CN101550396B - 高通量微流控细胞芯片 - Google Patents

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本发明涉及一种高通量微流控细胞芯片。所述高通量微流控细胞芯片包括细胞微流道、药物微流道、细胞培养单元，每个细胞培养单元包括细胞培养区、细胞微阀、药物微阀、第一连通微阀、第一连通微流道。当打开所有细胞微阀时，细胞通过细胞微流道注入至细胞培养区；当关闭所有细胞微阀，关闭某行细胞培养单元的所有药物微阀，打开其他的药物微阀，打开该行细胞培养单元的所有第一连通微阀，关闭其他的第一连通微阀时，药物通过由药物微流道、该行细胞培养单元的第一连通微流道、细胞微流道构成的通道注入至该行细胞培养单元的所有细胞培养区。所述高通量微流控细胞芯片在研究单种细胞时效率很高，并且适合培养贴壁细胞及悬浮细胞。

Description

高通量微流控细胞芯片
技术领域
本发明涉及一种高通量微流控细胞芯片。 
背景技术
细胞芯片是以活细胞作为研究对象的一种生物芯片技术，它是为适应后基因组时代人类对生命科学探索的要求而产生的。细胞芯片既保持传统的细胞研究方法的优点如原位检测等，又满足了高通量、大样本以及快速获取活细胞信息等方面的要求。它使人类可有效利用成百上千个自然或处于特定状态下的细胞株或细胞系来研究特定基因及其所表达的蛋白质与疾病之间的相互关系，对于科研、开发、疾病诊断、药物治疗靶点的筛选、细胞定位、抗体药和新药的筛选等方面均有十分广泛的实用价值。 
为了实现高通量、快速的活细胞分析，研究人员从微型化和自动化两方面入手发展了多种实验技术，从微孔板技术到细胞培养区技术，再到近几年发展起来的微流控技术。微流控是一种在微米尺度的流道内对纳升或皮升量级的液体进行操纵的技术，是目前快速发展的多学科高度交叉的科技前沿领域之一。微流道尺寸(通常10～100μm)与典型的哺乳类细胞尺寸(10～20μm)处于相同量级，并且微尺度下传热、传质较快，所以在微流控系统内容易形成与生理状态相似的细胞培养微环境。微流控芯片是一种高度平行化、自动化的集成微型芯片，具有在数平方厘米的面积上集成成千上万体积仅在纳升或皮升量级的细胞培养微单元的潜力。越来越多的研究表明微流控技术将成为细胞芯片研究的一个极其重要的技术平台。 
图1是传统的高通量微流控细胞芯片的示意图。高通量微流控细胞芯片100包括N列细胞微流道11、M行药物微流道13、M(行)×N(列)个细胞培养单元10。每个细胞培养单元10包括一个细胞培养区15、一个细胞微阀12、一个药物微阀14。该细胞培养区15包括至少一个微筛16。每个细胞微流道11贯穿同一列的所有细胞培养区15，每个药物微流道13贯穿同一行的所有细胞培养区15，并且细胞微流道11与微筛16垂直，药物微流道13与微筛16平行。细胞微阀12设置在细胞微流道11上，药物微阀14设置在药物微流道13上。所有的细胞微阀12是联动控制的，也就是说，同时打开或同时关闭。所有的药物微阀14也是联动控制的，也就是说，同时打开或同时关闭。
在实验过程中，当打开细胞微阀12，关闭药物微阀14时，细胞通过细胞微流道11注入到细胞培养区15中。部分细胞会被细胞培养区15中的微筛160捕获，然后贴壁生长。当关闭细胞微阀12，打开药物微阀14时，药物通过药物微流道13注入到细胞培养区15中。如果有N个细胞微流道11，M个药物微流道13，那么可以同时得到M×N个细胞分析结果。 
但是该高通量微流控细胞芯片100只能对细胞培养区15进行整行及整列的控制，不能实现对每个细胞培养区15的单独控制。也就是说虽然有M×N个细胞分析结果，但是对于每一种细胞而言只有M个分析结果。如果研究对象只是一种细胞，该高通量微流控细胞芯片100的效率就比较低。 
发明内容
有鉴于此，有必要针对高通量微流控细胞芯片在研究单种细胞时效率不高的问题，提供一种在研究单种细胞时效率较高的高通量微流控细胞芯片。 
一种高通量微流控细胞芯片，包括细胞微流道、药物微流道、细胞培养单元，每个细胞培养单元包括细胞培养区、细胞微阀、药物微阀、第一连通微阀、第一连通微流道；所述细胞微流道贯穿同一列的所有细胞培养区；所述第一连通微流道用于连通细胞微流道和药物微流道；所述细胞微阀设置在细胞微流道上，所述药物微阀设置在药物微流道上，所述第一连通微阀设置在第一连通微流道上，所述细胞微阀和药物微阀位于第一连通微流道的两侧，并且所述细胞微阀与细胞培养区的距离大于所述第一连通微流道与细胞培养区的距离；所有的细胞微阀是联动控制的，位于同一行的细胞培养单元的所有药物微阀是联动控制的，位于同一行的细胞培养单元的所有第一连通微阀是联动控制的，每个 细胞培养区包括至少一个微筛，所述细胞微流道与所述微筛垂直。 
优选的，每个细胞培养单元还包括第二连通微流道和第二连通微阀；所述第二连通微流道用于连通细胞微流道和药物微流道，所述第二连通微流道和第一连通微流道位于细胞培养区的两侧；所述第二连通微阀设置在第二连通微流道上；位于同一行的细胞培养单元的所有第二连通微阀是联动控制的。 
优选的，每个细胞培养单元的第一连通微阀和第二连通微阀是联动控制的。 
此外，还提供了一种前述高通量微流控细胞芯片的操作方法，包括：S1：关闭所有药物微阀和第一连通微阀，打开所有细胞微阀；S2：注入细胞；S3：停止注入细胞并关闭所有细胞微阀；S4：关闭某行细胞培养单元的所有药物微阀，打开其他的药物微阀，打开该行细胞培养单元的所有第一连通微阀，关闭其他的第一连通微阀；S5：注入药物；所述步骤S5之后还包括：关闭所有第一连通微阀，打开所有药物微阀；注入细胞培养基；判断所有的细胞培养区是否都已经注入药物；如果是，则结束；如果否，则使细胞培养单元的行数加1，然后执行S4。。 
此外，还提供一种前述高通量微流控细胞芯片的用途，所述用途包括用于细胞生物学分析。 
采用上述高通量微流控细胞芯片可以实现对每个细胞培养区的单独控制，当所有细胞培养区(例如M×N个)都注入同一种细胞时，可以得到M×N个针对单种细胞的多药物分析结果。因此，上述高通量微流控细胞芯片在研究单种细胞时效率很高。 
并且，在使用上述高通量微流控细胞芯片时，细胞和药物都是通过细胞微流道注入至细胞培养区中，因此，上述高通量微流控细胞芯片不仅适合培养贴壁细胞，而且适合培养悬浮细胞。 
图1是传统的高通量微流控细胞芯片的示意图。 
图2是本发明一实施例的高通量微流控细胞芯片的示意图。 
图3是本发明一实施例的高通量微流控细胞芯片的操作方法流程图。 
图2是本发明一实施例的高通量微流控细胞芯片的示意图。高通量微流控细胞芯片200包括N列细胞微流道22、N列药物微流道23、M(行)×N(列)个细胞培养单元20。每个细胞培养单元20包括细胞培养区21、第一连通微流道24、第二连通微流道25、细胞微阀221、药物微阀231、第一连通微阀232、第二连通微阀233。该细胞培养区21包括至少一个微筛210。每个细胞微流道22贯穿同一列的所有细胞培养区21。细胞微流道22与微筛210垂直。第一连通微流道24和第二连通微流道25位于细胞培养区21的两侧，第一连通微流道24和第二连通微流道25分别与细胞微流道22和药物微流道23连通。细胞微阀221设置在细胞微流道22上，细胞微阀221与细胞培养区21的距离大于第一连通微流道24与细胞培养区21的距离。药物微阀231设置在药物微流道23上，并且细胞微阀221和药物微阀231位于第一连通微流道24的两侧。第一连通微阀232设置在第一连通微流道24上，第二连通微阀233设置在第二连通微流道25上。 
在高通量微流控细胞芯片200中，所有的细胞微阀221是联动控制的，也就是说，同时打开或同时关闭。位于同一行的所有药物微阀231是联动控制的，位于同一行的所有第一连通微阀232是联动控制的，位于同一行的所有第二连通微阀233是联动控制的，并且每个细胞培养单元20的第一连通微阀232和第二连通微阀233是联动控制的。 
附图说明
图3是本发明高通量微流控细胞芯片200的操作方法流程图。高通量微流控细胞芯片200的操作方法包括如下步骤： 
S101：关闭所有药物微阀231、第一连通微阀232、第二连通微阀233，打开所有细胞微阀221。 
S102：注入细胞。 
具体实施方式
细胞通过细胞微流道22注入至细胞培养区21，细胞会被细胞培养区21中 的微筛210俘获。 
S103：停止注入细胞并关闭所有细胞微阀221。 
当所有的微筛210都抓满细胞后，停止注入细胞，并关闭所有细胞微阀221。此时，每个细胞培养区21形成独立的细胞培养单元。 
S104：关闭第m(m为正整数，并且m≤M)行的药物微阀231，打开其他行的药物微阀231，打开第m行的第一连通微阀232和第二连通微阀233，关闭其他行的第一连通微阀232和第二连通微阀233。 
初始时刻，m等于1。 
S105：注入药物。 
药物通过由药物微流道23、第m行第一连通微流道24、细胞微流道22构成的通道注入至第m行的细胞培养区21，其他行的细胞培养区21不受影响。该药物可以完全相同，部分相同，或者各不相同。将第m行的各细胞培养区21所注入的药物标记为Dm1、Dm2、...、DmN，其中，下标表示细胞培养区21所在的行和列。 
细胞培养区21中过量的药物通过由细胞微流道22、第m行第二连通微流道25、药物微流道23构成的通道流出。 
S106：关闭所有第一连通微阀232和第二连通微阀233，打开所有药物微阀231。 
S107：注入细胞培养基。 
细胞培养基通过药物微流道23注入。经过很短的时间就可以将药物微流道23中残留的药物冲洗干净。 
S108：判断m是否等于M；如果是(表示所有的细胞培养区21都已经注入药物)，执行S110；如果否，执行S109。 
S109：令m＝m+1，然后执行S104。 
S110：结束。 
此时，所有细胞培养区21一共注入了M×N种药物，经过一段时间的药物作用期，将会得到M×N个针对单种细胞的多药物分析结果。 
采用上述高通量微流控细胞芯片200可以实现对每个细胞培养区21的单独控制，当所有细胞培养区21都注入同一种细胞时，可以得到M×N个针对单种细胞的多药物分析结果。因此，上述高通量微流控细胞芯片200在研究单种细胞时效率很高。 
在使用上述高通量微流控细胞芯片200时，细胞和药物都是通过细胞微流道注入至细胞培养区21中，而细胞微流道22与微筛210是垂直的。因此，上述高通量微流控细胞芯片200不仅适合培养贴壁细胞，而且适合培养悬浮细胞。 
上述高通量微流控细胞芯片200的用途包括用于培养贴壁细胞或悬浮细胞、用于高通量药物筛选、用于细胞生物学分析等等。 
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。 

Claims (5)

1.一种高通量微流控细胞芯片，包括细胞微流道、药物微流道、细胞培养单元，其特征在于：每个细胞培养单元包括细胞培养区、细胞微阀、药物微阀、第一连通微阀、第一连通微流道；所述细胞微流道贯穿同一列的所有细胞培养区；所述第一连通微流道用于连通细胞微流道和药物微流道；所述细胞微阀设置在细胞微流道上，所述药物微阀设置在药物微流道上，所述第一连通微阀设置在第一连通微流道上，所述细胞微阀和药物微阀位于第一连通微流道的两侧，并且所述细胞微阀与细胞培养区的距离大于所述第一连通微流道与细胞培养区的距离；所有的细胞微阀是联动控制的，位于同一行的细胞培养单元的所有药物微阀是联动控制的，位于同一行的细胞培养单元的所有第一连通微阀是联动控制的，每个细胞培养区包括至少一个微筛，所述细胞微流道与所述微筛垂直。
2.根据权利要求1所述的高通量微流控细胞芯片，其特征在于：每个细胞培养单元还包括第二连通微流道和第二连通微阀；所述第二连通微流道用于连通细胞微流道和药物微流道，所述第二连通微流道和第一连通微流道位于细胞培养区的两侧；所述第二连通微阀设置在第二连通微流道上；位于同一行的细胞培养单元的所有第二连通微阀是联动控制的。
3.根据权利要求2所述的高通量微流控细胞芯片，其特征在于：每个细胞培养单元的第一连通微阀和第二连通微阀是联动控制的。
4.权利要求1所述的高通量微流控细胞芯片的操作方法，包括：
S1：关闭所有药物微阀和第一连通微阀，打开所有细胞微阀；
S2：注入细胞；
S3：停止注入细胞并关闭所有细胞微阀；
S4：关闭某行细胞培养单元的所有药物微阀，打开其他的药物微阀，打开该行细胞培养单元的所有第一连通微阀，关闭其他的第一连通微阀；
S5：注入药物；
所述步骤S5之后还包括：
关闭所有第一连通微阀，打开所有药物微阀；
注入细胞培养基；
判断所有的细胞培养区是否都已经注入药物；如果是，则结束；如果否，则使细胞培养单元的行数加1，然后执行S4。
5.权利要求1所述的高通量微流控细胞芯片的用途，其特征在于：包括用于细胞生物学分析。
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