单细胞胞浆粘性测量装置及方法制造方法及图纸

本公开提供了一种单细胞胞浆粘性测量装置及方法，该装置包括：微流控芯片模块，包括：主压缩沟道，供细胞挤入并沿该主压缩沟道运动；以及至少一个侧压缩沟道，其一端垂直连通于主压缩沟道，供细胞在经过侧压缩沟道时发生部分伸入；压力控制模块，连接至微流控芯片模块，提供细胞沿主压缩沟道运动及在侧压缩沟道伸入的压力；图像采集模块，采集细胞经过该交叉位置时的图像；以及数据分析与处理模块，与图像采集模块连接，对采集的图像进行处理得到细胞在侧压缩沟道内的伸入长度，结合单细胞固有力学特性模型获取胞浆粘性；进一步提供了使用该装置进行胞浆粘性测量的方法。本公开测得的胞浆粘性与细胞本身尺寸无关，实现了胞浆粘性的高通量测量。

Single cell cytoplasmic viscosity measurement device and method

The present invention provides a single cell cytoplasmic viscosity measuring device and method, which comprises a microfluidic chip module, comprising a main compression channel for cells to squeeze into and move along the main compression channel, and at least one side compression channel with one end vertically connected to the main compression channel for cells to pass through the lateral compression channel. The pressure control module is connected to the microfluidic chip module to provide the pressure of the cell moving along the main compression channel and extending into the side compression channel; the image acquisition module to capture the image of the cell passing through the cross position; and the data analysis and processing module to connect with the image acquisition module to collect the image. The length of cell penetration in the lateral compression channel was obtained by image processing, and the cytoplasmic viscosity was obtained by combining with the inherent mechanical properties model of single cell. The cytoplasmic viscosity measured in this paper is independent of the cell size and achieves high-throughput measurement of cytoplasmic viscosity.

【技术实现步骤摘要】
单细胞胞浆粘性测量装置及方法
本公开涉及微流控
，尤其涉及一种单细胞胞浆粘性测量装置及方法。
技术介绍
细胞是生命体的基本结构和单位，在生命体的生命活动过程当中，不断伴随着细胞的分裂、分化和凋亡。可以说，细胞的特性直接或间接地反应了生命体的状态。自1665年英国科学家Robert.Hooke发现细胞以来，人类对于细胞的研究从未停止。而单细胞分析对于细胞研究具有更为深远的意义。近年来的研究表明，单个细胞与细胞之间同时存在着同质性与异质性，同质性常常指的是相同种类的细胞之间存在相似性，异质性常常指的是不同种类、甚至相同种类的细胞之间存在差异性，基于这一理论，仅对细胞群体进行表征是很不准确的，甚至有时会掩盖事实的真相，例如在癌症初期，个别细胞的异常很难通过对大量的细胞表征，如组织样本切片，来显现。所以单细胞分析对于人类了解生命规律、疾病治疗与诊断等方面有着极其特殊的意义。单细胞分析的一个重要的方向是对于单细胞力学特性进行表征。以真核细胞为例，其主要结构有细胞膜、细胞质、细胞核等，细胞质当中有细胞骨架，细胞骨架主要由微丝、微管和中间纤维构成，其在细胞形态的维持、对外力反应等方面起着主要的作用。细胞生理学特性的改变常常伴随着细胞骨架的改变，进而带来单细胞细胞力学特性的改变。所以说，单细胞力学特性表征可以一定程度上反映细胞的生理学状态。对于细胞单细胞力学特性表征的重要参数是单细胞的胞浆粘性。研究表明，一些疾病的发生往往伴随着细胞胞浆粘性的变化。例如疟疾虫侵入人体后，会寄生在红细胞内，这一变化会导致红细胞的形变能力减弱，胞浆粘性增大。又如镰状细胞贫血病患者的红细胞的呈现镰刀形或新月形，且具有更大的胞浆粘性。癌变细胞的凋零机制发生异常，其在体内会进行无限制的繁殖，此类细胞往往会具有更小的胞浆粘性。传统的单细胞力学特性表征手段有原子力显微镜(AFM)、微管等。原子力显微镜主要部件为探针、柔性悬臂梁和光敏二极管，探针尖端接触样本表面，和细胞表面之间的相互作用力会引起柔性悬臂梁的偏斜，悬臂梁背面的激光束会将这一偏斜度反射到光敏二极管上，通过对光敏二极管分析，可以得到样本的力学特性参数。此方法可以较为准确地测量细胞局部的力学特性，且无法对细胞整体力学特性进行表征，且其检测结果受探针影响大，检测通量低。传统的微管是一种操作简单的技术，通过将细胞吸入微管使其发生形变，可以得到细胞整体的力学特性参数。但传统的微管操作过程需要不断将细胞吸入和吐出，测量通量低。总之，传统的单细胞力学特性表征方法测量通量低，难以满足大量样本的需求。微流控技术指的是在微管道内对于微量流体进行操纵或处理的技术。因为其特征尺寸可与细胞相比拟，该技术可以方便的操控细胞，且对于样本的需求量少，反应灵敏，所以被广泛应用于单细胞的力学特性的检测。目前，基于微流控技术的单细胞力学特性表征方法主要有光致拉伸法、电致拉伸法、流体致拉伸和基于压缩通道的方法。所谓光致拉伸(Dr.Guck于2005年提出)，是利用激光照射微流道内的细胞，从而使其发生形变，进而得到细胞力学特性，但该方法的检测结果受到细胞在微流道内所处位置和细胞自身尺寸的影响，无法得到与细胞自身尺寸无关的力学特性参数。另一种电致拉伸(Prof.Sun于2011年提出)的方法，是利用两块不等面积的正对极板产生不均匀的电场，不均匀电场使细胞运动致电场强度高的极板，由于静电力守恒的原因，细胞会在电场强度高的附近静止且产生拉伸形变，根据此形变可以得到细胞的固有力学特性参数即细胞杨氏模量，但此法通量低，报道细胞总数不到10个。流体致拉伸(Prof.DiCarlo于2012年提出)的方法，是利用流体向微流道内的细胞施加力而使其发生形变，从而得到细胞的力学特性参数，但这种方法的检测结果同样受到细胞在微流道内的位置以及细胞自身尺寸的影响。我课题组(Prof.Chen)于2014年提出基于压缩通道测量单细胞力学特性的方法，该方法实现了高通量的单细胞杨氏模量的方法，通量约为1个/秒，但并未对细胞胞浆粘性进行表征。因此，目前急需要发展一种高通量表征单细胞胞浆粘性的方法。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本公开提供了一种单细胞胞浆粘性测量装置及方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。(二)技术方案根据本公开的一个方面，提供了一种单细胞胞浆粘性测量装置，包括：微流控芯片模块，包括：主压缩沟道，用于供细胞挤入并沿该主压缩沟道方向运动；以及至少一个侧压缩沟道，与所述主压缩沟道相垂直，其第一端与所述主压缩沟道交叉连通，第二端与外部连通，用于供细胞在经过所述主压缩沟道和侧压缩沟道的交叉位置时发生部分伸入；压力控制模块，连接至所述微流控芯片模块，用于提供一使细胞沿所述主压缩沟道运动以及在侧压缩沟道内伸入的压力；图像采集模块，用于采集细胞经过所述交叉位置时的图像；以及数据分析与处理模块，与所述图像采集模块连接，用于对采集的图像进行处理得到细胞在所述侧压缩沟道内的伸入长度，并结合单细胞固有力学特性模型获取单细胞胞浆粘性。在本公开的一些实施例中，所述侧压缩沟道至少有两个，所述数据分析与处理模块分别根据细胞在每个所述侧压缩沟道内的伸入长度，获取对应的单细胞胞浆粘性并对获取的单细胞胞浆粘性进行相互验证。在本公开的一些实施例中，所述单细胞固有力学特性模型基于液滴模型建立，并通过以下公式表示：其中，μc为细胞胞浆粘性，为细胞在一侧压缩沟道中的伸入长度随时间的变化率；Rp为所述侧压缩沟道的半径；ΔP为驱动细胞运动的压强。在本公开的一些实施例中，所述主压缩沟道的横截面为矩形、圆形或半圆形，横截面尺寸介于5～20μm之间。在本公开的一些实施例中，所述侧压缩沟道的横截面为矩形、圆形或半圆形，横截面尺寸介于2～20μm之间。在本公开的一些实施例中，所述微流控芯片模块还包括：细胞流入通道，连接至所述主压缩沟道，用于使细胞顺利进入所述主压缩沟道；细胞入口，设置于所述细胞流入通道上，用于加入细胞并使细胞进入所述细胞流入通道；细胞流出通道，连接至所述主压缩沟道，用于使细胞从所述主压缩沟道流出后排出所述微流控芯片模块；以及细胞出口，设置于所述细胞流出通道上，用于使细胞排出。在本公开的一些实施例中，当所述压力控制模块提供正压时，其连接至所述细胞入口；当所述压力控制模块提供负压时，其分别连接至所述细胞出口以及每个所述侧压缩沟道的第二端。在本公开的一些实施例中，所述压力控制模块包括：压力源，其提供压力来源；压力控制器，连接至所述压力源，用于输出压力并控制输出的压力大小；以及密闭导管，连接所述压力控制器和微流控芯片模块，用于向所述微流控芯片模块施加压力。在本公开的一些实施例中，所述图像采集模块包括：显微镜，设置于所述交叉位置附近，用于对所述交叉位置处的图像进行放大；摄像机，用于采集经所述显微镜放大后的图像；以及控制器，连接至所述摄像机，用于控制所述摄像机的运行。根据本公开的另一个方面，提供了一种使用如上所述的单细胞胞浆粘性测量装置进行胞浆粘性测量的方法，包括以下步骤：使所述微流控芯片模块中充满溶液，用于使加入的细胞处于悬浮状态；向所述微流控芯片模块中加入细胞，并控制细胞沿所述主压缩沟道进行运动；采集细胞运动经过所述主压缩沟道和侧压缩沟道的交叉位置时的图像；以及对采集的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单细胞胞浆粘性测量装置，包括：微流控芯片模块，包括：主压缩沟道，用于供细胞挤入并沿该主压缩沟道方向运动；以及至少一个侧压缩沟道，与所述主压缩沟道相垂直，其第一端与所述主压缩沟道交叉连通，第二端与外部连通，用于供细胞在经过所述主压缩沟道和侧压缩沟道的交叉位置时发生部分伸入；压力控制模块，连接至所述微流控芯片模块，用于提供一使细胞沿所述主压缩沟道运动以及在侧压缩沟道内伸入的压力；图像采集模块，用于采集细胞经过所述交叉位置时的图像；以及数据分析与处理模块，与所述图像采集模块连接，用于对采集的图像进行处理得到细胞在所述侧压缩沟道内的伸入长度，并结合单细胞固有力学特性模型获取单细胞胞浆粘性。

【技术特征摘要】
1.一种单细胞胞浆粘性测量装置，包括：微流控芯片模块，包括：主压缩沟道，用于供细胞挤入并沿该主压缩沟道方向运动；以及至少一个侧压缩沟道，与所述主压缩沟道相垂直，其第一端与所述主压缩沟道交叉连通，第二端与外部连通，用于供细胞在经过所述主压缩沟道和侧压缩沟道的交叉位置时发生部分伸入；压力控制模块，连接至所述微流控芯片模块，用于提供一使细胞沿所述主压缩沟道运动以及在侧压缩沟道内伸入的压力；图像采集模块，用于采集细胞经过所述交叉位置时的图像；以及数据分析与处理模块，与所述图像采集模块连接，用于对采集的图像进行处理得到细胞在所述侧压缩沟道内的伸入长度，并结合单细胞固有力学特性模型获取单细胞胞浆粘性。2.根据权利要求1所述的单细胞胞浆粘性测量装置，其中，所述侧压缩沟道至少有两个，所述数据分析与处理模块分别根据细胞在每个所述侧压缩沟道内的伸入长度，获取对应的单细胞胞浆粘性并对获取的单细胞胞浆粘性进行相互验证。3.根据权利要求1所述的单细胞胞浆粘性测量装置，其中，所述单细胞固有力学特性模型基于液滴模型建立，并通过以下公式表示：其中，μc为细胞胞浆粘性，为细胞在一侧压缩沟道中的伸入长度随时间的变化率；Rp为所述侧压缩沟道的半径；ΔP为驱动细胞运动的压强。4.根据权利要求1所述的单细胞胞浆粘性测量装置，其中：所述主压缩沟道的横截面为矩形、圆形或半圆形，横截面尺寸介于5～20μm之间；和/或所述侧压缩沟道的横截面为矩形、圆形或半圆形，横截面尺寸介于2～20μm之间；和/或所述微流控芯片模块还包括：细胞流入通道，连接至所述主压缩沟道，用于使细胞顺利进入所述主压缩沟道；细胞入口，设置于所述细胞流入通道上，用于加入细胞并使细胞进入所述细胞流入通道；细胞流出通道，连接至所述主压缩沟道，用于使细胞从所述主压缩沟道流...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈健，王棵，张毅，王军波，陈德勇，孙晓昊，龙荣，
申请(专利权)人：中国科学院电子学研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11