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流量控制之芯片器官应用

2022年9月21日 Bronkhorst

什么是芯片器官?

芯片器官可称为小型微流体设备,在其上生长了特定器官的活组织,同时模拟真实生活条件。芯片器官系统的开发在生物医学研究领域众所周知,其使新治疗方法的研究成为可能。

芯片器官的应用案例很多,本文分享最近在新冠肺炎研究中使用的肺芯片设备:创建肺部的微型模型,以了解新冠肺炎如何侵入人体并造成损害。

流量控制之芯片器官应用

芯片肺系统

2010年,D.Huh et al提出第一个芯片肺系统。 2013年,该小组提交了一份后续文件[5]。我们在图1中复制了他们2013年后续论文中的一些结果[5]。芯片上的肺细胞生长在柔性、可拉伸的膜上,这是肺泡的真实模拟。

通过向侧腔施加压力差,人工肺泡可扩张,以模拟呼吸过程。通过使液体流过下通道,气体流过上通道,可分别模拟血液和氧气循环。

图1:微流控芯片,复制于[5]
图1:微流控芯片,复制于[5]
微流控芯片,适合于生长芯片上肺细胞培养物,具有用于空气流动的上通道、用于液体流动的下通道和用于施加不同压力的腔室;

在下方侧腔中施加真空时肺细胞的机械拉伸。

流量和压力控制

气体流量、液体流量和压力控制是使用芯片肺应用时需要考虑的三个重要功能:

  • 压力控制,其中(亚大气)压差(“真空”)可应用于侧腔,以模拟呼吸时肺细胞的拉伸;压力范围为-100~600 mbarg (相对于大气压力)
  • 气体流量控制,用于控制肺细胞的氧气供应,流量范围 1~20 mln/min 空气当量
  • 液体流量控制,可向肺细胞提供类血液体和营养,并可模拟血液循环,流量范围 1~50 µl/min

Bronkhorst拥有齐全的流量和压力控制仪表产品线,适合此类流量和压力控制应用。

iMicrofluidics:微流体传感器和致动器平台

Bronkhorst 与Delft 大学的NERI倡议一起参与了iMicrofluidics  项目[6]。目标是通过为研究人员提供集成、紧凑和模块化的微流体传感器和致动器平台,支持和加快芯片器官系统的开发和优化,可轻松地将不同类型的芯片器官连接到该平台,并实时监控和控制其过程输出的质量。

用于芯片上肺应用的流量和压力控制器的示意性连接
图2:【7】用于芯片上肺应用的流量和压力控制器的示意性连接

mini CORI-FLOWs 流量控制平台的初步版本
图3:mini CORI-FLOWs 流量控制平台的初步版本

图3:流量控制平台的初步版本,带有2个Bronkhorst ML120 mini CORI-FLOWs 用于上下通道中的流量控制,IQ+PRESS 压力控制器仪表用于拉伸膜。

最近出台流量控制平台的初步版本[7],包含2个Bronkhorst ML120 科里奥利质量流量控制器-用于控制液体和气体,和一个IQ+FLOW 压力控制器-用于调节真空。当然,也可以使用EL-FLOW Select 或 EL-FLOW Prestige 系列的热式气体质量流量控制器控制气体流量,使用µ-FLOW系列的小流量液体流量控制器控制液体流量。

初步测量结果表明,平台性能良好。未来的研究将涉及平台的改进和优化,以及平台在芯片器官研究中的应用。除此之外,鹿特丹Erasmus医学中心的科学家表示有兴趣使用该平台进行芯片上肺的研究[8]。

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