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摘 要

器官芯片是为基于细胞培养创建的微型格式的3D器官或组织，其独特地模仿器官或组织在相应生物体内的生存环境。工程组织由多种不同的细胞类型组成，在密切控制的条件下彼此相邻并相互作用，并生长在微流体芯片中。这些受控条件使得模拟体内不同细胞类型、器官内部之间的复杂结构和细胞相互作用成为可能，并保持长期培养的可行性，再加上全面的显微镜兼容性，这种方法可以实时监测器官芯片模型中细胞生长的过程，并可以根据自己需要测试相关组织的生理特性。

此次实验目的是设计3D心肌组织器官芯片并实现对心肌组织力、电学生理特性的参数测量。基于3D打印技术设计并打印出3D心肌组织器官芯片模具，经过倒膜工艺、组织生长布局及电极设计等步骤得到3D心肌组织器官芯片，这其中包括对芯片模具尺寸的参数测试和芯片制备工艺流程的探索。芯片制备完成后进行心肌细胞接种并进行组织培养，并拍摄心肌组织的生长状况，利用软件分析测试出心肌组织力、电学生理特性参数。

关键词：3D打印，器官芯片，心肌细胞，心肌收缩力，心肌电信号

Abstract

The organ chip is a micro-formatted 3D organ or tissue created for cell culture that uniquely simulate the living environment of an organ or tissue in a corresponding organism. The engineered tissue consists of various types of cells, which are adjacent and interact with each other under closely controlled conditions and are grown in microfluidic chips. These controlled conditions make it possible to simulate complex cell structures and cell interactions within different cell types within the body, and to maintain long-term viability. This, together with comprehensive microscope compatibility, allows real-time monitoring of organ microarrays. The process of cell growth in the model, and can test the physiological characteristics of the relevant tissue according to their own needs.

The purpose of this experiment was to design a 3D myocardial tissue and organ chip and to achieve parameter measurement of myocardial tissue force and electrical student characteristics. Based on 3D printing technology to design and print out 3D myocardial tissue organ die, 3D myocardial tissue and organ chips are obtained through the steps of inverted membrane process, tissue growth layout and electrode design. These include parameters testing and chip preparation process for die size. Exploration. After the preparation of the microarray, the cardiomyocytes were inoculated and cultured, and the growth of myocardial tissue was photographed. The parameters of myocardial tissue force and electrophysiological characteristics were measured by software analysis.

KEY WORDS: 3D printing, Organ-on-a-chip, cardiomyocytes, myocardial contractility, myocardial electrical signals

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 器官芯片 1

1.3 3D打印技术 2

1.3.1 立体光刻成型（SL） 2

1.3.2 多喷嘴成型（MJM） 3

1.3.3 融合沉积成型（FDM） 3

1.3.4 3D打印的应用 4

1.4 心肌与电信号 4

1.4.1 心肌结构 4

1.4.2 心脏传导系统 5

第二章 3D心肌组织器官芯片的设计与制备 8

2.1 器官芯片模具的设计 8

2.2 3D打印模具制造 9

2.2.1 实验3D打印机的介绍 9

2.2.2 SOILDWORKS软件建模 10

2.2.3 3D打印机的使用及打印过程 10

2.2.4 3D心肌组织器官芯片模具尺寸设计 12

2.3 3D心肌组织器官芯片制备工艺流程 14

2.3.1 3D心肌组织器官芯片制备工艺流程探索 14

2.3.2 制备过程的相关问题及解决方案 15

2.3.3 3D心肌组织器官芯片制备工艺具体流程 15

第三章 心肌细胞的培养 16

3.1 心肌细胞的提取 16

3.1.1 小鼠心脏提取心肌细胞 16

3.1.2 IPS心肌细胞制备 16

3.2 3D心肌组织器官芯片进行细胞接种前的处理 16

3.3 3D心肌组织培养 17

3.4 药物测试 17

第四章 3D心肌组织收缩力传感检测 18

4.1 3D心肌组织的收缩力检测方法示例 18

4.2 仿真建模 19

4.2.1 COMSOL软件介绍 19

4.2.2 COMSOL力传感模型仿真 19

4.3 心肌组织收缩力分析 27

4.3.1 MATLAB视频图像分析 27

4.3.2 MATLAB GUI程序 28

4.4 心肌组织力学生理特性测量 29

4.4.1 正常生长下的心肌组织力学生理特性 29

4.4.2 药物作用下的心肌组织力学生理特性 30

第五章 3D心肌组织的电信号传感检测 31

5.1 OpenBCI接口平台 31

5.1.1 Cyton Biosensing Board（8通道） 31

5.1.2 通过OpenBCI测量ECG信号 32

5.2 电阻抗谱仪 32

5.2.1 电阻抗谱仪示波器功能的介绍 32

5.2.2 电阻抗谱仪的示波器测量信号源输出的电信号 33

5.3 心肌组织电学生理特性模拟测量 34

5.4 心肌组织电信号测量参考 34

第六章 结论 36

致谢 37

参考文献 38

附录 39

绪论

引言

体外模拟心肌组织生理特性时，心肌细胞在2D环境中培养时，细胞的生理特性表现非常不同于在3D环境下的培养。现需要制备专用的3D心肌组织器官芯片，更好的还原心肌组织在人体内的生活环境。此次研究主要是运用如今在微流控领域被广泛应用的3D打印技术，制造出具有3D柱结构的一体化模具，经倒膜和电极设计得到3D心肌组织器官芯片，接着对芯片进行心肌细胞接种并进行组织培养，拍摄视频后运用软件GUI程序分析柱位移计算出心肌组织收缩力，通过电极连线测得心肌电信号。

器官芯片

器官芯片可以被定义为基于细胞培养创建的微型格式的3D器官或组织，其独特地模仿器官或组织在相应生物体内的生存环境^[1]。工程组织由多种不同的细胞类型组成，在密切控制的条件下彼此相邻并相互作用，并生长在微流体芯片中。这些受控条件使得模拟体内不同细胞类型、器官内部之间的复杂结构和细胞相互作用成为可能，并保持长期培养的可行性，再加上全面的显微镜兼容性，这种方法可以实时监测器官芯片模型中细胞生长的过程。

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