一种微流控芯片及其设计方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种微流控芯片及其设计方法和应用。所述微流控芯片包括主通道、捕获单元和窄通道；所述主通道用于传输细胞和细胞培养基，主通道的侧壁上相向且间隔设置有若干捕获单元，所述捕获单元用于单细胞的捕获和培养；所述窄通道用于连通两个捕获单元，形成捕获后单细胞间的交流通路并阻止被捕获的单细胞流入对侧主通道。本发明专利技术制作简单，易于操作，能够实现两种单细胞的捕获和培养，并进行细胞间相互作用的研究，适用于探究细胞异质性和疾病发病机理。可用于开展肿瘤发生发展机理的研究，为构建体外有效的肿瘤发病模型提供依据和新的研究思路，为肿瘤的发生发展提供一定的理论支持。

A microfluidic chip and its design method and Application

【技术实现步骤摘要】
一种微流控芯片及其设计方法和应用
本专利技术涉及一种微流控芯片及其设计方法和应用，用于两种细胞中单细胞捕获培养，以及细胞间相互作用的研究。
技术介绍
单个细胞是构成生命体的基本单位，传统的细胞研究总是在一组细胞上进行的。得到的结果往往是一群细胞的平均值，掩盖了个体之间的信息差异，在蛋白质组学的研究中发现同一细胞在不同时期，不同环境中细胞的行为和反应完全不同，在肿瘤细胞和干细胞中，细胞的异质性特点最为显著。微全分析系统又称微流控芯片(microfluidicchip)或芯片实验室(labonachip,LOC)，是指在一块几平方厘米(甚至更小)的芯片上集成或基本集成化学和生物等领域中所涉及的样品制备、反应、分离、检测以及细胞培养、分选、裂解等基本操作单元，由微通道形成网络，以可控流体贯穿这个系统，用于取代常规化学或生物实验室的各种功能的一种技术平台。利用微流控芯片技术可以实现从单细胞捕获、鉴别和检测的一键式封闭操作，效率高、误差小。因此，微流控芯片技术已经成为单细胞分析的有力工具。多细胞系统依赖细胞间的相互作用来协调细胞信号和调节细胞功能，理解细胞间的相互作用的机制和过程对于许多生理和病理过程，如胚胎发生、组织再生、干细胞分化、癌症转移等都是至关重要的。不同类种类细胞之间往往存在密切的相互作用，这种相互作用是同型的或异型的，并且取决于细胞间的距离，可通过多种机制发生，例如：直接物理接触、可溶性分泌因子的扩散、电信号传导、细胞周围基质。例如在患病组织中，细胞间的相互作用会受到干扰，这对疾病的发生和发展都有至关重要的作用。又如肿瘤出芽是肿瘤高侵袭性行为一个重要的病理学特征，与肿瘤的复发和转移密切相关。在肿瘤微环境中，血管内皮细胞在受到肿瘤细胞分泌的VEGF等因子的作用下向肿瘤内部迁移，从而成为肿瘤的营养供应以及侵袭转移准备了条件。文献ChungWoosung.；EumH.M.；LeeH.O.；LeeK.M.；LeeH.B.；KimK.T.；RyuH.S.；KimS.；LeeJ.E.；ParkY.H.NatureCommunications,2017,8.收集了11个患乳腺癌病人的515个细胞，通过单细胞转录组分析，癌细胞早肿瘤内表现出共同的特征，在乳腺癌亚型和与癌症相关的重要通路上表现出瘤内异质性。开发单细胞的捕获、操纵以及分析方法研究细胞的异质性，对于研究细胞生长、分化、疾病诊断和监测都具有十分重要的意义。虽然微流控芯片上进行单细胞捕获、培养和分析是一个很好的平台，但是目前尚未有利用微流控技术实现多种细胞两种单细胞的分离捕获和多种细胞单个细胞间相互作用的研究。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种微流控芯片及其设计方法和应用，该微流控芯片结构微型化、成本低、适用性高，能够实现单细胞的捕获和培养并研究两种细胞间的相互作用，能够揭示一定的细胞间相互作用机制。解决了上述
技术介绍
中两种单细胞的分离捕获的问题，还解决了多种细胞单个细胞间相互作用的研究问题。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：为单细胞捕获和研究细胞间相互作用，提供了一种微流控芯片，由聚二甲基硅氧烷片和雕刻有通道的基底键合而成，所述通道包括主通道、捕获单元和窄通道；所述主通道用于传输细胞和细胞培养基，包括并排设置的第一主通道和第二主通道；所述第一主通道和第二主通道的侧壁上相向且间隔设置有若干捕获单元，所述捕获单元用于单细胞的捕获和培养；所述窄通道用于连通第一主通道的捕获单元和第二主通道对应位置的捕获单元，形成捕获后单细胞间的交流通路并阻止被捕获的单细胞流入对侧主通道。在本专利技术一较佳实施例中，所述捕获单元的宽度由主通道向窄通道减小，当一侧细胞进去捕获单元后，窄通道相当于一个阀门。在本专利技术一较佳实施例中，所述捕获单元的剖面形状为半椭圆形或三角形。本专利技术采用一种流体流线与捕获细胞位置关系的方法，通过流线的方向可以引导细胞在捕获单元的位置，从而影响下一次细胞流动的情况。在不改变主通道长度、宽度，间隙处宽度、长度，捕获单元长度、宽度的情况下，改变捕获单元的形状，查看对细胞捕获位置的影响。在本专利技术一较佳实施例中，所述主通道的宽度为20～40μm，同一主通道上捕获单元的间隔距离为100～200μm，捕获单元的入口尺寸为20～35μm，窄通道宽度为2～10μm，窄通道长度为5～10μm，所述通道的高度为20～40μm。在本专利技术一较佳实施例中，所述主通道宽度为30μm，同一主通道上捕获单元的间隔距离为150μm，捕获单元的入口尺寸为25μm，窄通道宽度为5μm，窄通道长度为6μm，所述通道的高度为25μm。本专利技术还提供了上述一种微流控芯片的设计方法，包括如下步骤：1)利用“流阻最小路径”原则，通道中流体的流动通常在低雷诺系数(Re)下发生，对于没有落差和阻碍物的矩形通道层流时，阻力计算公式为其中，μ为流体的粘度，Q为流量，Q＝V×A，V为流速，A为通道的横截面积，L、w、h分别为通道的长宽高，α是与宽高比有关的无量纲参数，2)计算压降△P：对于捕获单元的阻力，近似计算为矩形阻力；流体经过第一主通道和窄通道的压降，其中P0表示窄通道，P1表示第一主通道流体经过窄通道和第二主通道的压降，其中P2表示第二主通道3)由于窄通道的高度大于宽度，将公式④的高度h和宽度w对换，得到如下公式4)当第一主通道和第二主通道的压降相同时，Q捕获单元＝Q窄通道⑧；5)代入数值计算，并根据待捕获的细胞大小设计通道尺寸。本专利技术还提供了上述的一种微流控芯片在单细胞捕获中的应用。在本专利技术一较佳实施例中，所述应用为两种细胞中单细胞捕获，在第一主通道内进行第一种细胞的单细胞捕获，将捕获的细胞进行培养贴壁后，再进行第二主通道的第二种细胞的单细胞捕获。本专利技术采用一种三维建模模拟细胞运动情况的方法：利用COMSOL软件中的粒子追踪模块，构建细胞模型模拟其在微通道中的流动，并且提出需要将捕获好的一侧细胞进行培养使其贴壁后，才可进行另一侧细胞的捕获。细胞悬浮时，细胞的体积相当于一个微阀，大部分流体从细胞上方流过，相当于窄通道的高度发生了变化，此时而一侧捕获的细胞进行培养贴壁后，H有效高度增加，此时可实现另一侧的细胞捕获。为芯片的制作提供了更加可靠的依据。在本专利技术一较佳实施例中，所述应用为研究细胞间相互作用，在第一主通道和第二主通道均进行单细胞的捕获，细胞产生的细胞因子通过扩散作用进行互相传递，进而实现细胞间相互作用的研究。在本专利技术一较佳实施例中，将利用COMSOL软件中的粒子追踪模块，对微流控芯片进行三维建模模拟细胞运动情况；或利用COMSOL软件中的稀物质传递模块，模拟微流控芯片捕获的细胞之间的信号传递情况。本专利技术的用于单细胞捕获和研究细胞间相互作用的微流控芯片展示了一些显著的优点，包括：制作简单，易于操作，所用材料生物兼容性好，细胞培养条件接近本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微流控芯片，由聚二甲基硅氧烷片和雕刻有通道的基底键合而成，其特征在于：所述通道包括主通道、捕获单元和窄通道；/n所述主通道用于传输细胞和细胞培养基，包括并排设置的第一主通道和第二主通道；所述第一主通道和第二主通道的侧壁上相向且间隔设置有若干捕获单元，所述捕获单元用于单细胞的捕获和培养；所述窄通道用于连通第一主通道的捕获单元和第二主通道对应位置的捕获单元，形成捕获后单细胞间的交流通路并阻止被捕获的单细胞流入对侧主通道。/n

【技术特征摘要】
1.一种微流控芯片，由聚二甲基硅氧烷片和雕刻有通道的基底键合而成，其特征在于：所述通道包括主通道、捕获单元和窄通道；
所述主通道用于传输细胞和细胞培养基，包括并排设置的第一主通道和第二主通道；所述第一主通道和第二主通道的侧壁上相向且间隔设置有若干捕获单元，所述捕获单元用于单细胞的捕获和培养；所述窄通道用于连通第一主通道的捕获单元和第二主通道对应位置的捕获单元，形成捕获后单细胞间的交流通路并阻止被捕获的单细胞流入对侧主通道。


2.根据权利要求1所述的一种微流控芯片，其特征在于：所述捕获单元的宽度由主通道向窄通道减小。


3.根据权利要求2所述的一种微流控芯片，其特征在于：所述捕获单元的剖面形状为半椭圆形或三角形。


4.根据权利要求1所述的一种微流控芯片，其特征在于：所述主通道的宽度为20～40μm，同一主通道上捕获单元的间隔距离为100～200μm，捕获单元的入口尺寸为20～35μm，窄通道宽度为2～10μm，窄通道长度为5～10μm，所述通道的高度为20～40μm。


5.根据权利要求1所述的一种微流控芯片，其特征在于：所述主通道宽度为30μm，同一主通道上捕获单元的间隔距离为150μm，捕获单元的入口尺寸为25μm，窄通道宽度为5μm，窄通道长度为6μm，所述通道的高度为25μm。


6.如权利要求1～5任一项所述的一种微流控芯片的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)利用“流阻最小路径”原则，通道中流体的流动通常在低雷诺系数(Re)下发生，对于没有落差和阻碍物的矩形通道层流时，阻力计算公式为



其中，μ为流体...

【专利技术属性】
技术研发人员：林雪霞，宿建龙，
申请(专利权)人：华侨大学，
类型：发明
国别省市：福建;35