一种集成式细胞三维动态培养微器件及其制作方法技术

本发明专利技术属于微加工技术和3D微打印成型技术领域，涉及一种集成式细胞三维动态培养微器件及其制作方法。该细胞三维动态培养微器件由细胞进样层、中间过渡层和三维培养层构成，其中具有通孔结构的中间过渡层用于连接细胞进样层和三维培养层，细胞可通过细胞进样层上的细胞进样通道进入培养池内，培养池内集成有细胞培养三维支架。本发明专利技术结合微加工技术，采用3D微打印技术在培养池区域进行细胞培养三维支架的集成，实现细胞体外3D动态培养。培养池内三维支架模拟了细胞在体所处的细胞外基质，对于研究细胞的生长、繁殖、铺展和生理表征有重要的意义。本发明专利技术构造了细胞体外三维动态培养的近体微环境，适用于细胞的三维培养、药物筛选、组织工程。

An integrated cell three-dimensional dynamic culture microdevice and its fabrication method

The invention belongs to the field of micromachining technology and 3D micro printing molding technology, and relates to an integrated cell three-dimensional dynamic culture micro device and its making method. The dynamic three-dimensional cell culture micro devices by cell injection layer, intermediate layer and three-dimensional culture layer, the intermediate layer has a through-hole structure for connecting a cell sample layer and three-dimensional culture layer, cell by cell injection layer on the cell sampling channel into the training pool, pool integrated training cell culture scaffold. The invention combines micromachining technology, and uses 3D micro printing technology to integrate cell culture three-dimensional scaffolds in the culture pool area, so as to achieve 3D dynamic culture in vitro. The three-dimensional scaffold in the culture cell simulates the extracellular matrix of cells in vivo, which is of great significance for studying cell growth, reproduction, spreading and physiological characterization. The invention constructs a three-dimensional microenvironment for three-dimensional dynamic culture in vitro, which is suitable for the three-dimensional culture of cells, drug screening and tissue engineering.

【技术实现步骤摘要】
一种集成式细胞三维动态培养微器件及其制作方法
本专利技术属于微加工技术和3D微打印成型
，涉及一种集成式细胞三维动态培养微器件及其制作方法，该集成式细胞三维动态培养微器件用于细胞三维动态培养、药物筛选、组织工程等。技术背景作为生物体的基本单元，细胞对于揭示生命规律、疾病的诊断、药物的筛选等具有重要意义。进行细胞研究的关键在于细胞的培养，进行细胞体外培养时应尽可能的复现细胞在体微环境。传统的细胞体外培养器件通常选择培养皿、培养瓶或培养板，属于静态培养，与细胞在体生长环境相差较大。近些年出现了微流控细胞培养技术，实现了细胞的动态灌注式培养，使得细胞在体生活的微环境的体外模拟和控制成为可能，然而这种培养方式为二维动态培养，不能模拟细胞在体的三维空间环境。随着科技的发展，3D打印技术在生物医学工程中的应用受到了人们的重视。如今，利用3D打印技术成型的细胞培养三维支架在细胞培养中得到了广泛应用。三维支架实现了细胞在体外的三维培养，但这种三维培养方式是静态的，无法模拟在体细胞生活的流动微环境。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提供一种可供细胞体外三维动态培养的微器件及其制作方法，构建更贴近于在体细胞生长的动态稳定微环境。采用微加工技术制作细胞进样层和中间过渡层，中间过渡层具有通孔结构，用来连接细胞进样层和三维培养层，细胞通过细胞进样层上的细胞进样通道进入培养池内。采用微加工技术和3D微打印技术制作三维培养层，其制作过程如下：首先用微加工的方法制备三维培养层的微通道结构，然后在三维培养层上方贴附PVC双面胶膜掩模层，用3D微打印的方法在培养池区域进行细胞培养三维支架的区域打印，最后采用激光切割的方法去除掩模层和多余支架，得到该集成式细胞三维动态培养微器件的三维培养层。培养池内集成细胞培养三维支架模拟在体细胞生活所处的细胞外基质，使得细胞的生长、繁殖、铺展和生理表征更贴近于体内情况。本专利技术的技术方案：一种集成式细胞三维动态培养微器件，所述的集成式细胞三维动态培养微器件包括三层结构，自上而下依次为细胞进样层1、中间过渡层10和三维培养层14；所述的细胞进样层1，其上布置有培养液进样孔2、培养池对准孔6、废液排出孔8、细胞储存池a4和细胞储存池b9；所述的培养池对准孔6有多个，所述的细胞储存池a4、培养池对准孔6和细胞储存池b9位于同一条直线上，细胞储存池a4和细胞储存池b9位于培养池对准孔6的两端；所述的培养池对准孔6间通过细胞流通通道3顺次连接，所述的细胞储存池a4通过细胞进样通道5与相邻的培养池对准孔6相连接，所述的细胞储存池b9通过细胞出样通道7与相邻的培养池对准孔6相连接；培养液进样孔2和废液排出孔8位于垂直于细胞储存池a4、培养池对准孔6和细胞储存池b9所在的直线上，培养液进样孔2和废液排出孔8分别位于直线的两侧；所述的中间过渡层10，其上布置有培养液进样通孔11、培养池连通孔12和废液排出通孔13；所述的培养池连通孔12有多个且位于同一条直线上，培养池连通孔12与细胞进样层1的培养池对准孔6一一对应；所述的培养液进样通孔11和废液排出通孔13分别与细胞进样层1的培养液进样孔2和废液排出孔8对应；所述的三维培养层14，其上布置有培养液储存池15、三维培养池17和废液储存池19；所述的三维培养池17有多个且位于同一条直线上；所述的培养液进样通道16有多个，分别用于连通培养液储存池15和三维培养池17，使培养液从培养液储存池15进入三维培养池17；所述的废液出样通道18有多个，分别用于连通废液储存池19和三维培养池17，使废液从三维培养池17进入废液储存池19；所述的培养液储存池15与中间过渡层10的培养液进样通孔11相对应；所述的废液储存池19与中间过渡层10的废液排出通孔13相对应；所述的三维培养池17与中间过渡层10的培养池连通孔12相对应；培养液进样孔2、培养液进样通孔11和培养液储存池15的形状和大小均相同，废液排出孔8、废液排出通孔13和废液储存池19的形状和大小均相同，培养池对准孔6、培养池连通孔12和三维培养池17的形状和大小均相同，便于后续的对准键合；所述的三维培养池17，内部集成细胞培养三维支架20，为细胞的粘附、铺展、增殖及生理表达提供了支持。所述的培养液进样孔2、培养液进样通孔11、培养液储存池15、废液排出孔8、废液排出通孔13和废液储液池19，具有相同的尺寸，直径为1-2mm。所述的培养池对准孔6、培养池连通孔12和三维培养池17，具有相同的尺寸和形状，形状为正方形、正六边形、正八边形、正十边形、正十二边形或圆，多边形的内切圆直径为2-5mm。所述的细胞进样通道5和细胞出样通道7，通道的深度为60-100um，通道的宽度为100-300um。所述的培养液进样通道16和废液出样通道18，通道宽度为300-500um。所述的细胞培养三维支架20的纤维直径为10-30um，纤维之间的距离为100-400um。一种集成式细胞三维动态培养微器件的制作方法，所述的细胞进样层1、中间过渡层10和三维培养层14，采用热固性聚合物聚二甲基硅氧烷PDMS、热塑性聚合物聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、聚苯乙烯PS或聚碳酸酯PC材料制作基底；所述的细胞进样层1和中间过渡层10的制作过程如下：首先在平整的基底上均匀旋涂一层负胶BN-303或BN-308以增加后续SU-8胶与基底的结合性，烘干后全曝光；再旋涂一层SU-8胶，前烘后采用光刻图形化SU-8胶，再经显影液处理即得到SU-8胶模具；将烘干后的SU-8胶模具置于干燥塔内密封好，用三甲基氯硅烷做脱模剂，熏蒸30分钟，有利于后续的脱模；以脱模剂处理后的SU-8胶模具为模板，在甩胶机上旋涂热固性聚合物PDMS，烘干后即将SU-8胶模具上的图形转移到热固性聚合物PDMS上，或采用热压的方法将SU-8胶模具上的图形转移到热塑性聚合物PMMA、PS或PC上；其中中间过渡层10使用热固性聚合物PDMS时厚度不大于SU-8胶模具上微柱的高度，以形成通孔；所述的细胞进样层1，采用微流控芯片专用打孔器在培养液进样孔2和废液排出孔8的对应位置打出通孔；所述的三维培养层14，先通过微加工方法制作微通道结构，再用3D微打印方法在三维培养池17区域集成细胞培养三维支架20；其制作过程如下：首先切割PVC双面胶模制作掩模层，将PVC双面胶模粘贴在三维培养层14上实现图案化；所述的掩模层覆盖除三维培养池17外所有的三维培养层14区域，且容易从三维培养层14上剥离，便于后续的键合；然后以图案化的三维培养层14作为接收装置，利用3D打印方法在三维培养层14上进行区域微打印，使成型的细胞培养三维支架20完全覆盖三维培养池17；接着，用激光切割机沿着三维培养层14上的三维培养池17的轮廓切割打印成型的细胞培养三维支架20，分离三维培养池17内外的支架结构；最后，去除胶模和残余的支架，只保留集成到三维培养池17内部的细胞培养三维支架20，即制得三维培养层14；所述的三维培养池17中的细胞培养三维支架20，采用3D微打印的静电直写设备制作，其材料具有良好的生物相容性、生物可降解性和良好的机械力学性能，细胞与细胞培养三维支架20很好的相容，并在支架上生长、繁殖、铺展；所述的静电直写设备包括计本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种集成式细胞三维动态培养微器件，其特征在于，所述的集成式细胞三维动态培养微器件包括三层结构，自上而下依次为细胞进样层(1)、中间过渡层(10)和三维培养层(14)；所述的细胞进样层(1)，其上布置有培养液进样孔(2)、培养池对准孔(6)、废液排出孔(8)、细胞储存池a(4)和细胞储存池b(9)；所述的培养池对准孔(6)有多个，所述的细胞储存池a(4)、培养池对准孔(6)和细胞储存池b(9)位于同一条直线上，细胞储存池a(4)和细胞储存池b(9)位于培养池对准孔(6)的两端；所述的培养池对准孔(6)间通过细胞流通通道(3)顺次连接，所述的细胞储存池a(4)通过细胞进样通道(5)与相邻的培养池对准孔(6)相连接，所述的细胞储存池b(9)通过细胞出样通道(7)与相邻的培养池对准孔(6)相连接；培养液进样孔(2)和废液排出孔(8)位于垂直于细胞储存池a(4)、培养池对准孔(6)和细胞储存池b(9)所在的直线上，培养液进样孔(2)和废液排出孔(8)分别位于直线的两侧；所述的中间过渡层(10)，其上布置有培养液进样通孔(11)、培养池连通孔(12)和废液排出通孔(13)；所述的培养池连通孔(12)有多个且位于同一条直线上，培养池连通孔(12)与细胞进样层(1)的培养池对准孔(6)一一对应；所述的培养液进样通孔(11)和废液排出通孔(13)分别与细胞进样层(1)的培养液进样孔(2)和废液排出孔(8)对应；所述的三维培养层(14)，其上布置有培养液储存池(15)、三维培养池(17)和废液储存池(19)；所述的三维培养池(17)有多个且位于同一条直线上；所述的培养液进样通道(16)有多个，分别用于连通培养液储存池(15)和三维培养池(17)，使培养液从培养液储存池(15)进入三维培养池(17)；所述的废液出样通道(18)有多个，分别用于连通废液储存池(19)和三维培养池(17)，使废液从三维培养池(17)进入废液储存池(19)；所述的培养液储存池(15)与中间过渡层(10)的培养液进样通孔(11)相对应；所述的废液储存池(19)与中间过渡层(10)的废液排出通孔(13)相对应；所述的三维培养池(17)与中间过渡层(10)的培养池连通孔(12)相对应；培养液进样孔(2)、培养液进样通孔(11)和培养液储存池(15)的形状和大小均相同，废液排出孔(8)、废液排出通孔(13)和废液储存池(19)的形状和大小均相同，培养池对准孔(6)、培养池连通孔(12)和三维培养池(17)的形状和大小均相同，便于后续的对准键合；所述的三维培养池(17)，内部集成细胞培养三维支架(20)，为细胞的粘附、铺展、增殖及生理表达提供了支持。...

【技术特征摘要】
1.一种集成式细胞三维动态培养微器件，其特征在于，所述的集成式细胞三维动态培养微器件包括三层结构，自上而下依次为细胞进样层(1)、中间过渡层(10)和三维培养层(14)；所述的细胞进样层(1)，其上布置有培养液进样孔(2)、培养池对准孔(6)、废液排出孔(8)、细胞储存池a(4)和细胞储存池b(9)；所述的培养池对准孔(6)有多个，所述的细胞储存池a(4)、培养池对准孔(6)和细胞储存池b(9)位于同一条直线上，细胞储存池a(4)和细胞储存池b(9)位于培养池对准孔(6)的两端；所述的培养池对准孔(6)间通过细胞流通通道(3)顺次连接，所述的细胞储存池a(4)通过细胞进样通道(5)与相邻的培养池对准孔(6)相连接，所述的细胞储存池b(9)通过细胞出样通道(7)与相邻的培养池对准孔(6)相连接；培养液进样孔(2)和废液排出孔(8)位于垂直于细胞储存池a(4)、培养池对准孔(6)和细胞储存池b(9)所在的直线上，培养液进样孔(2)和废液排出孔(8)分别位于直线的两侧；所述的中间过渡层(10)，其上布置有培养液进样通孔(11)、培养池连通孔(12)和废液排出通孔(13)；所述的培养池连通孔(12)有多个且位于同一条直线上，培养池连通孔(12)与细胞进样层(1)的培养池对准孔(6)一一对应；所述的培养液进样通孔(11)和废液排出通孔(13)分别与细胞进样层(1)的培养液进样孔(2)和废液排出孔(8)对应；所述的三维培养层(14)，其上布置有培养液储存池(15)、三维培养池(17)和废液储存池(19)；所述的三维培养池(17)有多个且位于同一条直线上；所述的培养液进样通道(16)有多个，分别用于连通培养液储存池(15)和三维培养池(17)，使培养液从培养液储存池(15)进入三维培养池(17)；所述的废液出样通道(18)有多个，分别用于连通废液储存池(19)和三维培养池(17)，使废液从三维培养池(17)进入废液储存池(19)；所述的培养液储存池(15)与中间过渡层(10)的培养液进样通孔(11)相对应；所述的废液储存池(19)与中间过渡层(10)的废液排出通孔(13)相对应；所述的三维培养池(17)与中间过渡层(10)的培养池连通孔(12)相对应；培养液进样孔(2)、培养液进样通孔(11)和培养液储存池(15)的形状和大小均相同，废液排出孔(8)、废液排出通孔(13)和废液储存池(19)的形状和大小均相同，培养池对准孔(6)、培养池连通孔(12)和三维培养池(17)的形状和大小均相同，便于后续的对准键合；所述的三维培养池(17)，内部集成细胞培养三维支架(20)，为细胞的粘附、铺展、增殖及生理表达提供了支持。2.根据权利要求1所述的一种集成式细胞三维动态培养微器件，其特征在于，所述的培养液进样孔(2)、培养液进样通孔(11)、培养液储存池(15)、废液排出孔(8)、废液排出通孔(13)和废液储液池(19)，具有相同的尺寸，直径为1-2mm。3.根据权利要求1或2所述的一种集成式细胞三维动态培养微器件，其特征在于，所述的培养池对准孔(6)、培养池连通孔(12)和三维培养池(17)，具有相同的尺寸和形状，形状为正方形、正六边形、正八边形、正十边形、正十二边形或圆，多边形的内切圆直径为2-5mm。4.根据权利要求1或2所述的一种集成式细胞三维动态培养微器件，其特征在于，所述的细胞进样通道(5)和细胞出样通道(7)，通道的深度为60-100um，通道的宽度为100-300um；所述的培养液进样通道(16)和废液出样通道(18)，通道宽度为300-500um。5.根据权利要求3所述的一种集成式细胞三维动态培养微器件，其特征在于，所述的细胞进样通道(5)和细胞出样通道(7)，通道的深度为60-100um，通道的宽度为100-300um；所述的培养液进样通道(16)和废液出样通道(18)，通道宽度为300-500um。6.根据权利要求1、2或5所述的一种集成式细胞三维动态培养微器件，其特征在于，所述的细胞培养三维支架(20)的纤维直径为10-30um，纤维之间的距离为100-400um。7.根据权利要求3所述的一种集成式细胞三维动态培养微器件，其特征在于，所述的细胞培养三维支架(20)的纤维直径为10-30um，纤维之间的距离为100-400um。8.根据权利要求4所述的一种集成式细胞三维动态培养微器件，其特征在于，所述的细胞培养三维支架(20)的纤维直径为10-30um，纤维之间的距离为100-400um。9.一种集成式细胞三维动态培养微器件的制作方法，其特征在于，所述的细胞进样层(1)、中间过渡层(10)和三维培养层(14)，采用热固性聚合物聚二甲基硅氧烷PDMS、热塑性聚合物聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、聚苯乙烯PS或聚碳酸酯PC材料制作基底；所述的细胞进样层(1)和中间过渡层(10)的制作过程如下：首先在平整的基底上均匀旋涂一层负胶BN-303或B...

【专利技术属性】
技术研发人员：李经民，魏娟，刘涛，刘冲，江洋，尹树庆，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21