專利名稱：一種可機(jī)械拉伸的微流控芯片細(xì)胞培養(yǎng)裝置及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可機(jī)械拉伸的微流控芯片細(xì)胞培養(yǎng)裝置及其應(yīng)用，屬于芯片實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)中的細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
細(xì)胞培養(yǎng)是生物與健康相關(guān)研究領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù)。隨著生命科學(xué)的迅速發(fā)展，目前細(xì)胞培養(yǎng)已成為細(xì)胞生物學(xué)、分子生物學(xué)、遺傳學(xué)和免疫學(xué)等學(xué)科研究的重要基礎(chǔ)。為了深入探討細(xì)胞的生長活動(dòng)規(guī)律、有關(guān)疾病的病理和藥物的藥理(毒理)機(jī)制，開發(fā)具有不同針對(duì)性的細(xì)胞培養(yǎng)方法具有重要意義。當(dāng)前，細(xì)胞培養(yǎng)廣泛使用各種培養(yǎng)瓶(皿)，局限于單一靜態(tài)培養(yǎng)環(huán)境。然而，在正常生理?xiàng)l件下，細(xì)胞往往處于復(fù)雜的力學(xué)環(huán)境當(dāng)中，諸如骨細(xì)胞、心肌細(xì)胞以及血管內(nèi)皮細(xì)胞等，這些細(xì)胞在生長過程中受到一些物理因素的影響如:流體剪切力、機(jī)械拉伸力和液體壓力等。在常規(guī)細(xì)胞培養(yǎng)條件下，此類細(xì)胞的真實(shí)生長環(huán)境無法模擬。因此，需要開發(fā)新的細(xì)胞培養(yǎng)方法提供與體內(nèi)細(xì)胞生長近似的微環(huán)境，較為真實(shí)地反映細(xì)胞的生長情況。目前，對(duì)細(xì)胞的機(jī)械拉伸力作用通常是借助細(xì)胞粘附的基底材料發(fā)生形變而產(chǎn)生的機(jī)械力而實(shí)現(xiàn)，其中多數(shù)采用彈性膜為基底材料，通過液體或氣體產(chǎn)生的壓力使基底膜變形而拉伸細(xì)胞，對(duì)細(xì)胞進(jìn)行刺激。例如，有一種四點(diǎn)彎曲加載的方法，是將細(xì)胞直接接種在可變形的彈性板上，通過機(jī)械裝置對(duì)彈性板加載，使細(xì)胞受載，但其加載頻率不能太高，以忽略基底應(yīng)變帶來的剪切力作用。以上整個(gè)系統(tǒng)需要?jiǎng)恿虞d單元，細(xì)胞培養(yǎng)單元和電路控制系統(tǒng)三部分，其機(jī)械部分體積較大，細(xì)胞培養(yǎng)單元必須置于專門的細(xì)胞培養(yǎng)設(shè)備中(Owan, 1.;Burr, D.B.; Turner, C.H.;Qiu, J.;Tu, Y.; Onyia, J.E.;Duncan, R.L.American Journal of Physiology-Cell Physiologyl997,273, C810.Meazzini, M.;Toma, C.;Schaffef, J.;Gray, M.; Gerstenfeld, L.Journal of orthopaedicresearch2005, 16, 170.)。另外,還有一種加載裝置,通過圓形空心壓頭下壓彈性聚丙烯酰胺凝膠，從而使其產(chǎn)生均勻穩(wěn)定的等雙軸變形從而拉伸細(xì)胞，考察拉伸應(yīng)變對(duì)平滑肌細(xì)胞的液化和固化的影響(Chen, C.;Krishnan, R.; Zhou, E.; Ramachandran, A.; Tambe, D.; Rajendran, K.; Adam, R.Μ.;Deng, L.;Fredberg, J.J.PloS one2010, 5, el2035.)，但是以上這些對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生機(jī)械拉伸應(yīng)力的裝置比較復(fù)雜、操作困難，不易推廣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種可機(jī)械拉伸的微流控芯片細(xì)胞培養(yǎng)裝置及其應(yīng)用，利用微量注射泵控制所述微通道內(nèi)的液體流量，進(jìn)而控制細(xì)胞粘附的基底材料(PDMS，聚二甲基硅氧烷)應(yīng)變量，實(shí)現(xiàn)在微流控芯片條件下，為細(xì)胞提供一個(gè)具有機(jī)械拉伸作用的生長環(huán)境，以此建立一種便捷、可靠、低成本的微流控芯片加載機(jī)械應(yīng)力的細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)。本發(fā)明所提供的一種可機(jī)械拉伸的微流控芯片細(xì)胞培養(yǎng)裝置，包括依次疊加在一起的細(xì)胞培養(yǎng)層、PDMS薄膜和液體流量控制層；所述液體流量控制層上設(shè)有至少I條微通道；所述微通道上設(shè)有至少I個(gè)腔室，所述腔室的高度與所述微通道的高度相等；所述細(xì)胞培養(yǎng)層上設(shè)有與所述腔室數(shù)量相等的細(xì)胞培養(yǎng)池，所述細(xì)胞培養(yǎng)池的底部為所述PDMS薄膜，所述細(xì)胞培養(yǎng)池與所述腔室的形狀相同；在沿所述液體流量控制層至所述細(xì)胞培養(yǎng)層的方向上，所述細(xì)胞培養(yǎng)池與所述腔室的位置相應(yīng)；所述微通道的入口和出口均依次穿過所述PDMS薄膜和所述細(xì)胞培養(yǎng)層與外界相連通。上述的細(xì)胞培養(yǎng)裝置，所述液體流量控制層的材質(zhì)可為PDMS，所述微通道的入口和出口端連接微注射泵，利用微注射泵控制液體流量的大小、頻率和時(shí)間。當(dāng)向所述微通道里灌注液體時(shí)，所述PDMS薄膜受到液壓向上的作用，發(fā)生凸起的形變，這樣，就達(dá)到了為粘附在PDMS薄膜上的細(xì)胞施加機(jī)械拉伸應(yīng)力的目的，如圖3所示；所述細(xì)胞培養(yǎng)層的材質(zhì)可為PDMS，制作時(shí)，所述細(xì)胞培養(yǎng)層可通過模塑法先制作出PDMS模版，再按照模版打孔得到；所述細(xì)胞培養(yǎng)層規(guī)劃了細(xì)胞生長區(qū)域，也提供了細(xì)胞生長空間。上述的細(xì)胞培養(yǎng)裝置，所述細(xì)胞培養(yǎng)池可為開放圓柱體形，所述開放圓柱體形的設(shè)計(jì)，一方面簡化有關(guān)參數(shù)的計(jì)算，另一方面便于細(xì)胞培養(yǎng)液和其它試液的加入和更換。上述的細(xì)胞培養(yǎng)裝置，所述細(xì)胞培養(yǎng)池的直徑可為0.Γ0.6cm ；所述腔室的直徑可比所述細(xì)胞培養(yǎng)池的直徑大0.3mnT0.5mm，在制作過程中，在將所述細(xì)胞培養(yǎng)層與所述液體流量控制層進(jìn)行密封時(shí)，防止所述細(xì)胞培養(yǎng)池與所述腔室位置的偏差，影響所述細(xì)胞培養(yǎng)裝置的制作精度。上述的細(xì)胞培養(yǎng)裝置，所述微通道設(shè)有若干個(gè)所述腔室，相鄰所述腔室之間的距離可為 0.5^1.0cm。上述的細(xì)胞培養(yǎng)裝置，所述微通道的高度可為45 55 μ m，寬度可為200 500 μ m。上述的細(xì)胞培養(yǎng)裝置，所述PDMS薄膜的厚度可為8(Γ100 μ m，可以根據(jù)勻膠旋涂儀的轉(zhuǎn)速和時(shí)間進(jìn)行控制。上述的細(xì)胞培養(yǎng)裝置，所述細(xì)胞培養(yǎng)層和所述液體流量控制層的厚度均可為0.3^0.5cm。上述的細(xì)胞培養(yǎng)裝置，所述液體流量控制層可設(shè)有若干條所述微通道，所述微通道之間可為串聯(lián)連通或并聯(lián)連通，如圖4所示。本發(fā)明提供的細(xì)胞培養(yǎng)裝置可用于機(jī)械拉伸對(duì)細(xì)胞的作用進(jìn)行分析。所述裝置應(yīng)用原理基于以下假設(shè):當(dāng)所述腔室內(nèi)的液體將中層所述PDMS薄膜頂起的時(shí)候，由于液壓是均勻分布的，可以近似認(rèn)為形成一個(gè)球面，如圖5所示。這樣，流量與應(yīng)變之間的關(guān)系，就可以根據(jù)球缺體積計(jì)算公式、形成球冠面積(施壓狀態(tài))、基底膜的面積(無壓狀態(tài))和其它已知量之間的幾何關(guān)系推導(dǎo)得出如下公式1、公式2和公式3，而且在一定的范圍內(nèi)，可以將膜的應(yīng)變視為與膜的厚度，以及PDMS本身的楊氏模量無關(guān)。所述流量與應(yīng)變(ε )間的關(guān)系，對(duì)單個(gè)腔室而言:
權(quán)利要求
1.一種可機(jī)械拉伸的微流控芯片細(xì)胞培養(yǎng)裝置，其特征在于:所述細(xì)胞培養(yǎng)裝置包括依次疊加在一起的細(xì)胞培養(yǎng)層、PDMS薄膜和液體流量控制層； 所述液體流量控制層上設(shè)有至少I條微通道；所述微通道上設(shè)有至少I個(gè)腔室，所述腔室的高度與所述微通道的高度相等； 所述細(xì)胞培養(yǎng)層上設(shè)有與所述腔室數(shù)量相等的細(xì)胞培養(yǎng)池，所述細(xì)胞培養(yǎng)池的底部為所述PDMS薄膜，所述細(xì)胞培養(yǎng)池與所述腔室的形狀相同； 在沿所述液體流量控制層至所述細(xì)胞培養(yǎng)層的方向上，所述細(xì)胞培養(yǎng)池與所述腔室的位置相應(yīng)； 所述微通道的入口和出口均依次穿過所述PDMS薄膜和所述細(xì)胞培養(yǎng)層與外界相連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的細(xì)胞培養(yǎng)裝置，其特征在于:所述液體流量控制層和所述細(xì)胞培養(yǎng)層的材質(zhì)為PDMS。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的細(xì)胞培養(yǎng)裝置，其特征在于:所述細(xì)胞培養(yǎng)池為圓柱體形。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的細(xì)胞培養(yǎng)裝置，其特征在于:所述細(xì)胞培養(yǎng)池的直徑為0.4^0.6cm ； 所述腔室的直徑比所述細(xì)胞培養(yǎng)池的直徑大0.3mnT0.5mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的細(xì)胞培養(yǎng)裝置，其特征在于:所述微通道設(shè)有若干個(gè)所述腔室，相鄰所述腔室之間的距離為0.5^1.0cm0
6.根據(jù)權(quán)利要求 1-5中任一項(xiàng)所述的細(xì)胞培養(yǎng)裝置，其特征在于:所述微通道的高度為45 55 μ m,寬度為200 500 μ m。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的細(xì)胞培養(yǎng)裝置，其特征在于:所述PDMS薄膜的厚度為80 100 μ m。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的細(xì)胞培養(yǎng)裝置，其特征在于:所述細(xì)胞培養(yǎng)層和所述液體流量控制層的厚度均為0.3^0.5cm。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的細(xì)胞培養(yǎng)裝置，其特征在于:所述液體流量控制層上設(shè)有若干條所述微通道，所述微通道之間為串聯(lián)連通或并聯(lián)連通。
10.權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)所述細(xì)胞培養(yǎng)裝置在機(jī)械拉伸對(duì)細(xì)胞活性影響的相關(guān)研究中的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種可機(jī)械拉伸的微流控芯片細(xì)胞培養(yǎng)裝置。所述細(xì)胞培養(yǎng)裝置包括依次疊加在一起的細(xì)胞培養(yǎng)層、PDMS薄膜和液體流量控制層；所述液體流量控制層上設(shè)有至少1條微通道；所述微通道上設(shè)有至少1個(gè)腔室，所述腔室的高度與所述微通道的高度相等；所述細(xì)胞培養(yǎng)層上設(shè)有與所述腔室數(shù)量相等的細(xì)胞培養(yǎng)池，所述細(xì)胞培養(yǎng)池的底部為所述PDMS薄膜，所述細(xì)胞培養(yǎng)池與所述腔室的形狀相同；在沿所述液體流量控制層至所述細(xì)胞培養(yǎng)層的方向上，所述細(xì)胞培養(yǎng)池與所述腔室的位置相應(yīng)；所述微通道的入口和出口均依次穿過所述PDMS薄膜和所述細(xì)胞培養(yǎng)層與外界相連通。本發(fā)明為研究細(xì)胞對(duì)機(jī)械拉伸力的響應(yīng)，提供了一種簡單、靈敏和可靠的微流控細(xì)胞培養(yǎng)裝置。
文檔編號(hào)C12M3/00GK103146576SQ20131004368
公開日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2013年2月4日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月4日
發(fā)明者丁永勝, 衛(wèi)元晨, 范蓓媛, 劉春彥 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院大學(xué)