一种集成微流控神经网络芯片及仿生实现方法技术

本发明专利技术公开了一种集成微流控神经网络芯片及仿生实现方法，所述芯片的流动层设有微腔阵列、连接管道网络、两组传输管道网络以及出入口；两组传输管道网络分别位于微腔阵列上下端并与微腔阵列连通，控制层包括传输阀、连接阀、进气管道以及进气入口，连接阀设于相邻两组微腔之间的连接管道正下方，两个出入口传输管道对应的传输阀分别位于出口侧、入口侧；任意两组微腔之间，与任一组微腔连通的每个微腔传输管道上的传输阀中至少存在一个传输阀与另一组微腔的微腔传输管道上的所有传输阀均不是连通同一进气入口。基于上述结构的芯片可实现阵列化细胞定位接种、神经网络仿生构建、单组微腔区域的神经细胞与神经网络的生化刺激处理及样本回收操作。

An integrated microfluidic neural network chip and bionic implementation method

【技术实现步骤摘要】
一种集成微流控神经网络芯片及仿生实现方法
本专利技术属于微流控芯片
，具体涉及一种集成微流控神经网络芯片及仿生实现方法。
技术介绍
大脑作为神经系统的中枢，是脊椎动物最复杂的器官。深入开展大脑神经研究，是揭示大脑奥秘、了解生理和病理环境下神经相关细胞功能作用与机理，进而合理进行神经临床治疗的关键性前提。神经细胞活动是一个实时动态的生命过程，包括基于神经网络的机体功能调控等生理过程以及脑疾病诱发神经损伤等病理过程。常规体内研究模式直接使用动物体作为研究对象，能够获得更加真实可靠的、更能体现动物机体内细胞功能与行为活动的试验信息。尽管如此，常规体内研究模式往往无法很好地实现对细胞活动的实时观察与分析，缺乏有效的动态监测能力。传统的体外神经细胞培养技术，尤其是神经元的培养，实现了神经细胞对诸多刺激的应答性研究。然而，这些经典的神经生物学研究方法还是处于一种宏观界面的操作水平，很难实现对神经细胞网络的精确定位操作控制与分析。因此，开发具有替代性的微观界面研究方法，实现快捷、实时动态、高度精确的神经细胞与神经网络仿生操作及分析，对于大脑神经探索研究是至关重要的，并将有助于改善目前这种神经细胞生命探索进度仍不尽如人意的研究局面。微流控芯片技术，是一种微流体界面精确操作技术。微流控芯片的特点在于，它可以实现常规实验室诸多基本功能的微型化和集成化；尤其是微流控芯片技术能够完成在微米级尺度下对细胞的时间与空间控制。目前，基于微流控芯片技术建立的各种神经芯片系统多为单管道或双管道芯片结构，仅仅能够开展小范围的神经细胞培养和神经血管界面相关研究，而不能完成芯片内脑仿生式神经网络的时间与空间精确控制性操作与分析研究。因此，开发一种基于体外神经网络仿生构建的集成微流控芯片系统有利于推动体外神经生物学研究的微型化与仿生化发展。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种集成微流控神经网络芯片及仿生实现方法，可以通过操作神经网络芯片实现体外神经网络仿生，且操作简单、快捷。一种集成微流控神经网络芯片，其特征在于：包括流动层和控制层；其中，所述流动层设有微腔阵列、连接管道网络、两组传输管道网络以及出入口；所述微腔阵列设有n组微腔，每组微腔设有m列微腔，每列微腔设有3个以上微腔，所述连接管道网络的管道连通相邻微腔，所述两组传输管道网络分别位于所述微腔阵列上下端并与微腔阵列连通，每组传输管道网络包括一个出入口传输管道以及与出入口传输管道连通的Q个微腔传输管道，每组微腔的上下端均与至少一个微腔传输管道连通，每个出入口传输管道连接至少一个入口和至少一个出口；所述控制层包括传输阀、连接阀、进气管道以及进气入口，不同组的传输阀和连接阀均通过不同进气管道连通不同进气入口；其中，连接阀设于相邻两组微腔之间的连接管道正下方，每个微腔传输管道以及两个出入口传输管道正下方均对应设有至少一个所述传输阀，所述两个出入口传输管道对应的传输阀分别位于出口侧、入口侧；在任意两组微腔之间，与任一组微腔连通的每个微腔传输管道上的传输阀中至少存在一个传输阀与另一组微腔的微腔传输管道上的每个传输阀均不处于同一组传输阀中。本专利技术的连接管道网络设于微腔阵列中，用于连通相邻微腔，相邻微腔包括左右相邻以及对角相邻。本专利技术的传输管道网络分布于微腔阵列的上下端，微腔阵列中的微腔通过传输管道网络与芯片流动层的出入口连通。本专利技术中的传输阀与流动层的传输管道自下而上重叠对应，连接阀与流动层中各微腔阵列组间的连接管道自下而上重叠对应，其中，传输阀以及连接阀均是通过对应进气入口进行开启或关闭的操作。本专利技术通过巧妙地设置连接阀与传输阀在芯片中定位实现多功能的仿生需要。1、两个出入口传输管道对应的传输阀分别位于出口侧、入口侧，即一个出入口传输管道的出口侧对应一个传输阀，另一个出入口传输管道的入口侧对应一个传输阀，则同时开启两个出入口传输管道对应的传输阀时，使得微腔阵列上端和下端分别保留一个出口端或入口端，进而从入口注入溶液时，溶液将流向微腔阵列中的微腔，再从出口流出。2、在任意两组微腔之间，与一组微腔连通的每个微腔传输管道上的传输阀中至少存在一个传输阀与另一组微腔的微腔传输管道上的每个传输阀均不处于同一组传输阀中。本专利技术中每组传输阀和每组连接阀均通过进气管道连通一个进气入口，不同组的传输阀或连接阀对应的进气入口不同，故基于上述结构可以实现对单组微腔进行研究时，通过进气入口将待研究的单组微腔所连通的微腔传输管道上的传输阀关闭，而再通过进气入口开启其他各组微腔的微腔连通管道上的至少一个传输阀，进而关闭了其他各组微腔的流通路径，仅仅保留待研究的单组微腔的流通路径。3、连接阀设于相邻两组微腔之间的连接管道下方，可以有效地隔绝相邻各组微腔之间的流通，以便对单组微腔中的细胞进行研究分析。本专利技术的集成微流控神经网络芯片通过微腔阵列、连接管道网络以及传输管道网络构成一个阵列网络，满足神经网络研究需要，即可以实现阵列化细胞定位接种、神经网络仿生构建、单组微腔区域的神经细胞与神经网络的生化刺激处理及样本回收操作。其中，通过在进气口施加外源气压可以使对应的连通的传输阀或连通阀开启，进而关闭对应的管道，因此，本专利技术基于连接管道网络、传输管道网络、传输阀以及连接阀的巧妙设置可以控制不同的连接管道、传输管道导通或不导通，进而可以实现针对微腔阵列中特定区域灌注溶液以实现仿生操作。进一步优选，相邻两组微腔之间的所有传输阀构成一组连接阀，所述连接阀的组数为n-1，每组连接阀通过一个进气管道与一个进气入口连通。进一步优选，所述微腔和所述传输管道网络中传输管道的高度均为15-100μm，所述连接管道网络中管道的高度为1-10μm，所述传输阀和连接阀的管道高度为20-50μm。进一步优选，每组微腔的上下端均连通一个微腔传输管道，每组传输管道网络中微腔传输管道的数量Q等于n，每个微腔传输管道上设有m个管道细分支，每个管道细分支连通一组微腔中的一列微腔。进一步优选，所述微腔阵列中微腔组数n的取值范围为[3，10]，每组微腔的列数m的取值范围为[1，6]。本专利技术中流动层的出、入口数量的取值范围均为[2，6]，例如将出入口传输管道的出口分岔为多个出口，以便灌注不同的溶液。进一步优选，所述控制层中传输阀的组数的取值范围为[5，10]，每组传输阀上传输阀的数量的取值范围为[1，5]。本专利技术中所述芯片的制备材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，与涂有PDMS聚合物的玻璃或透明塑料材料进行不可逆封接，从而确保所使用微流控芯片质量以及芯片内各个微功能单元的完整性。另一方面，本专利技术还提供一种应用上述所述芯片的仿生实现方法，包括如下步骤：S1：往与两个出入口传输管道上的传输阀连通的进气入口施加外源气压，使两个出入口传输管道上对应的传输阀开启，关闭所有连接阀以及微腔传输管道对应的传输阀；S2：注入含细胞黏附物的溶液，使含细胞黏附物的溶液进入微腔阵列以完成对微腔内表面进行细胞黏附修饰；其中，含细胞黏附物的溶液的流速的取值范围为[3，25]μL/min；S3：再灌注新鲜细胞培养液，清洗微腔；S4：灌注神经细胞悬液，使神经细胞进入不同阵列组的微腔，并黏附于微腔内表面；其中，神经细胞悬液的细胞密度的取值范围为[2×105-1×107]个/mL；S5：开启微腔传输管道对本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种集成微流控神经网络芯片，其特征在于：包括流动层和控制层；其中，所述流动层设有微腔阵列、连接管道网络、两组传输管道网络以及出入口；所述微腔阵列设有n组微腔，每组微腔设有m列微腔，每列微腔设有3个以上微腔，所述连接管道网络的管道连通相邻微腔，所述两组传输管道网络分别位于所述微腔阵列上下端并与微腔阵列连通，每组传输管道网络包括一个出入口传输管道以及与出入口传输管道连通的Q个微腔传输管道，每组微腔的上下端均至少与一个微腔传输管道连通，每个出入口传输管道连接至少一个入口和至少一个出口；所述控制层包括传输阀、连接阀、进气管道以及进气入口，不同组的传输阀和连接阀均通过不同进气管道连通不同进气入口；其中，连接阀设于相邻两组微腔之间的连接管道正下方，每个微腔传输管道以及两个出入口传输管道正下方均对应设有至少一个所述传输阀，所述两个出入口传输管道对应的传输阀分别位于出口侧、入口侧；在任意两组微腔之间，与任一组微腔连通的每个微腔传输管道上的传输阀中至少存在一个传输阀与另一组微腔的微腔传输管道上的每个传输阀均不处于同一组传输阀中。

【技术特征摘要】
1.一种集成微流控神经网络芯片，其特征在于：包括流动层和控制层；其中，所述流动层设有微腔阵列、连接管道网络、两组传输管道网络以及出入口；所述微腔阵列设有n组微腔，每组微腔设有m列微腔，每列微腔设有3个以上微腔，所述连接管道网络的管道连通相邻微腔，所述两组传输管道网络分别位于所述微腔阵列上下端并与微腔阵列连通，每组传输管道网络包括一个出入口传输管道以及与出入口传输管道连通的Q个微腔传输管道，每组微腔的上下端均至少与一个微腔传输管道连通，每个出入口传输管道连接至少一个入口和至少一个出口；所述控制层包括传输阀、连接阀、进气管道以及进气入口，不同组的传输阀和连接阀均通过不同进气管道连通不同进气入口；其中，连接阀设于相邻两组微腔之间的连接管道正下方，每个微腔传输管道以及两个出入口传输管道正下方均对应设有至少一个所述传输阀，所述两个出入口传输管道对应的传输阀分别位于出口侧、入口侧；在任意两组微腔之间，与任一组微腔连通的每个微腔传输管道上的传输阀中至少存在一个传输阀与另一组微腔的微腔传输管道上的每个传输阀均不处于同一组传输阀中。2.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于：相邻两组微腔之间的所有连接阀构成一组连接阀，所述连接阀的组数为n-1，每组连接阀通过一个进气管道与一个进气入口连通。3.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于：所述微腔和所述传输管道网络中传输管道的高度均为15-100μm，所述连接管道网络中管道的高度为1-10μm，所述传输阀和连接阀的管道高度为20-50μm。4.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于：每组微腔的上下端均连通一个微腔传输管道，每组传输管道网络中微腔传输管道的数量Q等于n，每个微腔传输管道上设有m个管道细分支，每个管道细分支连通一组微腔中的一列微腔。5.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于：所述微腔阵列中微腔组数n的取值范围为：[3，10]，每组微腔的列数m的取值范围为：[1，6]。6.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于：所述控制层中传输阀的组数的取值范围为[5，10]，每组传输阀上传输阀的数量的取值范围为[1，5]。7.一种应用权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘文明，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43