确定用于限制样品的微流体装置的尺寸制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种确定用于限制样品的微流体装置尺寸的方法。待限制的样品包括悬浮于载体流体介质中的细胞(生物样品)或微粒。本发明专利技术还涉及一种用于确定微流体装置尺寸的方法，所述微流体装置用于限制包含在细胞培养流体介质中的外植体。

Determine the size of microfluidic devices used to limit samples

The invention relates to a method for determining the size of a microfluidic device for limiting a sample. Samples to be restricted include cells (biological samples) or particles suspended in carrier fluid media. The invention also relates to a method for determining the size of a microfluidic device for limiting explants contained in a cell culture fluid medium.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】确定用于限制样品的微流体装置的尺寸
本专利技术涉及一种确定用于限制样品的微流体装置的尺寸的方法。
技术介绍
在本专利技术中，涉及两种类型的样品。以这种方式，待限制的样品可以由以下组成：-细胞群(例如在细胞培养介质中悬浮的神经元和真核细胞中，样品是生物样品)或者在载体流体介质中悬浮的微粒群，-或者由包含在细胞培养流体介质中的至少一种外植体组成的生物样品。就本专利技术而言，生物样品是指包含遗传信息并且能够自我复制或在生物系统中复制的样品。神经工程学的主要困难之一是在浓度、空间定位和每神经元胞体(soma)定位的均匀性方面，控制群中神经元(n>100个细胞/ml)的细胞体(神经元胞体)的定位。这个困难严重限制了神经元网络的体外研究，以及更一般的脑结构/功能的关系的研究。技术人员了解神经元胞体的细胞培养的几种定位技术。具体地，最广泛使用的技术尤其是由使用微流体芯片用于定位、而后进行神经元的培养所组成，但是没有精确控制细胞的定位和密度，因此限制了对其的关注[1]-[3]。而且，技术人员还了解连接两个神经元群的某些类型的微流体芯片[4],[5]，而另一些不将神经元群连接在一起，而是将细胞体和轴突分离[1]-[3]。第二种培养神经元的技术使用微流体芯片，其使用微米柱在界面处分离神经元[6]。尽管微米柱的定位允许定位细胞，但神经元是单独定位的，因此阻止了整个群的平均或高密度培养，这限制了对这种技术的关注。第三种培养神经元的技术使用硅树脂珠，在其上沉积神经元。组装这些球构建神经元网络。但是，采用这种技术，神经元的数量和密度是有限的，网络的结构不受控制，细胞体没有与轴突分离[6],[8]。第四种技术由在适合的支架中进行神经元培养组成，其可以通过这些支架的层流之后进行冷冻，在微流体构造中得以分离[9]。然而，这些技术是有限的，因为由于培养中流体的同质性而难以实现细胞共培养，限制了最终网络的可接近尺寸。最后，第五种技术由以下组成：在微室中进行神经元的培养，产生神经球然后将这些神经球组装成一块组织块，以重新培养，之后组装成其它块。但是这种技术的缺点是时间长且需要多个水平的培养。而且，它不能控制神经元的密度和分离细胞体和轴突[10]。本专利技术的目的是允许在微流体室中，以受控的表面或体积密度，在整个群的规模上控制神经元、原代或系的细胞体的定位，来消除上述缺点。
技术实现思路
为此目的，申请人开发了一种确定微流体装置(或微流体芯片)尺寸的方法，用于优化在载体流体介质中悬浮的细胞如神经元的流动。在待限制的样品由在载体流体介质中悬浮的细胞群或微粒群组成的情况下，将使用一种微流体装置(或微流体芯片)，其包括：·适合于接收含有样品的载体流体介质的输入区，所述输入区对应于直径D入的圆柱形输入槽，·限制区(或沉积室)，样品的至少一部分被限制在其中，所述限制区包括表面S限制的底部以及长度L限制和高度H限制的侧壁，所述限制区通过长度L入、高度H入和宽度W入的第一通道与所述输入区连通，和·适合于排出包括样品的所述流体的输出区，所述输出区对应于直径D出的圆柱形输出槽，所述输出区通过长度L出、高度H出和宽度W出的第二通道与所述限制区连通。有利的是，限制区可以具有圆柱形几何形状，其具有直径D限制的圆形底部，使得L限制＝D限制。但其它几何形状也是可能的。在这种情况下，本专利技术的目的因此是一种用于确定这种微流体装置的尺寸的方法，其包括以下步骤：A.作为待限制的细胞或微粒的优选量和所述细胞或微粒对所述限制区的底部的优选覆盖率φ的函数，确定所述限制区的尺寸，以便确定表征限制区的表面D限制和高度H限制；B.确定第一通道和第二通道的尺寸，其包括：·b1)计算颗粒或细胞的沉降速度v沉降，·b2)根据等式(1)，作为颗粒或细胞的沉降速度v沉降的函数，确定所述限制区中的载体流体介质的速度v限制：·b3)作为输入区和输出区之间注入的流体介质的体积ΔZ的函数，确定所述装置中的装载损失，这是在限制区中设置适当的流动所必需的；·b4)根据ΔZ和载体流体介质的速度v限制确定所述微流体装置的几何参数。就本专利技术而言，微流体装置的几何参数是指先前提及的参数D入、H入、W入、L入、D出、H出、L出和W出，其表征微流体装置的形式和尺寸。就本专利技术而言，适当的流动是指允许细胞或颗粒的沉积在限制区内流动，而不会将它们拖向所述输出区，或者使由于穿出至输出区的细胞损失最小化。此处，输入槽和输出槽之间的体积差导致适当的流动。为了流动，也可以使用外部泵送系统。根据本专利技术的方法的第一步骤是这样的步骤，即作为待限制的细胞或微粒的优选数量和细胞或微粒对限制区底部的优选覆盖率φ的函数，确定限制区(或沉积室)的尺寸，以便确定表征限制区的表面D限制和高度H限制。就本专利技术而言，限制区底部的覆盖率φ是指被一经沉积在底部上的颗粒覆盖的表面与限制区底部的整个表面之间的比率φ。换言之，限制区的尺寸作为函数由所选择的应用而确定。半径和高度可以从数十微米到数毫米而变化。有利的是，该确定尺寸步骤A可以包括以下子步骤：A1)根据斯托克斯式(5)确定限制区底部的表面S限制：其中-φ是底部的覆盖率φ，-r是颗粒或细胞的半径，-N是待限制的神经元或细胞的数量，由以下等式确定：其中-是所述样品中细胞或神经元的浓度(在实验开始时测量)，-V是在时刻t输入到所述微流体装置中的样品体积，根据以下等式确定：V＝Q×t(7)其中-Q是所述微流体装置中样品的流动速率。A2)作为限制区中优选体积的量的函数，并根据相关的制备限制，所述微流体装置的使用者固定高度H限制的壁的高度H限制。根据本专利技术的方法的第二步骤b2)是第一和第二通道的确定尺寸步骤。该步骤B包括数个子步骤。第一子步骤是颗粒或细胞的沉降速度v沉降的计算步骤b1)。有利的是，颗粒或细胞的沉降速度v沉降可以根据斯托克斯等式(8)计算：其中-r是颗粒或细胞的半径，-η是所述载体流体介质的动态粘度，和-Δρ是待限制的颗粒或细胞与载体流体介质之间的密度差。第二子步骤是在所述限制区中的载体流体介质的速度v限制的计算步骤b2)。根据等式(1)用子步骤b1)计算的沉降速度v沉降进行该确定：实际上，已经注意到，根据等式1所示，为了将整体样品限制在限制区中，限制区中的载体流体介质的流动速度V限制必须等于或小于沉降速度v沉降乘以限制区(或室)的高度H限制和长度D限制的商。等式(1)确定根据本专利技术的微流体装置的三种操作方案。给定根据本专利技术的微流体装置的几何特性，确定装载损失(如下所述)以及操作条件(样品的输入体积和细胞或微粒的浓度)，可以设计装置，使得仅生物样品的一部分被限制在室中，或者整体生物样品被均匀地或非均匀地限制在限制区中，如本专利技术的目的一样。第三子步骤是根据本专利技术的微流体装置中的装载损失的确定步骤b3)，其作为在限制区设置适当流动所需的输入和输出区之间注入的流体介质的体积ΔZ的函数。这种装载损失由在使用根据本专利技术的微流体装置期间注入的载体流体介质的量来设定。第四子步骤是根据ΔZ以及载体流体介质的速度v限制，所述微流体装置的几何参数D入、H入、W入、L入、D出、H出、L出和W出的确定步骤b4)。涉及用于该确定的装载损失是常规的装载损失。就本专利技术而言，忽略异常装载损失。常规的装载损失与第一和第二通道壁上的流体本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种确定旨在限制初始样品的微流体装置(10)尺寸的方法，所述初始样品包含悬浮于载体流体介质中的至少一种细胞群或微粒群，所述微流体装置(10)包括：·适合于接收含有样品的载体流体介质的输入区(1)，所述输入区(1)对应于直径D入的圆柱形输入槽，·限制区(5)，样品的至少一部分被限制在其中，所述限制区包括表面S限制的底部(51)以及长度L限制和高度H限制的侧壁(52)，所述限制区(5)通过长度L入、高度H入和宽度W入的第一通道(2)与所述输入区(1)连通，和·适合于排出包括样品的所述流体的输出区(4)，所述输出区(4)对应于直径D出的圆柱形输出槽，所述输出区(4)通过长度L出、高度H出和宽度W出的第二通道(3)与所述限制区(5)连通，所述方法的特征在于，所述方法由确定所述装置(10)的尺寸组成，所述尺寸是待限制的细胞或微粒数量的函数，包括以下步骤：A.作为待限制的细胞或微粒的优选量和所述细胞或微粒对所述限制区(5)底部(51)优选覆盖率φ的函数，确定所述限制区(5)的尺寸，以便确定表征所述限制区(5)的表面D限制和高度H限制；B.确定第一通道(2)和第二通道(3)的尺寸，其包括：·b1)计算颗粒或细胞的沉降速度v沉降，·b2)根据等式(1)，作为颗粒或细胞的沉降速度v沉降的函数，确定所述限制区(5)中载体流体介质的速度v限制：...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.10.21 FR 15600211.一种确定旨在限制初始样品的微流体装置(10)尺寸的方法，所述初始样品包含悬浮于载体流体介质中的至少一种细胞群或微粒群，所述微流体装置(10)包括：·适合于接收含有样品的载体流体介质的输入区(1)，所述输入区(1)对应于直径D入的圆柱形输入槽，·限制区(5)，样品的至少一部分被限制在其中，所述限制区包括表面S限制的底部(51)以及长度L限制和高度H限制的侧壁(52)，所述限制区(5)通过长度L入、高度H入和宽度W入的第一通道(2)与所述输入区(1)连通，和·适合于排出包括样品的所述流体的输出区(4)，所述输出区(4)对应于直径D出的圆柱形输出槽，所述输出区(4)通过长度L出、高度H出和宽度W出的第二通道(3)与所述限制区(5)连通，所述方法的特征在于，所述方法由确定所述装置(10)的尺寸组成，所述尺寸是待限制的细胞或微粒数量的函数，包括以下步骤：A.作为待限制的细胞或微粒的优选量和所述细胞或微粒对所述限制区(5)底部(51)优选覆盖率φ的函数，确定所述限制区(5)的尺寸，以便确定表征所述限制区(5)的表面D限制和高度H限制；B.确定第一通道(2)和第二通道(3)的尺寸，其包括：·b1)计算颗粒或细胞的沉降速度v沉降，·b2)根据等式(1)，作为颗粒或细胞的沉降速度v沉降的函数，确定所述限制区(5)中载体流体介质的速度v限制：·b3)作为输入区(1)和输出区(4)之间注入的流体介质的体积ΔZ的函数，确定所述装置中的装载损失，这是在限制区(5)中设置适当的流动所必需的；·b4)根据ΔZ和载体流体介质的速度v限制，确定所述微流体装置(10)的几何参数。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述限制区(5)的确定尺寸步骤A包括：A1)根据斯托克斯式(5)确定所述限制区(5)底部的表面S限制：其中-ψ是底部(51)的覆盖率φ，-r是颗粒或细胞的半径，-N是待限制的神经元或细胞的数量，由等式(6)确定：其中-是所述样品中细胞或神经元的浓度，-V是在时刻t输入到所述微流体装置(10)中的样品体积，根据等式(7)确定：v＝Q×t(7)其中-Q是所述微流体装置(10)中样品的流动速率，A2)作为限制区(5)中优选体积的量的函数，并根据相关的制备限制，所述微流体装置(10)的使用者固定高度H限制的壁的高度H限制...

【专利技术属性】
技术研发人员：T·霍内格，B·迈松纳夫，
申请(专利权)人：国家科学研究中心，格勒诺布尔阿尔卑斯大学，
类型：发明
国别省市：法国,FR