一种阵列式细胞动态培养与区域化处理微流控芯片及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种阵列式细胞动态培养与区域化处理微流控芯片，该芯片包括自上而下依次封接的流动层、控制层、薄膜层和玻璃层；所述流动层由阵列式细胞培养区、缓冲结构区、细胞接种微管道、左进液微管道、中央进液微管道和右进液微管道组成；阵列式细胞培养区上设有若干阵列式培养U型凹槽；缓冲结构区内设有若干U型微柱；控制层由若干微泵组成，微泵采用由一个入口和若干个微腔串联组成末端封闭结构。本发明专利技术可开展流体剪切力动态加载和两种以上生化因子/药物对细胞的区域化处理，以及处理细胞与未处理细胞之间的相互作用研究，突破了惯用的细胞培养与处理模式，有利于模拟不同生理或病理情况下组织中细胞的流体微环境和生化微环境。

An array cell dynamic culture and regionalized microfluidic chip and its preparation methods and Applications

The invention discloses a dynamic array cell culture and regional treatment of microfluidic chip, the chip includes the flow from top to bottom sealing layer, control layer and film layer and the glass layer; the flow layer is composed of array type cell culture area, buffer structure area, cells were left into the micro channel, micro channel liquid and the liquid inlet pipe and the right into the micro liquid micro pipe array; cell culture area is provided with a plurality of array type culture type U groove; buffer structure zone is provided with a plurality of U micro column; control layer is composed of a plurality of micro pump, micro pump by using an entrance and a plurality of micro cavity connected in series to form a closed end structure. The invention can carry out the fluid shear stress and dynamic load of more than two kinds of biochemical factors / drugs on cell area processing, and processing of cell interactions between cells and untreated, broke through the conventional cell culture and processing mode, to simulate fluid cells in different physiological or pathological conditions in the micro environment and biochemical microenvironment.

【技术实现步骤摘要】
一种阵列式细胞动态培养与区域化处理微流控芯片及其制备方法和应用
本专利技术涉及阵列式细胞培养微流控芯片
，具体涉及一种阵列式细胞动态培养与区域化处理微流控芯片及其制备方法和应用。
技术介绍
基于微流控芯片的细胞培养是生命科学研究的重要技术手段，有利于在与体内复杂体系相比简单、可控的环境中获取丰富的细胞结构与功能信息。然而，当前常用的微流控芯片实现的培养基定期更新、代谢废物及时排除的可控化细胞培养，均是在均一环境中的群体细胞培养与研究(KimS.H.，AhnK.，ParkJ.Y.，Responsesofhumanadipose-derivedstemcellstointerstitiallevelofextremelylowshearflowsregardingdifferentiation，morphology，andproliferation.LabChip，2017，DOI：10.1039/c7lc00371d)，较少能做到细胞的阵列式培养和流体剪切力动态加载，以及对某一个或某几个区域的细胞做定向的生化因子/药物处理，更难以实现在同一空间内实时观察处理细胞与未处理细胞之间的相互作用(PangL.，LiuW.，TianC.，etal.，Constructionofsingle-cellarraysandassayofcelldrugresistanceinanintegratedmicrofluidicplatform.LabChip，2016，16，4612-4620)。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能够实现阵列式细胞培养，流体剪切力动态加载和药物/生化因子对细胞的区域化处理的微流控芯片，该芯片改变了惯用的细胞培养与处理模式，发挥了微流控芯片系统功能全面性的特点。为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为：一种阵列式细胞动态培养与区域化处理微流控芯片，该芯片包括自上而下依次封接的流动层、控制层、薄膜层和玻璃层；所述流动层由阵列式细胞培养区、缓冲结构区、细胞接种微管道、左进液微管道、中央进液微管道和右进液微管道组成，所述细胞接种微管道用于向流动层输入细胞，所述中央进液微管道、左进液微管道和右进液微管道分别作为中央的培养基进液微管道和两侧的生化因子/药物进液微管道，用于为阵列式培养的细胞提供培养基，实现流体剪切力加载和生化因子/药物区域化处理；所述阵列式细胞培养区上设有若干用于单个或数个细胞的捕获的阵列式培养U型凹槽；所述缓冲结构区内设有若干U型微柱；所述控制层由若干用于对流动层细胞、培养基和生化因子/药物的输入进行时间和空间的控制，以及细胞培养区流体剪切力的加载的微泵组成，所述微泵采用由一个入口和若干个微腔串联组成末端封闭结构，该微腔的宽w为100-400μm，长/为100-900μm。优选地，所述微流控芯片流动层、控制层和薄膜层的材料均为聚二甲基硅氧烷，或者已知的弹性高分子材料。优选地，所述阵列式细胞培养区上设有10-50排的U型凹槽，每排包含10-20个U型凹槽，相邻两排的U型凹槽错列排布，且相邻两排间距为25-100μm，每排内的U型凹槽的间距为25-100μm；U型凹槽的长L为25-100μm，宽W为25-100μm，由2个方形微柱和3-5个近似梯形微柱组成，梯形微柱之间的间距G为2.5-7.5μm。优选地，所述缓冲结构区内设有2-5排的U型微柱微柱，U型微柱与U型凹槽对应设置，且其长、宽与所述U型凹槽一致。优选地，所述左进液微管道、中央进液微管道和右进液微管道连接在一个主管道上，左进液微管道与中央进液微管道之间的夹角以及中央进液微管道与右进液微管道之间的夹角均为30-60°；所述中央进液微管道为宽度不变的直管道，宽度为50-200μm；所述左进液微管道和右进液微管道分为宽度不同的两段，入口段宽度为50-200μm，接近主管道处的宽度为10-25μm；主管道的宽度为60-250μm。优选地，所述细胞接种微管道、左进液微管道、中央进液微管道和右进液微管道的横截面高度相同，均为30-100μm；阵列式细胞培养区和缓冲结构区的横截面高度相同，均为30-100μm。即：管道横截面的高度相同，阵列式细胞培养区和缓冲结构区的微结构横截面高度相同，且与管道横截面高度相同。优选地，所述控制层微泵共有四个微泵结构相同，其中一个微泵位于中央进液微管道正下方，另外两个微泵分别位于左进液微管道和右进液微管道的正下方，微泵位于主管道正下方，所述微泵采用由一个入口和三个微腔串联组成末端封闭结构，三个微腔的长度比例为1∶2∶3。优选地，所述微泵为气动微泵，使用时，压力为1-2psi的压缩气体进入微泵，驱动三个微腔依次膨胀变形，挤压位于其正上方的微管道，微泵驱动频率为1-2Hz，实现进液微管道中液体流动。本专利技术还提供了上述阵列式细胞动态培养与区域化处理微流控芯片的制备方法，包括如下步骤：第一步，将设计好的流动层和控制层结构制成光掩模；第二步，将光刻胶涂膜于硅片，进行紫外曝光和显影，制得流动层和控制层芯片模板；第三步，将聚二甲基硅氧烷或其他已知的弹性高分子材料覆盖于流动层和控制层模板表面，烘烤固化，在显微镜下将流动层和控制层校对粘合；第四步，将聚二甲基硅氧烷或其他已知的弹性高分子材料涂膜于玻璃层表面，烘烤固化；第五步，将粘合好的流动层与控制层封装于涂有薄膜的玻璃层上，制成微流控芯片。上述的阵列式细胞动态培养与区域化处理微流控芯片可用于单个或数个细胞的阵列式培养，以及生化因子/药物区域化作用和流体剪切力动态加载的细胞生物学研究；具体包括如下步骤：步骤1、驱动位于主管道正下方的微泵将细胞悬液通过细胞接种微管道输入芯片，待细胞均匀分布在阵列式细胞培养区的U型凹槽后，停止驱动微泵，将芯片静置于细胞培养箱0.5-3h使细胞贴壁，待细胞贴壁后驱动中央进液微管道正下方的微泵，使培养基通过培养中央进液微管道输入阵列式细胞培养区，实现细胞培养过程中的培养基实时更新；步骤2、根据实验需求，驱动位于中央进液微管道正下方的微泵，使培养基以0.5-20μL·min-1的速度通过中央进液微管道输入阵列式细胞培养区，实现流体剪切力加载的实时控制；步骤3、根据实验需求，驱动微泵，分别通过中央进液微管道和左进液微管道和右进液微管道向阵列式细胞培养区输入培养基和所需生化因子/药物，生化因子/药物在阵列式细胞培养区扩散形成浓度梯度，使不同区域U型凹槽中的细胞接受不同浓度生化因子/药物的作用，从而实现细胞区域化处理的时间和空间控制；步骤4、驱动位于中央进液微管道正下方的微泵，通过中央进液微管道向阵列式细胞培养区输入细胞形态、功能检测试剂或细胞固定液，用于流体剪切力处理或生化因子/药物区域化处理后的细胞形态功能检测。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：1、本专利技术的微流控芯片选用聚二甲基硅氧烷或其他弹性高分子材料，具有良好的生物兼容性、热稳定性和气体通透性，适宜细胞长期培养；透明、自发荧光微弱，适宜采用显微镜技术和荧光染色技术，实时动态观察细胞。2、本专利技术的微流控芯片阵列式细胞培养区的U型凹槽，便于实现单个或数个细胞的捕获的阵列式培养。3、本专利技术的微流控芯片控制层各个微泵可按实验需求单独或同时开启，可以实现流动层细胞、培养基和生化因子/药物输入的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种阵列式细胞动态培养与区域化处理微流控芯片，其特征在于，该芯片包括自上而下依次封接的流动层(1)、控制层(2)、薄膜层(3)和玻璃层(4)；所述流动层(1)由阵列式细胞培养区(5)、缓冲结构区(6)、细胞接种微管道(7)、左进液微管道(8)、中央进液微管道(9)和右进液微管道(10)组成，所述细胞接种微管道(7)用于向流动层输入细胞，所述中央进液微管道(9)、左进液微管道(8)和右进液微管道(10)分别作为中央的培养基进液微管道和两侧的生化因子/药物进液微管道，用于为阵列式培养的细胞提供培养基，实现流体剪切力加载和生化因子/药物区域化处理；所述阵列式细胞培养区(5)上设有若干用于单个或数个细胞的捕获的阵列式培养U型凹槽(16)；所述缓冲结构区内设有若干U型微柱(17)；所述控制层(2)由若干用于对流动层细胞、培养基和生化因子/药物的输入进行时间和空间的控制，以及细胞培养区流体剪切力的加载的微泵组成，所述微泵采用由一个入口和若干个微腔串联组成末端封闭结构，该微腔的宽w为100‑400μm，长/为100‑900μm。

【技术特征摘要】
1.一种阵列式细胞动态培养与区域化处理微流控芯片，其特征在于，该芯片包括自上而下依次封接的流动层(1)、控制层(2)、薄膜层(3)和玻璃层(4)；所述流动层(1)由阵列式细胞培养区(5)、缓冲结构区(6)、细胞接种微管道(7)、左进液微管道(8)、中央进液微管道(9)和右进液微管道(10)组成，所述细胞接种微管道(7)用于向流动层输入细胞，所述中央进液微管道(9)、左进液微管道(8)和右进液微管道(10)分别作为中央的培养基进液微管道和两侧的生化因子/药物进液微管道，用于为阵列式培养的细胞提供培养基，实现流体剪切力加载和生化因子/药物区域化处理；所述阵列式细胞培养区(5)上设有若干用于单个或数个细胞的捕获的阵列式培养U型凹槽(16)；所述缓冲结构区内设有若干U型微柱(17)；所述控制层(2)由若干用于对流动层细胞、培养基和生化因子/药物的输入进行时间和空间的控制，以及细胞培养区流体剪切力的加载的微泵组成，所述微泵采用由一个入口和若干个微腔串联组成末端封闭结构，该微腔的宽w为100-400μm，长/为100-900μm。2.如权利要求1所述的阵列式细胞动态培养与区域化处理微流控芯片，其特征在于，所述微流控芯片流动层(1)、控制层(2)和薄膜层(3)的材料均为聚二甲基硅氧烷。3.如权利要求1所述的阵列式细胞动态培养与区域化处理微流控芯片，其特征在于，所述阵列式细胞培养区(5)上设有10-50排的U型凹槽(16)，每排包含10-20个U型凹槽，相邻两排的U型凹槽错列排布，且相邻两排间距为25-100μm，每排内的U型凹槽的间距为25-100μm；U型凹槽(16)的长L为25-100μm，宽W为25-100μm，由2个方形微柱和3-5个近似梯形微柱组成，梯形微柱之间的间距G为2.5-7.5μm。4.如权利要求1所述的阵列式细胞动态培养与区域化处理微流控芯片，其特征在于，所述缓冲结构区(6)内设有2-5排的U型微柱微柱(17)，U型微柱(17)与U型凹槽(16)对应设置，且其长、宽与所述U型凹槽(16)一致。5.如权利要求1所述的阵列式细胞动态培养与区域化处理微流控芯片，其特征在于，所述左进液微管道(8)、中央进液微管道(9)和右进液微管道(10)连接在一个主管道(11)上，左进液微管道(8)与中央进液微管道(9)之间的夹角以及中央进液微管道(9)与右进液微管道(10)之间的夹角均为30-60°；所述中央进液微管道(9)为宽度不变的直管道，宽度为50-200μm；所述左进液微管道(8)和右进液微管道(10)分为宽度不同的两段，入口段宽度为50-200μm，接近主管道(11)处的宽度为10-25μm；主管道(11)的宽度为60-250μm。6.如权利要求1所述的阵列式细胞动态培养与区域化处理微流控芯片，其特征在于，所述细胞接种微管道(7)、左进液微管道(8)、中央进液微管道(9)和右进液微管道(10)的横截面高度相同，均...

【专利技术属性】
技术研发人员：任丽，商澎，王圣航，武婉情，叶芳，杨鹏飞，王哲，龚翰林，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61