專利名稱：一種用于微流通道的除氣泡裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于微流通道的除氣泡裝置及其應(yīng)用。
背景技術(shù)：
細(xì)胞生物學(xué)微納分析體系是近年來發(fā)展起來的新一代細(xì)胞培養(yǎng)和分析體系，是細(xì)胞粘附、分化、增殖行為以及細(xì)胞間相互作用研究的重要平臺(tái)，為研究細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能以及細(xì)胞間相互作用提供前所未有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。聚二甲基硅氧烷(PDMS)是一種具有極好透明性、低細(xì)胞毒性、透氣性的聚合物， 以PDMS和玻片為基材的微流控芯片已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于細(xì)胞微納分析，比如，干細(xì)胞的分化、神經(jīng)細(xì)胞神經(jīng)肽的分泌、單細(xì)胞鈣釋放及抑制等。然而，在微流芯片培養(yǎng)細(xì)胞面臨許多問題，包括細(xì)菌污染、液體滲漏、管道堵塞以及氣泡的聚集等。大多數(shù)的問題可以通過仔細(xì)操作以及材料的篩選等方法加以減少或避免，然而，氣泡的聚集卻是微流控體系中經(jīng)常發(fā)生且極難避免的一個(gè)問題。氣泡通常發(fā)生在導(dǎo)管和微流孔道對(duì)接時(shí)或是在微流芯片在培養(yǎng)箱和顯微鏡之間轉(zhuǎn)換時(shí)產(chǎn)生。此外，微流管道小尺度下液體的表面張力較大以及微流孔道內(nèi)外的壓力差等因素也經(jīng)常導(dǎo)致溶解在液體中的氣體逸出而形成氣泡。氣泡不但可以引起微流管道里的層流紊亂，而且具有很強(qiáng)的細(xì)胞毒性。氣液界面的巨大張力差可以破壞細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)、嚴(yán)重影響細(xì)胞的功能，并且常常把粘附在管道基底的細(xì)胞徹底沖走，從而引起實(shí)驗(yàn)失敗。因此，氣泡問題已經(jīng)成為長期阻礙細(xì)胞生物學(xué)微納分析的一大障礙。目前，國外已經(jīng)有人關(guān)注這個(gè)問題并且提出了一些解決方案，例如超聲法、疏水膜除氣法以及半透膜過濾法等，可以在一定程度上去除微流管道中的氣泡，但同時(shí)也會(huì)帶來細(xì)胞毒性，因此不適合于細(xì)胞生物學(xué)研究。Kang等(Lab on a Chip，2008，8，176-178)利用正壓將氣泡通過PDMS從微流管道排出，但是該方法的缺點(diǎn)是需要中斷正在進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)， 并且細(xì)胞需要直接暴露在高壓下，有潛在的細(xì)胞毒性。Skelley等(Lab on a Chip, 2008, 8,1733-1737)設(shè)計(jì)的裝置是將氣泡捕獲和排除的單元整合在一起，在不影響液流的情況下將氣泡通過PDMS膜排出。然而，該設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)是需要外接抽真空設(shè)備，并且排除氣泡的速度比較慢，容易引起氣泡在通道內(nèi)的聚集。Sung等(Biomed. Microdevices, 2009,11, 731-738)最近發(fā)明了一種裝置，由上下兩層PDMS模塊組成，上面的模塊可以過濾和捕獲小于一定尺寸的氣泡，而下面的模塊可以通過正常無氣泡的液流，他們的裝置可以允許細(xì)胞在無氣泡狀態(tài)下培養(yǎng)4天左右。然而，該裝置的正常運(yùn)行仍然需要短時(shí)間的實(shí)驗(yàn)中斷和利用外接的抽真空設(shè)備除氣，會(huì)對(duì)細(xì)胞和實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生潛在的影響。因此，到目前為止，還沒有一種簡(jiǎn)單、有效、穩(wěn)定的除氣泡裝置可用來解決微流管道的氣泡問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，克服目前微流控系統(tǒng)除氣泡方法的缺點(diǎn)，如去除氣泡速度慢、需中斷液流以及裝置制作和實(shí)驗(yàn)操作復(fù)雜等缺點(diǎn)，提供一種簡(jiǎn)單、高效、經(jīng)濟(jì)、適用和穩(wěn)定的除氣泡裝置，解決長期困擾微流控細(xì)胞培養(yǎng)和分析實(shí)驗(yàn)的實(shí)際問題。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明提供了一種用于微流通道的除氣泡裝置，其包括位于微流通道液體入口處的腔體，用于緩沖液體和捕捉氣泡；和與腔體上部開口相連的氣泡引流旁路，用于排除腔體捕捉的氣泡。優(yōu)選地，所述氣泡引流旁路包括兩個(gè)旁路管和一條旁路通道，其中兩個(gè)旁路管分別位于旁路通道的兩端，一個(gè)旁路管用于連接旁路通道與腔體，另一個(gè)旁路管用于排除氣泡。優(yōu)選地，所述連接旁路通道與腔體的旁路管為拱形，可以避免氣泡直接進(jìn)入旁路通道，并且起到破碎氣泡的作用；更優(yōu)選地，所述旁路管的直徑為0. 5 1. 0毫米。優(yōu)選地，所述用于排除氣泡的旁路管不與旁路通道連接的一端末端由濾膜封閉； 優(yōu)選地，所述濾膜的孔徑為0. 2微米；更優(yōu)選地，所述旁路管的直徑為0. 5 1. 0毫米。優(yōu)選地，所述微流通道液體入口處位于腔體的最下部。優(yōu)選地，所述腔體側(cè)壁中部連接有液體輸入管，所述微流通道末端連接有液體輸出管；更優(yōu)選地，所述液體輸入管和液體輸出管的直徑為0. 5 1. 0毫米，優(yōu)選為0. 5毫米。優(yōu)選地，所述腔體為圓柱形，一方面有利于流體運(yùn)動(dòng)，并且更容易加工，直徑為 3 5毫米，高為3 5毫米。優(yōu)選地，所述微流通道的寬度為0. 1 1毫米，高度為0. 1 0. 5毫米，長度為 10 20毫米；更優(yōu)選地，所述微流通道的截面為長方形或正方形。優(yōu)選地，所述旁路通道的尺寸與微流通道相同，若有液體從連接腔體和旁路通道的旁路管溢出時(shí)，可以有效地平衡液流壓力，繼續(xù)維持旁路的工作。優(yōu)選地，所述旁路通道與微流通道平行。此外，本發(fā)明還提供了上述除氣泡裝置在微流控芯片中的應(yīng)用。優(yōu)選地，所述微流控芯片實(shí)驗(yàn)包括流體剪切力細(xì)胞實(shí)驗(yàn)、蛋白質(zhì)免疫檢測(cè)實(shí)驗(yàn)、核酸生化檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，本發(fā)明提供的一體化微流通道捕捉和排除氣泡裝置的結(jié)構(gòu)示意圖參見圖1，具體包括1)液體輸入管路，位于整個(gè)微流系統(tǒng)的最前面，由內(nèi)徑為0. 5毫米外徑為0. 8毫米的聚乙烯(PE)管經(jīng)孔接入PDMS模塊內(nèi)的氣泡捕捉腔體的中部，液體可經(jīng)該管路流入氣泡捕捉腔體。2)液體緩沖和氣泡捕捉腔體，是內(nèi)建在PDMS模塊的圓柱形空腔，直徑為5毫米， 高為5毫米。其上部由PDMS密封，下部由玻璃基片密封。該孔有三個(gè)開口，一為液體輸入孔，位于一側(cè)腔體側(cè)壁的中部；另一個(gè)孔為微流通道的開口處，通向微流管道，位于液體輸入孔對(duì)面腔體側(cè)壁的最下方；還有一個(gè)氣泡引流孔，位于腔體最上方的中部，通向氣泡引流旁路。3)微流通道部分，該部分是由帶凹槽的PDMS模塊和玻璃基片封閉形成的長管孔道，其中玻璃表面為通道的基底，上面粘附和培養(yǎng)細(xì)胞，PDMS模塊為微流通道的兩壁及頂部。4)氣泡引流旁路，該旁路由三部分組成，一是引流聚乙烯管，開口于液體緩沖和氣泡捕捉腔體的正上方，該管呈拱形，先向上然后彎下到達(dá)微流通道的側(cè)方，然后和平行于微流通道的另一個(gè)旁路通道相連，而旁路通道的另一端和另一段直立向上的聚乙烯管相連， 后者的末端由0.2微米孔徑的濾膜封閉。該濾膜的作用為1)及時(shí)排出氣泡，2)自由交換氣體，和3)阻止細(xì)菌的侵入。5)液體輸出管路，位于整個(gè)微流系統(tǒng)的最末端，由內(nèi)徑為0. 5毫米外徑為0. 8毫米的聚乙烯管經(jīng)孔接入PDMS模塊內(nèi)微流通道的末端，液體可經(jīng)該管路流走。本發(fā)明提供的一體化微流通道捕捉和排除氣泡裝置的功能實(shí)現(xiàn)過程詳述如下。攜帶氣泡的液體在泵的推動(dòng)下首先通過液體輸入管路進(jìn)入液體緩沖和氣泡捕捉腔體，由于氣泡的比重小，浮力導(dǎo)致氣泡上升到腔體的內(nèi)上方，另外，在腔體內(nèi)的液體中析出的氣體也上升到達(dá)腔體的內(nèi)上方，而氣泡引流旁路的開口正好位于腔體的最上方，氣泡可以進(jìn)入并經(jīng)由氣泡引流旁路經(jīng)最后的濾膜排出到大氣中。在此過程中，開口于液體緩沖和氣泡捕捉腔體以及氣泡收集腔體最下方的微流通道則由于氣泡上浮的原理始終沒有氣泡的進(jìn)入，液體通過微流通道經(jīng)液體輸出管路排走。因此，本發(fā)明提供的裝置在不影響微流通道內(nèi)細(xì)胞實(shí)驗(yàn)的條件下實(shí)現(xiàn)氣泡的有效排除，保證微流系統(tǒng)連續(xù)正常的工作。由此可見，本發(fā)明在PDMS微流通道的開口處設(shè)氣泡捕捉腔，微流通道的開口位于氣泡捕捉腔的底部，液體輸入管開口于氣泡捕捉腔側(cè)壁的中部，在氣泡捕捉腔的頂部連接聚乙烯氣泡排出管，該管連接另一和微流通道平行且尺寸相同的PDMS微流通道，后者的另一端連接另一根聚乙烯管，該管的末端以0. 2微米的微孔濾膜封閉。氣泡捕捉腔可以是圓柱體形，上下為兩圓平面，直徑為3-5毫米，高度為3-5毫米。所有的接口處都用PDMS固化封閉防滲漏微流控芯片的發(fā)明使得許多細(xì)胞實(shí)驗(yàn)和生化、免疫檢測(cè)得以在一個(gè)芯片上完成， 是未來細(xì)胞生物學(xué)研究和生化免疫檢測(cè)發(fā)展的一個(gè)重要方向。本發(fā)明解決了影響微流控芯片最主要障礙之一的氣泡問題，為微流控芯片的穩(wěn)定、高效使用提供了解決方案。因此，本發(fā)明的應(yīng)用前景十分廣闊，適用于一切在微流控芯片中需要無氣泡干擾的流體剪切力細(xì)胞實(shí)驗(yàn)以及蛋白質(zhì)、核酸生化、免疫微流芯片檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。具體而言，本發(fā)明提供的一體化微流通道捕捉和排除氣泡裝置具備以下有益效果1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高度整合、體積輕巧、制作容易，無需外部裝置支持。2)對(duì)微流通道內(nèi)的正常液流無影響(無壓力變化、不中斷液流)，保證細(xì)胞的正常狀態(tài)和功能。 3)除氣泡效率高，捕捉和排除氣泡同時(shí)進(jìn)行。4)長時(shí)間穩(wěn)定工作，適合細(xì)胞長期培養(yǎng)。


以下，結(jié)合附圖來詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施方案，其中圖1顯示本發(fā)明提供裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，其中附圖標(biāo)記所代表部件的說明如下1 玻片；2 ；PDMS模塊；3 微流通道；4 液體輸入管；5 ；液體輸出管；6 氣泡捕捉腔體；7/7’ 旁路管；8 旁路通道；9 濾膜。圖2顯示配備了本發(fā)明圖1所示裝置的微流通道內(nèi)在有細(xì)胞和無細(xì)胞狀態(tài)下的運(yùn)行狀態(tài)，其中A)是M小時(shí)連續(xù)原位觀察細(xì)胞培養(yǎng)基流過通道內(nèi)的情況；B)是M小時(shí)連續(xù)原位觀察細(xì)胞培養(yǎng)基流過培養(yǎng)有細(xì)胞的通道內(nèi)的情況。圖3顯示本發(fā)明提供裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，以及配備了該裝置的彎曲微流通道內(nèi)細(xì)胞在流體連續(xù)沖刷10天后染色的情況，其中A)是在彎曲通道的直段細(xì)胞的相差圖，B)是對(duì)應(yīng)A)的熒光染色圖；C)是在彎曲通道的曲部細(xì)胞的相差圖，D)是對(duì)應(yīng)C)的熒光染色圖。
具體實(shí)施例方式以下參照具體的實(shí)施例來說明本發(fā)明。本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解，這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明，其不以任何方式限制本發(fā)明的范圍。實(shí)施例1本實(shí)施例具體將本發(fā)明提供的除氣泡裝置應(yīng)用于微流通道內(nèi)，檢測(cè)其除氣泡效果及對(duì)微流通道內(nèi)培養(yǎng)的細(xì)胞是否影響。具體參見圖2，將圖1所示結(jié)構(gòu)的除氣泡裝置應(yīng)用于微流通道內(nèi)，在有細(xì)胞和無細(xì)胞狀態(tài)下的運(yùn)行狀態(tài)，其中A)是M小時(shí)連續(xù)原位觀察細(xì)胞培養(yǎng)基流過通道內(nèi)的情況，可以看到，在整個(gè)過程中沒有氣泡的出現(xiàn)。B)是M小時(shí)連續(xù)原位觀察細(xì)胞培養(yǎng)基流過培養(yǎng)有細(xì)胞的通道內(nèi)的情況，可以看出，在整個(gè)過程中沒有任何氣泡出現(xiàn)，細(xì)胞的狀態(tài)保持良好。圖3示出了配備本發(fā)明裝置的彎曲微流通道內(nèi)細(xì)胞在流體連續(xù)沖刷10天后染色的情況，其中A)是在彎曲通道的直段細(xì)胞的相差圖，B)是對(duì)應(yīng)A)的熒光染色圖，可以看出， 細(xì)胞在通道內(nèi)培養(yǎng)10天后狀態(tài)非常好。C)是在彎曲通道的曲部細(xì)胞的相差圖，D)是對(duì)應(yīng) C)的熒光染色圖，可以看出細(xì)胞在通道內(nèi)大量增殖，狀態(tài)良好。可見，采用本發(fā)明提供的除氣泡裝置，能夠有效解決微流控芯片實(shí)驗(yàn)以及應(yīng)用中出現(xiàn)的氣泡問題，保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果或應(yīng)用不受氣泡的影響。
權(quán)利要求
1.一種用于微流通道的除氣泡裝置，其包括位于微流通道液體入口處的腔體，用于緩沖液體和捕捉氣泡；和與腔體上部開口相連的氣泡引流旁路，用于排除腔體捕捉的氣泡。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的除氣泡裝置，其特征在于，所述氣泡引流旁路包括兩個(gè)旁路管和一條旁路通道，其中兩個(gè)旁路管分別位于旁路通道的兩端，一個(gè)旁路管用于連接旁路通道與腔體，另一個(gè)旁路管用于排除氣泡。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的除氣泡裝置，其特征在于，所述連接旁路通道與腔體的旁路管為拱形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的除氣泡裝置，其特征在于，所述用于排除氣泡的旁路管不與旁路通道連接的一端末端由濾膜封閉；優(yōu)選地，所述濾膜的孔徑為0. 2微米。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的除氣泡裝置，其特征在于，所述旁路管的直徑為 0. 5-1. 0 毫米。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的除氣泡裝置，其特征在于，所述微流通道液體入口處位于腔體的最下部。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的除氣泡裝置，其特征在于，所述腔體側(cè)壁中部連接有液體輸入管，所述微流通道末端連接有液體輸出管；優(yōu)選地，所述液體輸入管和液體輸出管的直徑為0.5 1.0毫米。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的除氣泡裝置，其特征在于，所述腔體為圓柱形， 直徑為3 5毫米，高為3 5毫米。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的除氣泡裝置，其特征在于，所述旁路通道的尺寸與微流通道相同；優(yōu)選地，所述微流通道的寬度為0. 1 1. 0毫米，高度為0. 1 0. 5毫米，長度為10 20毫米；更優(yōu)選地，所述旁路通道與微流通道平行。
10.權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的除氣泡裝置在微流控芯片中的應(yīng)用；優(yōu)選地，所述微流控芯片實(shí)驗(yàn)包括流體剪切力細(xì)胞實(shí)驗(yàn)、蛋白質(zhì)免疫檢測(cè)實(shí)驗(yàn)、核酸生化檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于微流通道的除氣泡裝置。本發(fā)明提供的除氣泡裝置，包括位于微流通道液體入口處的腔體，用于緩沖液體和捕捉氣泡；和與腔體上部開口相連的氣泡引流旁路，用于排除腔體捕捉的氣泡，并且所述氣泡引流旁路包括兩個(gè)旁路管和一條旁路通道，其中旁路通道與微流通道平行，兩個(gè)旁路管分別位于旁路通道的兩端，一個(gè)旁路管用于連接旁路通道與腔體，另一個(gè)旁路管用于排除氣泡。本發(fā)明提供的除氣泡裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高度整合、無需外部裝置支持，并且對(duì)微流通道內(nèi)的正常液流無影響，適用于一切在微流控芯片中需要無氣泡干擾的流體剪切力細(xì)胞實(shí)驗(yàn)以及蛋白質(zhì)、核酸生化、免疫微流芯片檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。
文檔編號(hào)C12M1/00GK102373153SQ20101025693
公開日2012年3月14日 申請(qǐng)日期2010年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月18日
發(fā)明者張偉, 王卓, 蔣興宇, 鄭文富 申請(qǐng)人:國家納米科學(xué)中心