一种用于细胞培养及模拟运动后脉动剪切力环境的微流控芯片及检测方法技术

一种用于细胞培养及模拟运动后脉动剪切力环境的微流控芯片及检测方法，属于细胞生物力学实验装置技术领域。该微流控芯片包括：细胞培养系统，剪切力波形生成系统以及剪切力波形检测系统三部分。细胞培养系统由细胞培养腔室、细胞悬浮液出入口和微通道构成；剪切力波形生成系统由细胞培养腔室、细胞培养液出入口、弹性腔室、阻力通道和微通道构成；通过调节细胞培养液入口的流量输入波形以及改变后阻力通道的尺寸，在细胞培养腔室内实现静息以及运动后剪切力波形的加载；剪切力波形检测系统由细胞培养腔室两侧的压力检测微通道构成，通过显微镜记录压力检测通道内的液柱变化，进而通过细胞培养腔室两侧的压力值计算细胞培养腔室内的剪切力波形。

【技术实现步骤摘要】
一种用于细胞培养及模拟运动后脉动剪切力环境的微流控芯片及检测方法
本专利技术属于细胞生物力学实验装置
，是基于血液动力学原理及微流控芯片技术，用于研究运动诱发的剪切力信号对血管内皮细胞形态和功能的影响及其分子生物学机制的实验装置，具体为一种用于细胞培养及模拟运动后脉动剪切力环境的微流控芯片及检测方法。
技术介绍
血管内皮细胞位于血管壁的最内层，内侧与流动的血液直接接触，外侧与平滑肌细胞相邻。血管内皮细胞不仅是血液与血管组织之间的选择性物理屏障，它还能够通过细胞膜表面的感受器及受体，如多糖-蛋白复合物、酪氨酸蛋白激酶、G蛋白耦联受体及离子通道等识别脉动血流所产生的壁面剪切力作用，并通过一系列的信号级联反应将该剪切力信号传递到细胞内部引起细胞形态结构及功能的变化，进而影响血管的紧张性和渗透性，调节凝血系统功能以及介导机体的免疫炎症反应。合理的运动训练被称为预防和改善心血管系统疾病的“良药”。一系列的在体研究表明，规律且适度的运动训练能够通过增加舒血管因子一氧化氮(NO)、前列环素(PGI2)等的产生，降低缩血管因子内皮素(ET-1)、血管紧张素II(AngII)以及活性氧类(ROS)等的生成起到抗炎、抗氧化应激以及抗动脉粥样硬化的作用。在上述的在体研究中，研究者们普遍认为运动训练所诱发的前、后向幅值加大以及频率增加的脉动血流剪切力是运动改善血管内皮功能最为重要的介导因素。离体构建不同频率及幅值的脉动流剪切力生成装置是研究运动引起的血流剪切力对血管内皮功能影响的必要前提。在以往的研究中，主要借助于平行平板流动腔、圆锥板流动腔及其外围装置来模拟血流剪切力环境并进一步研究流体剪切力作用下血管内皮细胞的生物学行为及其机制，但由于其细胞培养腔室或者培养板较大，因此造成细胞及试剂的消耗量大，实验成本高。近些年发展起来的微流控技术，以其微型化，低的样品及试剂消耗量，以及更加接近在体细胞生长环境的优点被广泛应用于细胞力学生物学研究领域。然而，目前利用微流控芯片技术所模拟的运动后剪切力波形主要为定常流剪切力，而大量的离体实验证实血管内皮细胞对于定常流以及脉动流所产生的生物学响应明显不同。因此，需要离体构建一种能够较精确模拟运动后脉动流剪切力环境的微流控芯片。
技术实现思路
本专利技术的设计目的在于提供一种用于细胞培养及离体模拟运动后血流剪切力环境的微流控芯片及检测方法，可用于研究运动引起的血流剪切力对血管内皮细胞形态、结构及功能的影响及机制。该专利技术将血液动力学原理和方法与微流控芯片技术巧妙结合，将细胞悬浮液出入口及通道、细胞培养液出入口及通道、细胞培养腔室、弹性腔室、后阻力通道以及压力检测微通道集成在一块玻璃-PDMS功能芯片上。通过细胞悬液出入口通道结构的优化设计实现细胞培养腔室内细胞的均匀、完全分布，通过设定注射泵的流体输入波形、弹性腔的大小以及后阻力通道的长度来实现细胞培养腔室底部加载运动所引起的前、后向幅值加大以及频率增加的血流剪切力波形。本专利技术的技术方案如下：一种用于细胞培养及模拟运动后脉动剪切力环境的微流控芯片，该微流控芯片包括细胞培养系统A、剪切力波形生成系统B和剪切力波形检测系统C；细胞培养系统A主要由细胞培养腔室1-3、细胞悬浮液入口1-1、细胞悬浮液出口1-2和微通道构成；从细胞培养腔室1-3的上下两侧均匀引出m个微通道，m≥3，上侧的微通道与下侧的微通道对称布置；上侧的微通道出口汇集并与细胞悬浮液入口1-1相连，下侧的微通道出口汇集并与细胞悬浮液出口1-2相连；剪切力波形生成系统B主要由细胞培养腔室1-3、细胞培养液入口2-1、第一弹性腔室2-2、第二弹性腔室2-4、第一阻力通道2-5、第二阻力通道2-6、第一细胞培养液出口2-7、第二细胞培养液出口2-8和微通道构成；细胞培养腔室1-3的左侧通过微通道与第一弹性腔室2-2的入口端相连，第一弹性腔室2-2的出口端连接细胞培养液入口2-1；细胞培养腔室1-3的右侧通过微通道与第二弹性腔室2-4的入口端相连，第二弹性腔室2-4的出口端通过微通道依次与第一阻力通道2-5、第二阻力通道2-6相连，第一阻力通道2-5与第二阻力通道2-6之间的微通道上引出第一细胞培养液出口2-7，第二阻力通道2-6与第二细胞培养液出口2-8相通；第二弹性腔室2-4的体积大于第一弹性腔室2-2的体积，故第二弹性腔室2-4的顺应性要大于第一弹性腔室2-2的顺应性；剪切力波形检测系统C主要由第一压力检测微通道3-1和第二压力检测微通道3-2构成；第一压力检测微通道3-1和第二压力检测微通道3-2的一端分别从紧靠细胞培养腔室1-3左右两端的微通道上引出，另一端封闭，用于检测细胞培养腔室1-3两侧的压力。所述第一弹性腔室2-2和第二弹性腔室2-4的体积，第一阻力通道2-5和第二阻力通道2-6的长度均根据所需形成的剪切力波形确定。一种用于细胞培养及模拟运动后脉动剪切力环境的检测方法，步骤如下：步骤一：打开微流控芯片的所有入口和出口，从细胞培养液入口2-1注入细胞培养液，待整个微流控芯片内充满细胞培养液后，关闭细胞培养液入口2-1、第一细胞培养液出口2-7和第二细胞培养液出口2-8；步骤二：从细胞悬浮液入口1-1注入细胞悬浮液，确保细胞培养腔室1-3内的细胞均匀、完全分布；当细胞培养腔室1-3底部的细胞达到融合时，关闭细胞悬浮液入口1-1和细胞悬浮液出口1-2；步骤三：打开细胞培养液入口2-1，并打开第一细胞培养液出口2-7或第二细胞培养液出口2-8，再次从细胞培养液入口2-1注入细胞培养液；当细胞培养液流入微流控芯片时，一部分流入到第一弹性腔室2-2和第二弹性腔室2-4中，另外的一部分经过细胞培养腔室1-3、第一阻力通道2-5、第一细胞培养液出口2-7流出，或者经过细胞培养腔室1-3、第一阻力通道2-5、第二阻力通道2-6、第二细胞培养液出口2-8流出，此时细胞培养腔室内表现为前向流；当停止注入时，在一段时间内微流控芯片里的液体会继续保持前向流动，由于第二弹性腔室2-4的顺应性大于第一弹性腔室2-2的顺应性，所以当第二弹性腔室2-4中的空气压力大于通道内的压力时，一部分的液体会由第二弹性腔室2-4流入到第一弹性腔室2-2中，此时在细胞培养腔室内会产生后向流；因此，通过调节细胞培养液注入流量、选择不同的细胞培养液出口或者改变阻力通道的尺寸、以及改变两个弹性腔室的尺寸，来控制细胞培养腔室内产生静息或者不同运动强度所引起的前、后向幅值以及频率改变的脉动血流剪切力；进一步的，微流控芯片内的各个腔室及通道尺寸设定依据如下：将微流控芯片内各个腔室及通道等效成电路回路，该回路中的各个参数满足如下的方程：其中，C1、C2分别为第一弹性腔室2-2、第二弹性腔室2-4的顺应性，L为微流控芯片内从第一弹性腔室2-2右侧出口到细胞培养腔室1-3左侧出口之间微通道的流感，R为第一细胞培养液出口2-7打开时第一阻力通道2-5的阻力或者为第二细胞培养液出口2-8打开时第一阻力通道2-5及第二阻力通道2-6的阻力之和，Rf为细胞培养腔室的阻力，qin为流入微流控芯片的总体积流量率，qf为通过细胞培养腔室的体积流量率，PA、PB分别为细胞培养腔室两侧的压力；第一弹性腔室2-2及第二弹性腔室2-4的顺应性均通过公式(2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于细胞培养及模拟运动后脉动剪切力环境的微流控芯片，其特征在于，该微流控芯片包括细胞培养系统(A)、剪切力波形生成系统(B)和剪切力波形检测系统(C)；细胞培养系统(A)主要由细胞培养腔室(1‑3)、细胞悬浮液入口(1‑1)、细胞悬浮液出口(1‑2)和微通道构成；从细胞培养腔室(1‑3)的上下两侧均匀引出m个微通道，m≥3，上侧的微通道与下侧的微通道对称布置；上侧的微通道出口汇集并与细胞悬浮液入口(1‑1)相连，下侧的微通道出口汇集并与细胞悬浮液出口(1‑2)相连；剪切力波形生成系统(B)主要由细胞培养腔室(1‑3)、细胞培养液入口(2‑1)、第一弹性腔室(2‑2)、第二弹性腔室(2‑4)、第一阻力通道(2‑5)、第二阻力通道(2‑6)、第一细胞培养液出口(2‑7)、第二细胞培养液出口(2‑8)和微通道构成；细胞培养腔室(1‑3)的左侧通过微通道与第一弹性腔室(2‑2)的入口端相连，第一弹性腔室(2‑2)的出口端连接细胞培养液入口(2‑1)；细胞培养腔室(1‑3)的右侧通过微通道与第二弹性腔室(2‑4)的入口端相连，第二弹性腔室(2‑4)的出口端通过微通道依次与第一阻力通道(2‑5)、第二阻力通道(2‑6)相连，第一阻力通道(2‑5)与第二阻力通道(2‑6)之间的微通道上引出第一细胞培养液出口(2‑7)，第二阻力通道(2‑6)与第二细胞培养液出口(2‑8)相通；第二弹性腔室(2‑4)的体积大于第一弹性腔室(2‑2)的体积，故第二弹性腔室(2‑4)的顺应性要大于第一弹性腔室(2‑2)的顺应性；剪切力波形检测系统(C)主要由第一压力检测微通道(3‑1)和第二压力检测微通道(3‑2)构成；第一压力检测微通道(3‑1)和第二压力检测微通道(3‑2)的一端分别从紧靠细胞培养腔室(1‑3)左右两端的微通道上引出，另一端封闭，用于检测细胞培养腔室(1‑3)两侧的压力。...

【技术特征摘要】
1.一种用于细胞培养及模拟运动后脉动剪切力环境的微流控芯片，其特征在于，该微流控芯片包括细胞培养系统(A)、剪切力波形生成系统(B)和剪切力波形检测系统(C)；细胞培养系统(A)主要由细胞培养腔室(1-3)、细胞悬浮液入口(1-1)、细胞悬浮液出口(1-2)和微通道构成；从细胞培养腔室(1-3)的上下两侧均匀引出m个微通道，m≥3，上侧的微通道与下侧的微通道对称布置；上侧的微通道出口汇集并与细胞悬浮液入口(1-1)相连，下侧的微通道出口汇集并与细胞悬浮液出口(1-2)相连；剪切力波形生成系统(B)主要由细胞培养腔室(1-3)、细胞培养液入口(2-1)、第一弹性腔室(2-2)、第二弹性腔室(2-4)、第一阻力通道(2-5)、第二阻力通道(2-6)、第一细胞培养液出口(2-7)、第二细胞培养液出口(2-8)和微通道构成；细胞培养腔室(1-3)的左侧通过微通道与第一弹性腔室(2-2)的入口端相连，第一弹性腔室(2-2)的出口端连接细胞培养液入口(2-1)；细胞培养腔室(1-3)的右侧通过微通道与第二弹性腔室(2-4)的入口端相连，第二弹性腔室(2-4)的出口端通过微通道依次与第一阻力通道(2-5)、第二阻力通道(2-6)相连，第一阻力通道(2-5)与第二阻力通道(2-6)之间的微通道上引出第一细胞培养液出口(2-7)，第二阻力通道(2-6)与第二细胞培养液出口(2-8)相通；第二弹性腔室(2-4)的体积大于第一弹性腔室(2-2)的体积，故第二弹性腔室(2-4)的顺应性要大于第一弹性腔室(2-2)的顺应性；剪切力波形检测系统(C)主要由第一压力检测微通道(3-1)和第二压力检测微通道(3-2)构成；第一压力检测微通道(3-1)和第二压力检测微通道(3-2)的一端分别从紧靠细胞培养腔室(1-3)左右两端的微通道上引出，另一端封闭，用于检测细胞培养腔室(1-3)两侧的压力。2.根据权利要求1所述的一种用于细胞培养及模拟运动后脉动剪切力环境的微流控芯片，其特征在于，所述第一弹性腔室(2-2)和第二弹性腔室(2-4)的体积，第一阻力通道(2-5)和第二阻力通道(2-6)的长度均根据所需形成的剪切力波形确定。3.采用一种所述的用于细胞培养及模拟运动后脉动剪切力环境的微流控芯片的检测方法，其特征在于，步骤如下：步骤一：打开微流控芯片的所有入口和出口，从细胞培养液入口(2-1)注入细胞培养液，待整个微流控芯片内充满细胞培养液后，关闭细胞培养液入口(2-1)、第一细胞培养液出口(2-7)和第二细胞培养液出口(2-8)；步骤二：从细胞悬浮液入口(1-1)注入细胞悬浮液，确保细胞培养腔室(1-3)内的细胞均匀、完全分布；当细胞培养腔室(1-3)底部的细胞达到融合时，关闭细胞悬浮液入口(1-1)和细胞悬浮液出口(1-2)；步骤三：打开细胞培养液入口(2-1)，并打开第一细胞培养液出口(2-7)或第二细胞培养液出口(2-8)，再次从细胞培养液入口(2-1)注入细胞培养液；当细胞培养液流入微流控芯片时，一部分流入到第一弹性腔室(2-2)和第二弹性腔室(2-4)中，另外的一部分经过细胞培养腔室(1-3)、第一阻力通道(2-5)、第一细胞培养液出口(2-7)流出，或者经过细胞培养腔室(1-3)、第一阻力通道(2-5)、第二阻力通道(2-6)、第二细胞培养液出口(2-8)流出，此时细胞培养腔室内表现为前向流；当停止注入时，在一段时间内微流控芯片里的液体...

【专利技术属性】
技术研发人员：王艳霞，覃开蓉，刘书田，薛春东，李泳江，于洪建，杨雨浓，张文佳，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21