一种微加工气体匹配层调制体超声波细胞组装和排列装置、制备方法及应用制造方法及图纸

本发明专利技术属于生物医学工程下属的组织工程和生物制造技术领域，尤其涉及一种微加工气体匹配层调制体超声波细胞组装和排列装置、制备方法及应用。本发明专利技术的微加工气体匹配层调制体超声波细胞组装和排列的方法及其装置，通过加工声学匹配层微图案结构对超声换能器产生的声场进行调制，在细胞组装腔室中对细胞进行组装和任意排列。这种装置首次利用软光刻技术加工声学匹配层来调制声场进行细胞组装，实现了更加灵活的体超声波声场样式，使其能够更加适合多样的生物研究和组织工程的细胞操控需求，具有巨大的应用前景和商业价值。具有巨大的应用前景和商业价值。具有巨大的应用前景和商业价值。

【技术实现步骤摘要】
一种微加工气体匹配层调制体超声波细胞组装和排列装置、制备方法及应用


[0001]本专利技术属于生物医学工程下属的组织工程和生物制造
，尤其涉及一种微加工气体匹配层调制体超声波细胞组装和排列装置、制备方法及应用。

技术介绍

[0002]在组织工程领域，细胞的有序组装和操控对于可控的细胞生长展现出越来越重要的作用，因为很多细胞的交流和功能实现都基于一定的形状结构信号，所以为了实现特定的组织功能并引导特定的分化方向，需要对细胞等样本按照特定的结构进行排列组装。传统的细胞排列方式大多是使用模具进行被动式的细胞溶液排列，这样的方式只能对细胞溶液进行排列，不能直接作用于更小尺寸的细胞，并且与细胞接触限制的基底会对细胞信息的传递和细胞生长都有着消极的影响，无法满足细胞排列的需求。
[0003]体超声波是一种在弹性固体内部传播的超声波，随着微机电和微流控技术的发展而得到越来越多的应用，其通过在压电晶体上产生特定频率的超声波，并耦合进入微流体之中，细胞等物质由于受到声辐射力的作用而移动聚集，从而实现细胞的组装和排列。体超声波能够对细胞进行精准、非接触式和无损伤的操控，在生物应用领域有着巨大的应用前景。
[0004]传统的体超声波细胞组装装置大多由两个金属电极连接一个压电陶瓷材料的超声换能器，细胞在声场中受到声辐射力作用聚集到声势阱中，从而能实现对细胞的操控排列。但其难以实现细胞的任意图案化，无法满足生物制造领域细胞紧密有序排列以及组织工程领域在体外构建宏观尺度人体微组织微器官的需求。

技术实现思路

>[0005]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种微加工气体匹配层调制体超声波细胞组装和排列装置、制备方法及应用，目的在于解决现有技术中的一部分问题或至少缓解现有技术中的一部分问题。
[0006]本专利技术是这样实现的，一种微加工气体匹配层调制体超声波细胞组装和排列装置，包括：任意波形函数发生器、超声换能器、微图案结构匹配层及细胞组装腔室；
[0007]所述任意波形函数发生器的两个电极分别与所述超声换能器的两个电极连接，所述微图案结构匹配层设于所述超声换能器的顶部，所述细胞组装腔室设于所述微图案结构匹配层的顶部；
[0008]所述微图案结构匹配层设有若干微通道，所述若干微通道呈规则或不规则分布，所述若干微通道的分布规则与细胞的目标排列方式对应。
[0009]任意波形函数发生器用于给超声换能器提供激励信号，且可以在一定范围内调节激励信号的频率、振幅和相位。超声换能器用于产生特定频率的声场，通过压电效应将高频电信号转换为高频声信号。超声换能器的两极均通过导线引出，导线与任意波形函数发生
器相连。细胞组装腔室用于容纳细胞溶液，细胞组装腔室底部设置有微图案结构的声学匹配层来调制声场，二者通过等离子键合连接到一起。当需要进行细胞组装排列时，任意波形函数发生器产生的射频信号传入超声换能器，超声换能器被激活产生体超声波通过声学匹配层传输到细胞组装腔室中，细胞溶液样本中的细胞在声场中受到声辐射力作用被聚集到声势阱当中，从而产生对应的结构图案，实现细胞的组装排列。
[0010]进一步地，微通道与微图案结构匹配层的其他结构区域通过气体和固体声阻抗不匹配来调制声场。
[0011]进一步地，所述固体为高聚物。
[0012]进一步地，所述固体为聚二甲基硅氧烷。
[0013]进一步地，所述微图案结构匹配层通过软光刻方法、3D打印方法或微加工激光雕刻方法中的任一种加工而成。
[0014]进一步地，所述超声换能器由三层聚甲基丙烯酸甲酯将压电陶瓷片封装而成，所述压电陶瓷片嵌设于第一层聚甲基丙烯酸甲酯中部，第二层聚甲基丙烯酸甲酯中部开设有与所述压电陶瓷片对应的通孔，第三层聚甲基丙烯酸甲酯为底座。
[0015]所述压电陶瓷片为压电陶瓷片用激光雕刻机加工后的三层特定高度的聚甲基丙烯酸甲酯对压电陶瓷片进行封装，底部的空气背衬层将压电陶瓷片双侧的声能集中到一侧，提高了声指向性和声能。
[0016]进一步地，所述微图案结构匹配层的制备方法包括以下步骤：
[0017]根据目标图案制作掩膜图案，通过软件将目标图案转化为二进制的螺旋化灰度图像；
[0018]将螺旋化灰度图像导入软件处理，得到螺旋化掩膜图案；
[0019]通过紫外光刻技术，将微图案显影于硅片，得到微图案的硅片模具；
[0020]在硅片模具上浇注未凝固的聚二甲基硅氧烷，加热使其凝固，切割清洗后得到微图案结构匹配层。微图案匹配层中，有图案的部分为气体层，没有图案的部分为PDMS层，两者的声阻抗不匹配导致不同的声场样式。
[0021]进一步地，压电陶瓷片的谐振频率为20k
‑
20MHz。
[0022]本专利技术还提供了利用上述的一种微加工气体匹配层调制体超声波细胞组装和排列装置进行细胞排列的方法，包括以下步骤：
[0023]根据细胞的目标排列方式，通过软光刻技术加工对应图案的微图案结构匹配层；
[0024]将微图案结构匹配层粘合于细胞培养腔室底部；
[0025]将微图案结构匹配层粘合于超声换能器顶部；
[0026]将细胞溶液注入细胞组装腔室中；
[0027]根据压电陶瓷片的谐振频率和工作电压调节频率和振幅，保持信号持续一定时间，细胞被聚集到驻波声场波节的地方，完成目标排列。
[0028]进一步地，利用超声耦合剂将微图案结构匹配层粘合于超声换能器顶部，保证超声耦合剂中无气泡。
[0029]进一步地，使用缓冲液重悬细胞得到细胞溶液。
[0030]本专利技术还提供了上述的一种微加工气体匹配层调制体超声波细胞组装排列方法、微加工气体匹配层调制体超声波细胞组装和排列装置在微结构组装排列中的应用。
[0031]进一步地，所述微结构包括微颗粒、细胞、水凝胶包裹的细胞、细胞球或微组织中的至少一种。
[0032]综上所述，本专利技术的优点及积极效果为：
[0033]本专利技术的微加工气体匹配层调制体超声波细胞组装和排列的方法及其装置，通过加工声学匹配层微图案结构对超声换能器产生的声场进行调制，在细胞组装腔室中对细胞进行组装和任意排列。这种装置首次利用软光刻技术加工声学匹配层来调制声场进行细胞组装，实现了更加灵活的体超声波声场样式，使其能够更加适合多样的生物研究和组织工程的细胞操控需求，具有巨大的应用前景和商业价值。
附图说明
[0034]图1是本专利技术实施例中微加工气体匹配层调制体超声波细胞组装和排列的装置示意图；
[0035]图2是本专利技术实施例中声学匹配层加工示意图；a：声学匹配层CAD设计；b：声学匹配层掩膜；c：声学匹配层细胞组装腔室；
[0036]图3是本专利技术实施例1中利用软光刻技术加工简单图案声学匹配层进行聚苯乙烯微球组装和排列的示意图；a：无声学匹配层组装前微球图案；b：无声学匹配层组装后微球图案；c：无声学匹配层组装后声压分布图；d：声学匹配层组装前微球图案；e：声学匹配层组装本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种微加工气体匹配层调制体超声波细胞组装和排列装置，其特征在于，包括：任意波形函数发生器、超声换能器、微图案结构匹配层及细胞组装腔室；所述任意波形函数发生器的两个电极分别与所述超声换能器的两个电极连接，所述微图案结构匹配层设于所述超声换能器的顶部，所述细胞组装腔室设于所述微图案结构匹配层的顶部；所述微图案结构匹配层设有若干气体微通道，所述若干微通道呈规则或不规则分布，所述若干微通道的分布规则与细胞的目标排列方式对应；微通道与微图案结构匹配层的其他结构区域的声阻抗不匹配导致产生不同的声场样式。2.根据权利要求1所述的一种微加工气体匹配层调制体超声波细胞组装和排列装置，其特征在于：微通道与微图案结构匹配层的其他结构区域通过气体和固体声阻抗不匹配来调制声场。3.根据权利要求2所述的一种微加工气体匹配层调制体超声波细胞组装和排列装置，其特征在于：所述固体为高聚物；进一步地，所述高聚物为聚二甲基硅氧烷。4.根据权利要求1所述的一种微加工气体匹配层调制体超声波细胞组装和排列装置，其特征在于：所述微图案结构匹配层通过软光刻方法、3D打印方法或微加工激光雕刻方法中的任一种加工而成。5.根据权利要求1所述的一种微加工气体匹配层调制体超声波细胞组装和排列装置，其特征在于：所述超声换能器由三层聚甲基丙烯酸甲酯将压电陶瓷片封装而成，所述压电陶瓷片嵌设于第一层聚甲基丙烯酸甲酯中部，第二层聚甲基丙烯酸甲酯中部开设有与所述压电陶瓷片对应的通孔，第三层聚甲基丙烯酸甲酯为底座。6.根据权利要求1所述的一种微加工气体匹配层调...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈璞，陈司晗，徐放，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：