一種微觀生物培養(yǎng)裝置及制作和使用方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微納米技術(shù)和三維生物結(jié)構(gòu)與器件技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種微觀生物培養(yǎng)裝置及制作和使用方法。
【背景技術(shù)】
[0002]三維微納米功能結(jié)構(gòu)在很多領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用，將其用于三維生物結(jié)構(gòu)與器件領(lǐng)域，使得人們能夠?qū)ι锛?xì)胞的培養(yǎng)以及癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移特性進(jìn)行進(jìn)一步地深入研宄。
[0003]分析癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)移過(guò)程，癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)移是一個(gè)三維的侵入過(guò)程，當(dāng)轉(zhuǎn)移細(xì)胞突破血管，它們就會(huì)通過(guò)血管并向遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移并侵入其它器官組織。當(dāng)侵入成功，新的侵入點(diǎn)就蛻變成了癌細(xì)胞新的棲息地。
[0004]文獻(xiàn)“Elastic3D Scaffolds: Elastic Fully Three-dimens1nalMicrostructure Scaffolds for Cell Force Measurements, Advanced Materials22836 (2010) ”提出了一種利用雙光子吸收三維激光直寫設(shè)備來(lái)加工各種三維微納結(jié)構(gòu)，進(jìn)而研宄癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)移過(guò)程的方案。該方案中，設(shè)計(jì)癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移三維模型，在體外環(huán)境模擬癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移過(guò)程，或者將不同的原始癌細(xì)胞從一個(gè)部位放入，研宄它們?cè)诓煌穆窂缴系姆敝撑c轉(zhuǎn)移，以及轉(zhuǎn)移細(xì)胞的數(shù)量及不同癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移數(shù)量的差異。然而，該方案中，癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移三維模型均屬于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)無(wú)法提供局域化液態(tài)環(huán)境，不利于研宄細(xì)胞在不同的營(yíng)養(yǎng)與酸堿度環(huán)境中的變化情況，無(wú)法滿足完全意義上的擬人體環(huán)境模擬。此外，三維激光直寫技術(shù)中，一般只能在可發(fā)生光聚合的材料上制備圖形，聚合物穩(wěn)定性較差，且容易與溶劑發(fā)生反應(yīng)，能承受的溫度范圍有限。因此，現(xiàn)有的基于雙光子吸收三維激光直寫設(shè)備制備的三維網(wǎng)狀三維微納結(jié)構(gòu)還不能同時(shí)滿足生體環(huán)境的高仿真性與多種環(huán)境兼容性的要求，并且也難以滿足生體環(huán)境對(duì)結(jié)構(gòu)熱力學(xué)穩(wěn)定性和極端環(huán)境的牢固性等方面的要求，也就是說(shuō)，現(xiàn)有的三維網(wǎng)狀微納結(jié)構(gòu)的生物細(xì)胞培養(yǎng)裝置難以滿足細(xì)胞及生物研宄中日益復(fù)雜的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]因此，本發(fā)明的任務(wù)是提供一種能夠克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷的基于三維微納米結(jié)構(gòu)的微觀生物培養(yǎng)裝置及制作和操作方法。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了一種微觀生物培養(yǎng)裝置，包括基底和采用三維激光直寫技術(shù)制作在基底之上的聚合物結(jié)構(gòu)，所述聚合物結(jié)構(gòu)包括具有頂部的注入容器，具有頂部的轉(zhuǎn)移容器以及將所述轉(zhuǎn)移容器和所述注入容器連通的連接管道，所述注入容器頂部留有通孔。
[0007]其中，所述注入容器頂部的通孔是樣品和液體注入所述聚合物結(jié)構(gòu)的唯一入口。
[0008]其中，所述基底包括襯底，制作在襯底上的微加熱器，以及制作在所述微加熱器之上的電絕緣層，所述微加熱器用于對(duì)所述注入容器，所述轉(zhuǎn)移容器和所述連接管道的溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)；所述微加熱器包括多個(gè)微加熱區(qū)，每個(gè)微加熱區(qū)分別對(duì)應(yīng)一個(gè)所述注入容器，所述轉(zhuǎn)移容器或者所述連接管道。
[0009]其中，所述注入容器和/或所述轉(zhuǎn)移容器中，在靠近所述連接管道處設(shè)置有用于模擬生物體內(nèi)組織的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。
[0010]其中，所述注入容器的高度低于所述轉(zhuǎn)移容器。
[0011]其中，所述轉(zhuǎn)移容器的數(shù)目至少為2，每個(gè)所述轉(zhuǎn)移容器均通過(guò)所述連接管道與所述注入容器連通并且每個(gè)所述轉(zhuǎn)移容器的高度各不相同。
[0012]本發(fā)明還提供了一種微觀生物培養(yǎng)裝置制備方法，包括下列步驟:
[0013]I)在基底涂覆負(fù)光刻膠，基于三維激光直寫技術(shù)基于預(yù)定的三維圖形在所述負(fù)光刻膠上進(jìn)行三維掃描，然后進(jìn)行顯影，定影，得到與預(yù)定的三維圖形一致的聚合物結(jié)構(gòu)，所述聚合物結(jié)構(gòu)包括具有頂部的注入容器，具有頂部的轉(zhuǎn)移容器以及將所述轉(zhuǎn)移容器和所述注入容器連通的連接管道，所述注入容器頂部留有通孔，該通孔是樣品和液體注入所述聚合物結(jié)構(gòu)的唯一入口；
[0014]2)采用化學(xué)電鍍，銀鏡反應(yīng)或者原子層沉積的方法，在所述聚合物結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面制作生物兼容層；
[0015]3)在所述轉(zhuǎn)移容器頂部通過(guò)刻蝕技術(shù)進(jìn)行減薄處理，制作出可視窗口。
[0016]其中，所述步驟2)還包括:在制作生物兼容層后，在所述聚合物結(jié)構(gòu)的外表面制作保護(hù)層，然后通過(guò)刻蝕使得所述注入容器頂部的通孔保持暢通。
[0017]其中，所述步驟2)中，采用Ag，T1jP金剛石薄膜中任意一項(xiàng)或者數(shù)項(xiàng)所構(gòu)成的復(fù)合薄膜制作生物兼容層；采用Al2O3或S1 2薄膜，或者Al 203和S1 2所構(gòu)成的復(fù)合薄膜作為保護(hù)層；所述保護(hù)層采用蒸發(fā)或?yàn)R射或沉積或電鍍或化學(xué)鍍，或是上述幾種方法的結(jié)合進(jìn)tx制備。
[0018]本發(fā)明還提供了一種前述微觀生物培養(yǎng)裝置的使用方法，包括下列步驟:
[0019]a)將樣品和作為樣品液態(tài)環(huán)境的液體通過(guò)注入容器的通孔注入所述微觀生物培養(yǎng)裝置，所述樣品包括生物細(xì)胞或者微生物；
[0020]b)將注入容器的通孔密封，使所述聚合物結(jié)構(gòu)內(nèi)的液體環(huán)境與外界完全隔離；
[0021]c)對(duì)樣品從所述注入容器迀移到所述轉(zhuǎn)移容器的情況進(jìn)行觀察。
[0022]其中，所述步驟c)還包括:調(diào)整所述注入容器，所述轉(zhuǎn)移容器和所述連接管道各自的溫度，對(duì)不同溫度組合下的樣品從所述注入容器迀移到所述轉(zhuǎn)移容器的情況進(jìn)行觀察，進(jìn)而得到樣品對(duì)不同環(huán)境的選擇性。
[0023]其中，所述步驟a)還包括:將所述液體注滿所述注入容器，使各個(gè)所述轉(zhuǎn)移容器獲得所需的不同液面高度，進(jìn)而獲得所需的不同氧氣富集程度；
[0024]所述步驟c)還包括:對(duì)不同溫度以及氧氣富集程度組合下的樣品從所述注入容器迀移到所述轉(zhuǎn)移容器的情況進(jìn)行觀察，進(jìn)而得到樣品對(duì)不同環(huán)境的選擇性。
[0025]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有下列技術(shù)效果:
[0026]1、本發(fā)明能夠提供局域化液態(tài)環(huán)境，有利于研宄細(xì)胞在不同的營(yíng)養(yǎng)與酸堿度環(huán)境中的變化情況，從而更好地模擬人體(或其它生物體)環(huán)境。
[0027]2、本發(fā)明的培養(yǎng)裝置能夠同時(shí)滿足生體環(huán)境的高仿真性與多種環(huán)境兼容性的要求。
[0028]3、本發(fā)明能夠提供用于模擬生體環(huán)境的多種不同溫度，不同氧氣富集程度。
[0029]4、本發(fā)明的微觀生物培養(yǎng)裝置具有更好的結(jié)構(gòu)熱力學(xué)穩(wěn)定性。
[0030]5、本發(fā)明的微觀生物培養(yǎng)裝置具有更好的牢固性，能滿足一些生物實(shí)驗(yàn)所需的極端環(huán)境下的牢固性要求。
[0031]6、本發(fā)明的微觀生物培養(yǎng)裝置便于對(duì)生物細(xì)胞的內(nèi)部變化進(jìn)行觀測(cè)。
【附圖說(shuō)明】
[0032]以下，結(jié)合附圖來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例，其中:
[0033]圖1示出了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的制備過(guò)程中加工對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記后的器件示意圖；
[0034]圖2示出了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的制備過(guò)程中制作微觀生物培養(yǎng)裝置的平面電阻加熱器及其電極的示意圖；
[0035]圖3示出了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的制備過(guò)程中在基底上制作微觀生物培養(yǎng)裝置的聚合物結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0036]圖4示出了表面功能化后的注入容器的局部結(jié)構(gòu)剖面示意圖；
[0037]圖5不出了加工可視窗口后的轉(zhuǎn)移容器的局部結(jié)構(gòu)剖面不意圖；
[0038]圖6示出了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中的生物細(xì)胞培養(yǎng)裝置的成品的立體結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0039]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，提供了一種生物細(xì)胞培養(yǎng)裝置制作方法，包括下列步驟:
[0040]步驟101:取一石英襯底1，在其上加工對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記2。對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記2采用光刻膠圖形加工-金屬沉積-金屬剝離的方法進(jìn)行加工。圖1示出了加工對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記后的器件示意圖。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記2光刻膠圖形的加工方法如下:將石英襯底I依次進(jìn)行丙酮、乙醇、去離子水超聲清洗，采用異丙醇沖洗，然后用氮?dú)獯蹈?，并在熱板?80°C加熱20分鐘。等石英襯底I冷卻后，進(jìn)行S1813光刻膠的旋涂，轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分，然后在熱板上115°C加熱I分鐘，采用帶有十字叉的光刻掩模版，通過(guò)紫外光刻進(jìn)行襯底上對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記光刻膠圖形的曝光，曝光時(shí)間為15秒，光強(qiáng)為10毫瓦/平方厘米(lOmW/cm2)，顯影時(shí)間為40秒。去離子水清洗后，氮?dú)獯蹈?。金屬沉積的方法如下:采用熱蒸發(fā)，在表面蒸鍍Au (10nm)/Cr (5nm)。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，金屬剝離的方法如下:將樣品在丙酮溶液中超聲清洗，去離子水超聲清洗，氮?dú)獯蹈?。?jīng)過(guò)上述光刻