血脑屏障芯片(BBB)简介 - 微流控科研解决方案

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2025-03-19 11:24

血脑屏障芯片（BBB）通过三通道设计（血管腔、支持细胞腔、脑组织腔）模拟生理结构，利用高密度微通道增强细胞互作与药物扩散效率。该芯片支持内皮细胞、周细胞和星形胶质细胞共培养，结合跨屏障电阻（TEER）和荧光示踪剂验证屏障功能，适用于药物通透性测试及病理模型构建。对比传统多层膜方案，兼具仿生性与高通量潜力，可优化为药物筛选或基础研究工具。

设计结构描述：

左侧通道：高度100 μm，宽度200 μm（模拟血管腔，接种内皮细胞）。
中间通道：高度100 μm，宽度200 μm，中心含直径1.5 mm、高度100 μm的圆形腔体（拟放置周细胞和星形胶质细胞）。
右侧通道：高度100 μm，宽度200 μm（模拟脑组织腔，收集药物）。
连接结构：中心圆形腔体与左右通道通过4组微通道连接，每组含23条宽5 μm、高10 μm 的通道。
图1a：血脑屏障芯片实物图

图1b:血脑屏障芯片显微镜图

图1c:血脑屏障芯片SEM图

一、设计合理性评估

优势

空间分区清晰：

左侧（血管）、中间（支持细胞）、右侧（脑组织）的分区符合BBB的解剖层次。
圆形腔体为周细胞和星形胶质细胞提供聚集空间，可能增强细胞间相互作用。

高密度微通道：

每组23条微通道可增加物质交换面积，提升药物扩散效率。

潜在问题

微通道堵塞风险：

尺寸问题：微通道宽度仅5 μm（≈细胞直径的1/4），内皮细胞（10-20 μm）或星形胶质细胞（15-30 μm）可能堵塞通道。
细胞迁移失控：周细胞可能通过微通道侵入血管腔或脑腔，破坏屏障结构。

流体控制挑战：

圆形腔体（1.5 mm）流体滞留：大腔体内容易出现代谢废物堆积和缺氧。
剪切力分布不均：左侧/右侧通道的剪切力无法有效传递至中心区，内皮细胞功能受损。

二、实验步骤方案

1 实验步骤（客户可以根据自己需要定制尺寸）

步骤1：芯片制造

材料：PDMS（表面氧等离子体处理）或COC（避免药物吸附）。
加工：

主通道（宽200 μm×高100 μm）通过光刻制作。
微通道（宽5 μm×高10 μm）采用二次光刻加工。

步骤2：细胞接种与共培养

左侧通道（内皮细胞）：

注入人脑微血管内皮细胞（HBMECs，密度2×10⁶ cells/mL），静态贴附2小时。
连接高精度注射泵（JSP-02-1A），以0.5 μL/min流速灌注内皮细胞培养基（含VEGF、bFGF），逐步增至4 dyn/cm²剪切力。

中间腔体（周细胞+星形胶质细胞）：

通过右侧通道反向注入周细胞悬液，利用重力沉降填充中间腔体。
静态培养24小时后，注入星形胶质细胞（5×10⁵ cells/mL），共培养48小时。

右侧通道（脑组织腔）：保持无细胞或接种神经元（视实验需求）

接种原代星形胶质细胞，培养基含GDNF和CNTF，促进细胞网络形成。

步骤3：屏障功能验证

跨屏障电阻（TEER）：

在左、右通道插入Ag/AgCl电极，测量TEER值（目标>200 Ω·cm²）。

荧光示踪剂测试：

左侧注入FITC-dextran（70 kDa），右侧取样检测荧光强度（合格标准：Papp <1×10⁻⁶ cm/s）。

免疫荧光验证：

固定后染色ZO-1（内皮紧密连接）、PDGFR-β（周细胞）、GFAP（星形胶质细胞）。

步骤4：药物通透性实验

药物加载：左侧通道持续灌注含药培养基（流速1 μL/min）。
采样与检测：

右侧通道每30分钟收集流出液，LC-MS检测药物浓度。
对比不同时间点的累积渗透量。

3. 关键优化措施

防堵塞处理：

微通道预涂Pluronic F-127（0.1% w/v）减少细胞粘附。

流体均一性控制：

在中间腔体入口/出口增设缓冲池，平衡压力分布。

三、与传统多层膜方案的对比

指标	微通道连接	传统多层膜方案
仿生性	✅三细胞空间分离且通过微通道互动	✅双通道分隔，依赖多孔膜实现物质交换
屏障完整性	⚠️依赖微通道尺寸控制，易受细胞迁移影响	✅多孔膜严格分隔，屏障稳定性高
制造难度	⚠️高（需精密微通道加工）	✅低（标准化Transwell或双通道芯片）
药物扩散效率	✅高（多微通道增加扩散面积）	⚠️依赖膜孔径，可能受限
病理模型扩展	✅易整合炎症因子梯度或肿瘤细胞	⚠️病理模拟受限
适用场景	研究多细胞动态相互作用	标准化药物筛选或屏障机制研究