实现脑器官芯片的功能化检测。.本人在硕士期间从事生物可降解高分子材料相关研究，出国攻读博士学位期间从事微流控器件研究，培养了一定的材料设计和搭制器件的能力。目前做博士后的课题组专门从事生物医用材料和微流控。本青年基金将面向大脑的中枢-大脑皮层进行探索性的研究，在相应的生物材料学和微加工方法学方面打下一定基础。

基于高分子材料的微流控芯片将成为生物材料研究的重要工具。为此，本研究的主要工作、科学发现和意义如下：.（1）提出利用微流控芯片构建类脑芯片元件的构想、并初步制备相应模型元件。提出以模仿皮层的剖面结构作为切入点，通过微加工技术、材料学和生物学的交叉应用，在微流控芯片内构建神经元分层、神经纤维取向的精密空间架构。初步制备了具有特殊微柱通道结构的微流控芯片；完成了两种关键神经元（颗粒细胞和锥体细胞）的提取和培养；并将两种神经元三维分层培养在微流控芯片中。这部分探索性工作为课题组今后的脑科学和类脑研究提供良好的研究基础。.（2）设计并通过微加工制备一种简便而功能性和适用性强的微流控细胞拉伸芯片。结合超弹性理论、有限元分析和正交实验设计，优化了基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)硅橡胶的微器件参数；进行细胞的单轴拉伸实验表明，细胞垂直于拉伸方向；由于工作距离超短，可以很清晰地观察细胞骨架的细微结构，这使得亚细胞研究成为可能；我们还测试了径向拉伸和梯度拉伸，证明此类芯片具有良好的可扩展性。.（3）将具有拓扑微结构的弹性膜组装进微流控芯片并进行准三维细胞研究。设计并成功制备了具有可拉伸形貌微结构的微流控芯片，在此基础上构建了细胞的准三维黏附状态并进行循环拉伸刺激。通过不同细胞和不同维度的研究表明，准三维微环境介于二维和三维微环境，而且在许多方面，适当的准三维细胞可以模仿三维微环境中的细胞，同时又能像在二维上一样方便地观察。.（4）发明一种快速对准仪来有效地解决微流控芯片对准速度慢、制备成功率低的问题。该对准仪的特点在于采用上、下载物台可拆卸平板，使两个对准样品可以贴在平板上，在等离子处理前进行粗调，然后在等离子处理后进行精细对准并快速贴合。新的对准仪使等离子键合能够在等离子处理后的1分钟内完成，极大提高了芯片的制造可重复性。