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TWI728680B - 仿生系統 - Google Patents

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TWI728680B
TWI728680B TW109103354A TW109103354A TWI728680B TW I728680 B TWI728680 B TW I728680B TW 109103354 A TW109103354 A TW 109103354A TW 109103354 A TW109103354 A TW 109103354A TW I728680 B TWI728680 B TW I728680B
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陳冠宇
楊家維
林科銍
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國立陽明交通大學
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Abstract

一種仿生系統，包含器官晶片、培養基容器、液體泵、噴霧器、氣體泵，及腔裝置。器官晶片的上、下基板共同定義通道，且多孔膜將通道分隔成上支道及下支道，並分別供多個上皮細胞及多個內皮細胞附著。培養基容器用於容裝培養液，且與下支道的液體出口相連通。液體泵的泵入口與泵出口分別耦接至培養基容器及下支道的液體入口，以讓培養液由培養基容器被抽出及流入下支道，再流回培養基容器。噴霧器用以將包含測試樣品的測試溶液霧化成噴霧。氣體泵耦接於上支道的上游用以供應高壓氣體。腔裝置的噴霧入口允許來自噴霧器的噴霧引導至腔室，其排出口設置在腔室下游且耦接於上支道的氣體入口的上游，而進入口用以引導高壓氣體進入腔室，且迫使噴霧由排出口流出腔室並進入上支道。

Description

仿生系統
本發明是有關於一種仿生系統，特別是指一種更仿生的肺泡實驗模型，及仿真的呼吸系統，以可運用於肺部的健康評估的仿生系統。
目前在細懸浮微粒的健康評估研究中，多是利用培養皿細胞培養或是動物實驗進行測試，相對人體複雜構造上的生理機制，細胞研究依然存在著極大的侷限，無法模擬整個生物體內複雜條件及相互牽連的生理訊息，因此，動物實驗在細懸浮微粒的研究中扮演了重要角色，但在機制與基因指標的數據中往往與人體臨床結果之間相差甚大，這主要源自生物物種與生理功能的差異化，這些原因致使空汙在與人體健康危害的成因探討、生物指標分析及空汙未來管制策略等方針上造成困難。
為了解決動物實驗與臨床試驗上的巨大差異，近年已開發出將器官建構在晶片的仿生技術，目標在於取代動物實驗，達到更為精準、可靠的臨床前實驗數據。但，如何建構出一個完整模擬 人體肺部環境的體外模型是相當困難。
因此，本發明的目的，即在提供一種仿生系統。
於是，本發明仿生系統，其用於在體外評估一測試樣品之作用，該仿生系統包含至少一器官晶片、至少一培養基容器、一液體泵、一噴霧器、一氣體泵，及一腔裝置。
該至少一器官晶片包括一上基板、一下基板，及一多孔膜，該下基板是與該上基板共同定義一通道，該多孔膜是設置在該上基板及該下基板之間，以將該通道分隔成一上支道及一下支道，該多孔膜具有一朝上面及一朝下面，該朝上面是位在該上支道，以供多個上皮細胞附著，該朝下面是位在該下支道，以供多個內皮細胞附著。
該至少一培養基容器用於容裝一培養液，且與該下支道的一液體出口相連通。
該液體泵包括至少一泵入口及至少一泵出口，該至少一泵入口耦接至該培養基容器，以允許該培養液透過該液體泵而由該培養基容器被抽出，該至少一泵出口耦接至該下支道的一液體入口，以允許該培養液被該液體泵驅使而流入該下支道，之後再流回該培養基容器，藉此循環供應該培養液至該下支道，進而提供養分至該等上皮細胞及該等內皮細胞。
該噴霧器用以將一包含該測試樣品的測試溶液霧化成一 噴霧。
該氣體泵耦接於該上支道的上游，用以供應一高壓氣體。
該腔裝置定義出一腔室於其內，且包括一噴霧入口、至少一排出口，及至少一進入口，該噴霧入口設置在該腔室的上游，且耦接在該噴霧器的下游，以允許來自該噴霧器的該噴霧引導至該腔室，該至少一排出口設置在該腔室下游，且耦接於該上支道的一氣體入口的上游，該至少一進入口設置在該腔室的上游及該氣體泵的下游，用以引導該高壓氣體進入該腔室，且設置成允許該高壓氣體迫使該噴霧經由該至少一排出口流出該腔室，而進入該上支道。
本發明的功效在於，設計器官晶片的構造做為仿生肺晶片，並連接培養基容器及使用該液體泵作為動力源，從而仿真人體肺部的血液流動與循環系統；而透過該噴霧器、該氣體泵，及該腔裝置通入相關物質來模擬外在懸浮微粒，並以氣曝方式進入器官晶片中，從而創建出一個完整的仿生理肺部的仿生系統，有效改善現有習知透過液體方式打入模擬的器官晶片中而不夠仿生的缺點。
1:器官晶片
101:氣體入口
102:氣體出口
103:液體入口
104:液體出口
11:上基板
12:下基板
13:通道
131:上支道
132:下支道
14:多孔膜
141:朝上面
142:朝下面
15:上皮細胞
16:內皮細胞
2:培養基容器
20:培養液
3:液體泵
31:泵入口
32:泵出口
4:噴霧器
41:可震動件
411:周圍部
412:中央部
413:孔洞
42:壓電件
43:殼體
431:上開口
432:凹穴
433:凹穴底部
434:連通口
5:氣體泵
6:腔裝置
60:腔室
601:噴霧入口
602:進入口
603:排出口
61:圍繞壁
611:下封閉端
612:上開放端
613:上壁部
614:下壁部
7:過濾器
L:縱軸
本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一局部剖視示意圖，說明本發明仿生系統的一實施例；圖2是一立體示意圖，說明本發明仿生系統的該實施例中的一噴霧器及一腔裝置； 圖3是一立體示意圖，說明本發明仿生系統的該實施例中的一器官晶片；及圖4是一剖視示意圖，輔助圖3說明本發明仿生系統的該實施例中的該器官晶片。
在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。
參閱圖1，本發明仿生系統的一實施例，適用於在體外評估一測試樣品的作用，該仿生系統包含多個器官晶片1、多個分別與該等器官晶片1連接的培養基容器2、一與該等培養基容器2連接的液體泵3、一噴霧器4、一與該噴霧器4連接的氣體泵5、一與該噴霧器4、該氣體泵5，及該等器官晶片1耦接的腔裝置6，及一與該等器官晶片1耦接的過濾器7。
配合參閱圖2，圖2是顯示出該噴霧器4與該腔裝置6的連接關係，該噴霧器4是用以將一包含該測試樣品的測試溶液霧化成一噴霧，而該腔裝置6是設置在該噴霧器4的下游，用以將該噴霧傳遞至該腔裝置6中。
詳細地說，該噴霧器4包括一可震動件41、一壓電件42，及一殼體43。該殼體43具有一上開口431、一凹穴432，及一連通口434，該凹穴432是由該上開口431沿一縱軸L往下延伸，而終止於一凹穴底部433，該連通口434是由該凹穴底部433往下延伸。該 可震動件41是設置在該凹穴底部433，且允許該測試溶液置於其上，並具有一周圍部411，及一被該周圍部411圍繞的中央部412，且該中央部412形成有多個朝下逐漸變窄的孔洞413，該壓電件42耦接在該周圍部411，使得當一電流施加至該壓電件42時，該可震動件41是被驅動而震動，以造成通過該等孔洞413的該測試溶液霧化成該噴霧。較佳地，該可震動件41的該中央部412是與該連通口434對齊，藉此允許該噴霧由該連通口434噴出該殼體43。
該腔裝置6包括一圍繞壁61、一噴霧入口601、多個進入口602，及多個排出口603。該圍繞壁61是圍繞該縱軸L延伸，以定義一腔室60於其內，該圍繞壁61沿著該縱軸L延伸而終止於一下封閉端611及一上開放端612，且該圍繞壁61是具有一上壁部613及一下壁部614，該下壁部614的尺寸是小於該上壁部613的尺寸。
具體地說，該腔裝置6的該上開放端612是定義該噴霧入口601，使得該噴霧入口601是設置在該腔室60的上游而耦接在該噴霧器4的下游，用以允許來自該噴霧器4的該噴霧引導至該腔室60內；該等排出口603設置在該腔室60的下游，耦接該等器官晶片1的上游，較佳是徑向延伸通過該下壁部614且環繞該縱軸L的角度上彼此錯開；該等進入口602設置在該腔室60的上游及該氣體泵5的下游，較佳是徑向延伸通過該上壁部613，而用以引導該氣體泵5產生的一高壓氣體進入該腔室60，且該高壓氣體迫使該噴霧經由該等排出口603而流出該腔室60，進而進入該器官晶片1。
配合參閱圖3與圖4，以一個器官晶片1的結構來說明， 每一個器官晶片1包括一上基板11、一下基板12，及一多孔膜14，該上基板11與該下基板12共同定義一通道13，該多孔膜14是設置在該上基板11與該下基板12之間，以將該通道13分隔成一上支道131及一下支道132。適用於製作該等器官晶片1的基材可選用聚二甲基矽氧烷，利用翻模技術取得該上、下基板11、12，並使用細胞小室的薄膜作為該多孔膜14，創造三維空間的細胞微環境，最後透過矽烷偶聯(silane coupling agent)對該上、下基板11、12的連接進行修飾，藉此達到Si-O-Si共價鍵的不可逆反應達到穩定且持久的效果，而能提供長期培養細胞的動態系統。
具體地說，該多孔膜14具有一朝上面141及一朝下面142，該朝上面141是位在該上支道131，以供多個上皮細胞15附著；而該朝下面142則是位在該下支道132，以供多個內皮細胞16附著。該氣體泵5是耦接於該上支道131的上游，用以供應該高壓氣體；該腔裝置6的該等進入口602是耦接在該氣體泵5的下游，而該等排出口603則是分別耦接該等器官晶片1的該等上支道131的多個氣體入口101的上游，因此，該氣體泵5產生的高壓氣體會通過該等進入口602進入該腔室60，並使該腔室60內的該高壓氣體的該噴霧能經由該等排出口603而被平均分散至該器官晶片1的該等上支道131中。
該等培養基容器2是用以容裝一培養液20，且每一個該培養基容器2是與該器官晶片1的該下支道132的一液體出口104相連通。該液體泵3包括多個泵入口31及多個泵出口32，該等泵入口 31是分別耦接至該培養基容器2，以允許該培養液20透過該液體泵3而由該培養基容器2被抽出，該等泵出口32則是分別耦接至該下支道132的一液體入口103，以允許該培養液20被該液體泵3驅使而流入該下支道132，之後再流回該培養基容器2，藉此循環供應該培養液20至該下支道132，進而提供養分至該等上皮細胞15及該等內皮細胞16，也就是說，該等培養基容器2是耦接成用以分別容裝來自該等器官晶片1的該等下支道132的該等液體出口104的該等培養液20。於本實施例中，該液體泵3是以一蠕動泵為例做說明。
該過濾器7耦接在該上支道131的一氣體出口102的下游，用以過濾該上支道131的該氣體出口102所排出的氣體。
本案的該等器官晶片1的構造具有該上支道131與該下支道132，並在該多孔膜14之分別位於該上支道131與該下支道132的兩相反面培養上皮細胞15與內皮細胞16，是屬於一種仿生的肺晶片，再連接該等培養基容器2及透過該液體泵3作為動力源，帶動該等培養基容器2內的培養液20流入該等器官晶片1的該下支道132來模擬血液的流動，從而仿真人體循環系統的封閉迴圈，來進行長期在該等器官晶片1內的肺細胞培養，從而整合出一個更仿生的肺泡微環境系統。
進一步地，搭配該氣體泵5，及該噴霧器4與該腔裝置6，讓煙霧、藥物、氣體，或毒素等用以模擬外在懸浮微粒等物質通入該氣體泵5而轉化成高壓氣體，再透過該噴霧器4將其霧化成該噴霧進而進入該腔裝置6中，最後進入該等器官晶片1內，藉由該噴霧器 4與該氣體泵5的配合，使外在物質能更真實模擬懸浮微粒，讓霧化而成的粒子能更均勻且直接地氣曝置該等器官晶片1內，以避免不均勻的結果導致量測失真。較佳地，可透過一電腦程式(圖未示)用以精準控制物質輸入與輸出該氣體泵5與該噴霧器4的流量或流速等其他狀態，以達到精準模擬人體肺部呼吸運動模式。
簡言之，本發明透過該等器官晶片1、該等培養基容器2，及該液體泵3來仿真人體肺部的血液流動與循環系統；而透過該噴霧器4、該氣體泵5，及該腔裝置6通入相關物質來模擬外在懸浮微粒，並以氣曝方式進入該等器官晶片1中，進而創建出一個完整的仿生理肺部健康評估平台的仿生系統，有效改善現有習知透過液體方式打入模擬的器官晶片中而不夠仿生的缺點。
綜上所述，本發明仿生系統，將該等器官晶片1的構造設計成仿生肺晶片，並與該等培養基容器2連接，再搭配該液體泵3作為動力源，以仿真入體肺部的血液流動與循環系統，接著，透過該噴霧器4、該氣體泵5，及該腔裝置6通入相關物質來模擬外在懸浮微粒，並以氣曝方式進入該等器官晶片1中，以改善現有習知透過液體方式打入模擬的器官晶片中而不夠仿生的缺點，使得本發明仿生系統能有效探討細懸浮微粒對於人體呼吸系統(肺泡組織)所導致的健康問題，為空氣汙染防制發展帶來另一個方向的解讀與方針，提供出有利的線索為下一步藥物開發與治療策略帶來更多的方向與可能性，故確實能達成本發明的目的。
惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此 限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。
1:器官晶片
101:氣體入口
102:氣體出口
103:液體入口
104:液體出口
2:培養基容器
20:培養液
3:液體泵
31:泵入口
32:泵出口
4:噴霧器
41:可震動件
411:周圍部
412:中央部
413:孔洞
42:壓電件
43:殼體
431:上開口
432:凹穴
433:凹穴底部
434:連通口
5:氣體泵
6:腔裝置
60:腔室
601:噴霧入口
602:進入口
603:排出口
61:圍繞壁
611:下封閉端
612:上開放端
613:上壁部
614:下壁部
7:過濾器
L:縱軸

Claims (7)

  1. 一種仿生系統，其用於在體外評估一測試樣品之作用，該仿生系統包含： 至少一器官晶片，包括一上基板、一下基板，及一多孔膜，該下基板是與該上基板共同定義一通道，該多孔膜是設置在該上基板及該下基板之間，以將該通道分隔成一上支道及一下支道，該多孔膜具有一朝上面及一朝下面，該朝上面是位在該上支道，以供多個上皮細胞附著，該朝下面是位在該下支道，以供多個內皮細胞附著； 至少一培養基容器，用於容裝一培養液，且與該下支道的一液體出口相連通； 一液體泵，包括至少一泵入口及至少一泵出口，該至少一泵入口耦接至該培養基容器，以允許該培養液透過該液體泵而由該培養基容器被抽出，該至少一泵出口耦接至該下支道的一液體入口，以允許該培養液被該液體泵驅使而流入該下支道，之後再流回該培養基容器，藉此循環供應該培養液至該下支道，進而提供養分至該等上皮細胞及該等內皮細胞； 一噴霧器，用以將一包含該測試樣品的測試溶液霧化成一噴霧； 一氣體泵，耦接於該上支道的上游，用以供應一高壓氣體；及 一腔裝置，定義出一腔室於其內，且包括一噴霧入口、至少一排出口，及至少一進入口，該噴霧入口設置在該腔室的上游，且耦接在該噴霧器的下游，以允許來自該噴霧器的該噴霧引導至該腔室，該至少一排出口設置在該腔室下游，且耦接於該上支道的一氣體入口的上游，該至少一進入口設置在該腔室的上游及該氣體泵的下游，用以引導該高壓氣體進入該腔室，且設置成允許該高壓氣體迫使該噴霧經由該至少一排出口流出該腔室，而進入該上支道。
  2. 如請求項1所述的仿生系統，包含多個器官晶片，及多個培養基容器，該等培養基容器是耦接成用以分別容裝來自該等器官晶片的該等下支道的該等液體出口的該等培養液，且該液體泵具有多個泵入口及多個泵出口，該等泵入口是分別耦接該等培養基容器，該等泵出口是分別耦接該等器官晶片的該下支道的該等液體入口，該腔裝置具有多個排出口，是分別耦接該等器官晶片的該等上支道的該等氣體入口，以允許挾帶在該高壓氣體的該噴霧被平均分散至該器官晶片的該等上支道。
  3. 如請求項1所述的仿生系統，其中，該液體泵是一蠕動泵。
  4. 如請求項1所述的仿生系統，還包含一過濾器，該過濾器耦接在該上支道的一氣體出口的下游，用以過濾該上支道的該氣體出口所排出的氣體。
  5. 如請求項1所述的仿生系統，其中，該噴霧器包括一可震動件，及一壓電件，該可震動件允許該測試溶液置於其上，且具有一周圍部，及一被該周圍部環繞的中央部，且該中央部形成有多個朝下逐漸變窄的孔洞，該壓電件耦接在該周圍部，使得當一電流施加至該壓電件時，該可震動件是被驅動而震動，以造成通過該等孔洞的該測試溶液霧化成該噴霧。
  6. 如請求項5所述的仿生系統，其中，該噴霧器還包括一殼體，該殼體具有一上開口、一凹穴，及一連通口，該凹穴是由該上開口沿一縱軸往下延伸，而終止於一凹穴底部，該連通口是由該凹穴底部往下延伸，該可震動件是設置在該凹穴底部，以允許該可震動件的該中央部與該連通口對齊，藉此允許該噴霧由該連通口噴出該殼體。
  7. 如請求項2所述的仿生系統，其中，該腔裝置具有一圍繞壁，該圍繞壁是圍繞一縱軸延伸，以定義該腔室於其內，該圍繞壁沿著該縱軸延伸而終止於一下封閉端及一上開放端，該上開放端是定義該噴霧入口，該圍繞壁是具有一上壁部及一下壁部，該下壁部的尺寸是小於該上壁部的尺寸，該進入口是徑向延伸通過該上壁部，該等排出口是徑向延伸通過該下壁部且環繞該縱軸的角度上彼此錯開。
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