CN101748060A

CN101748060A - 将多种细胞排列于同一平面并对其进行操控的装置及方法

Info

Publication number: CN101748060A
Application number: CN 200810239922
Authority: CN
Inventors: 蒋兴宇; 袁博; 李勇
Original assignee: National Center for Nanosccience and Technology China
Current assignee: Chongqing Dragon Wing Biotechnology Co., Ltd.
Priority date: 2008-12-15
Filing date: 2008-12-15
Publication date: 2010-06-23
Anticipated expiration: 2028-12-15
Also published as: CN101748060B

Abstract

一种将多种细胞排列于同一平面并对细胞进行操控的装置和方法，包括：位于基底上表面的有微孔洞阵列的薄膜；下表面覆于薄膜上的下表面具微凹槽单元的聚二甲基硅氧烷印章；微凹槽单元包括：一条中间凹槽和位于其左和右侧的左侧凹槽和右侧凹槽；左侧和右侧凹槽中间段与中间凹槽平行；左侧和右侧凹槽中间段之外的两端段向远离中间凹槽方向倾斜；凹槽槽端处设与相应凹槽相通的垂向通孔；薄膜的孔洞均位于印章的微凹槽内；在微管道中通入不同种细胞悬液，细胞在微管道内生长黏附；揭去印章实现多细胞在同一平面内的共培养；再揭掉薄膜实现在同一平面共培养的多种细胞的自由迁移；方法简单易操作，使用材料便宜，可用于高通量筛选对细胞有作用药物。

Description

将多种细胞排列于同一平面并对其进行操控的装置及方法

技术领域

本发明属于生物技术领域的将多种细胞排列于同一平面并对其进行操控的装置及方法。

背景技术

将多种细胞精确排列在同一平面，不仅在基础生物学，如：细胞迁移和细胞相互作用的研究中有着广泛作用，更为组织工程和药物筛选等研究提供了平台。科学家已经研究出了一些相关方法：

例如文献1：Chui，D.T.et al.Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.2000，97，(6)，2408-2413中，哈佛大学Whitesides小组，使用具有三维结构的PDMS微流管道，在同一表面排列多种细胞。这种方法首先制被具有三维结构的PDMS“印章”，将“印章”与用来培养细胞的基底结合后，向微流管道内通入不同种的细胞，这样细胞会被三维的微流管道输送到基底的不同位置，等过一段时间细胞贴壁后，在基底就出现了设计好的多种细胞的阵列图案。但是，如果在实验过程中将具有三维结构的PDMS“印章”拿开，基底的细胞就会自由爬动，也就使得局限细胞的图案被破坏。另一方面，如果不去掉“印章”，不同种细胞就被分别局限在不同管道中，没有相互作用，不利于进一步研究细胞间相互作用。此外，此方法还需要制备复杂的三维微流管道，并不易于实现。

文献2：Yong Li.et al.Angew.Chemi.Int.Ed.2007，46，1094-1096中，我们小组利用微流和自组装单层膜技术，一定程度上解决了文献1中的问题。即：利用以聚乙二醇结尾的硫醇分子在金片表面形成的自组装单层膜制备抗拒细胞黏附的惰性表面作为基底，然后利用带有微流管道的“印章”核电化学方法使部分表面能够黏附细胞，这样就将多种细胞排列在金片表面。这种方法的优点在于既可以控制细胞位置，又可以随时通过电化学方法控制其迁移。但是，此方法只能将细胞排列于金片表面，而金片没有弹性，并且金片对荧光的吸收作用和其昂贵的价格使得其应用受到了限制。

发明内容

本发明目的在于建立将多种细胞精确排列于同一平面，并能够对其进行操作的装置和方法，以便为进一步研究细胞间相互作用以及药物筛选等提供工具。

本发明的目的是通过如下的技术方案实现的：

本发明提供的将多种细胞排列于同一平面并对细胞进行操控的装置，其包括：

一基底；该基底为玻璃平片、平片培养皿、聚碳酸酯平片、聚甲基丙烯酸甲酯平或金属平片；

一位于所述基底上表面上的具有微孔洞阵列的厚度为10～500微米的薄膜；所述微孔洞阵列中的孔洞为上下通透的通孔，其横截面积为1000平方微米～1平方毫米，孔洞孔壁间间隔为50～1000微米；

一下表面紧密贴覆于所述具有至少一组微孔洞阵列的薄膜上的下表面上具有至少一组微凹槽单元的聚二甲基硅氧烷印章；

所述聚二甲基硅氧烷印章的微凹槽单元包括：

一条中间微凹槽；

位于所述中间微凹槽左侧的N条左侧微凹槽；

位于所述中间微凹槽右侧的M条右侧微凹槽；

所述左侧微凹槽和右侧微凹槽的中间段与所述中间微凹槽平行；所述左侧微凹槽和右侧微凹槽的中间段之外的两端段向远离所述中间微凹槽的方向倾斜；

所述中间微凹槽、左侧微凹槽和右侧微凹槽的槽端处分别设有与相应凹槽相通的垂向通孔；所述中间微凹槽、左侧微凹槽和右侧微凹槽的宽度均为50～2000，长度为1～2厘米；相邻两凹槽槽壁间为50～1000微米；所述N和M均为1～10；

所述薄膜上的孔洞分别位于所述聚二甲基硅氧烷印章的微凹槽内。

所述的薄膜的上表面修饰有抗拒细胞的黏附的聚乙二醇PEG结尾的硅烷层。

所述聚乙二醇PEG结尾的硅烷层为

(CH₃CH₂O)₃Si(CH₂)₃HNCOO(CH₂CH₂O)₁₆CH₃层。

本发明提供的将多种细胞排列于同一平面并对细胞进行操控的方法，其步骤如下：

1)制备聚二甲基硅氧烷印章；

所制备的聚二甲基硅氧烷印章为一下表面上具有至少一组微凹槽单元的聚二甲基硅氧烷印章；

所述微凹槽单元包括：一条中间微凹槽；

位于所述中间微凹槽左侧的N条左侧微凹槽；

位于所述中间微凹槽右侧的M条右侧微凹槽；

中间微凹槽、所述左侧微凹槽和右侧微凹槽的槽端处设有与相应凹槽相同的通孔；中间微凹槽、所述左侧微凹槽和右侧微凹槽的宽度均为50～2000，长度为1～2厘米；相邻量凹槽槽壁间为50～1000微米；所述N和M均为1～10条；

2)使用光刻技术，在一硅片上制备具有至少一组凸型微柱子单元；该凸型微柱子单元由不同尺寸和不同间隔的微柱子阵列组成，所述微柱子的横截面形状为圆形，三角形、四边形或多边形，横截面积在1000平方微米～1平方毫米之间，高度为50～200微米；所述微柱子之间的横向间隔在50～1000微米之间；

3)将未固化的聚二亚甲基硅氧烷液体铺展在步骤2)所述硅片表面上，然后用旋转甩胶机旋转甩胶，之后再将硅片放入烘箱烘烤固化。固化后，将硅片上固化的聚二亚甲基硅氧烷薄膜揭掉，制得具有至少一组微孔洞阵列的聚二亚甲基硅氧烷薄膜，所述聚二亚甲基硅氧烷薄膜的微孔洞阵列的孔洞为上下通透的通孔；

4)将步骤3)的聚二亚甲基硅氧烷薄膜铺展在洗干净的基底上，基底为玻璃平片、平片培养皿、聚碳酸酯平片、聚甲基丙烯酸甲酯平或金属平片；

将步骤1)的聚二甲基硅氧烷印章下表面贴附在铺有聚二亚甲基硅氧烷薄膜的基底上，并使所述聚二亚甲基硅氧烷薄膜上的孔洞分别位于所述聚二甲基硅氧烷印章的凹槽内；形成以基底为底面的封闭微流通管道阵列，制得将多种细胞排列于同一平面并对细胞进行操控的装置；

5)将上述装置进行消毒，并用PBS磷酸盐缓冲液清洗，然后在封闭微流通管道阵列的封闭微流通管道内通入含有胞外基质蛋白的PBS缓冲液，孵育1～12小时；

6)制备不同种类的细胞密度为10⁶个/ml的粘附细胞悬浮溶液，将制得的不同种类细胞悬浮溶液通入相应的封闭微流通管道中，再放入细胞培养箱，在37℃，体积浓度5％的二氧化碳条件下，进行培养至细胞贴壁；

7)去掉聚二甲基硅氧烷印章，实现多种细胞排列于同一平面的共培养；

再揭掉聚二亚甲基硅氧烷薄膜，实现排列于同一平面共培养的多种细胞的自由迁移。

所述聚二亚甲基硅氧烷薄膜上表面修饰有抗拒细胞的黏附的聚乙二醇PEG结尾的硅烷层；其方法为：将浓盐酸溶液稀释1000倍，并以之为溶液，配制体积浓度1％的硅烷溶液，再将薄膜进行等离子氧化处理1～5分钟后，浸入配制好的硅烷溶液，并以50～80摄氏度烘烤2～12小时；之后取出薄膜，并用酒精清洗并晾干。

所述聚乙二醇PEG结尾的硅烷层为：

(CH₃CH₂O)₃Si(CH₂)₃HNCOO(CH₂CH₂O)₁₆CH₃层。

所述胞外基质蛋白为纤维结合蛋白、胶原蛋白或层粘连蛋白。

本发明提供的将多种细胞排列于同一平面并对其进行操控的装置及方法，首先是将有微孔阵列的PDMS薄膜铺展在基底，再利用pdms的微流管道，使多种细胞有序黏附在微流道阵列中，并可以根据需要选择使用是否经过硅烷化的薄膜，来达到薄膜上层是否黏附细胞的目的。揭去上层PDMS管道，实现多种细胞共培养，但微井内的细胞由于微流道的限制而不能自由移动，再揭去pdms薄膜，微井内的细胞则脱离束缚，可以自由地迁移。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明使用微流技术和有微孔的薄膜，将不同种细胞精确地排列在几乎任何平坦基底上，既可以控制其位置，又可以操纵其迁移，这是目前技术所不能达到的。

2、本发明可以在同一表面很小范围内排列多种细胞，为高通量的药物筛选提供了新的途径。

3、本发明在表面精确排列多种细胞，细胞密度、细胞间的距离都可以精确调控。在揭去薄膜后，细胞自由爬动，这也为研究细胞生物学的基本问题：细胞间相互作用以及与之相关的疾病研究如肿瘤的形成和迁移提供了平台。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图；

图2为本发明装置拆分示意图。

具体实施方式

图1和图2分别为本发明的装置结构示意图和拆分示意图；由图可知：本发明的将多种细胞排列于同一平面并对细胞进行操控的装置，包括：

一基底1；该基底1为玻璃平片、平片培养皿、聚碳酸酯平片、聚甲基丙烯酸甲酯平或金属平片；

一位于所述基底1上表面上的具有至少一组微孔洞阵列的厚度为10～500微米的薄膜2；所述微孔洞阵列中的孔洞21为上下通透的通孔，其直径为50～1000微米，孔洞21孔壁间间隔为50～1000微米；

一下表面紧密贴覆于所述具有微孔洞阵列的薄膜2上的下表面上具有至少一组微凹槽单元的聚二甲基硅氧烷印章3；

所述聚二甲基硅氧烷印章3的微凹槽单元包括：

一条中间微凹槽32；

位于所述中间微凹槽左侧的N条左侧微凹槽31；

位于所述中间微凹槽右侧的M条右侧微凹槽33；

所述中间微凹槽、左侧微凹槽和右侧微凹槽的槽端处设有与相应凹槽相通的垂向通孔34；所述中间微凹槽、左侧微凹槽和右侧微凹槽的宽度均为50～2000，长度为1～2厘米；相邻两凹槽槽壁间为50～1000微米；所述N和M均为1～10；

所述薄膜2上的孔洞21分别位于所述聚二甲基硅氧烷印章的微凹槽内。

所述的薄膜2的上表面修饰有抗拒细胞的黏附的聚乙二醇PEG结尾的硅烷层。

所述聚乙二醇PEG结尾的硅烷层为：

(CH₃CH₂O)₃Si(CH₂)₃HNCOO(CH₂CH₂O)₁₆CH₃层。

实施例1

1)制备聚二甲基硅氧烷印章：

使用光刻技术在一硅片上制备至少一组凸型线型微结构单元(本实施例图1所示的三条凸型线)，首先用作图软件L-edit设计出所要图形：三条凸型线条带(位于中间位置的中间凸型线条带，和分别位于该中间凸型线条带两侧的侧凸型线条带)，所述凸型线条带长度均为1.2厘米，所述两侧凸型线条带的中间段分别与中间凸型线条带平行，所述两侧凸型线条带的中间段之外的两端段向远离所述中间凸型线条带的方向倾斜，(长度为0.5厘米，此长度为谁的？)，两凸型线条带之间间隔为200微米，每条凸型线条带宽度均为400微米；

用上述具有凸型线型微结构单元的硅片作模板进行翻膜，制得聚二甲基硅氧烷印章，该聚二甲基硅氧烷印章具有一组微凹槽单元，所述微凹槽单元包括：

一条中间微凹槽；

位于所述中间微凹槽左侧的1条左侧微凹槽；

位于所述中间微凹槽右侧的1条右侧微凹槽；

所述中间微凹槽、左侧微凹槽和右侧微凹槽的槽端处设有与相应凹槽相通的垂向通孔；所述中间微凹槽、左侧微凹槽和右侧微凹槽的宽度均为50～2000，长度为1～2厘米；相邻两凹槽槽壁间为50～1000微米；(具体尺寸根据该实施例填写！)

2)使用光刻技术，在一硅片上制备具有至少一组(3列，每列10根微柱子)凸型微柱子；该凸型微柱子横截面形状为圆形，其直径为300微米，高度为100微米；所述微柱子之间的横向间隔为300微米；

将未固化的聚二亚甲基硅氧烷液体铺展在步骤2)所述硅片表面上，然后用旋转甩胶机以4000转每分钟的转速旋转硅片50秒，之后再将硅片放入80摄氏度烘箱烘烤2小时后，取出硅片，将硅片上固化的聚二亚甲基硅氧烷薄膜揭掉，制得具有微孔洞阵列的聚二亚甲基硅氧烷薄膜，所述聚二亚甲基硅氧烷薄膜的微孔洞阵列的孔洞21为通孔；

将制得的聚二亚甲基硅氧烷薄膜铺展在洗干净的基底上，基底为玻璃平片；

3)将步骤1)的聚二甲基硅氧烷印章下表面贴附在铺有聚二亚甲基硅氧烷薄膜的基底上，并使所述聚二亚甲基硅氧烷薄膜上的孔洞21分别位于所述聚二甲基硅氧烷印章的凹槽内；形成以基底为底面的封闭微流通管道阵列，制得将多种细胞排列于同一平面并对细胞进行操控的装置；

4)使用75％酒精对步骤4)得到的装置消毒并使用磷酸盐缓冲液PBS冲洗，再在管道内孵育胞外基质蛋白3小时；

5)制备两种不同细胞的悬浮液MDCK和4T1，密度均为10⁶个/ml，然后将MDCK的细胞悬液通入左侧微凹槽形成左侧微流道和右侧微凹槽形成右侧微流道，4T1的通入中间微凹槽形成中间微流道。将装置放入培养箱，保持二氧化碳5％(体积浓度)，温度37摄氏度，培养两小时，等细胞黏附在表面后，揭掉PDMS印章，实现多细胞共培养；

6)揭掉PDMS薄膜，就可以使两种细胞自由迁移，以研究细胞间的相互作用；

同样的方法和步骤可以得到多种细胞的共培养并研究多种细胞的相互作用。请参照我修改的实施例1，对下面2个实施例进行修改，之后就应该差不多了！

实施例2、

1)使用光刻技术在硅片上制备出至少一组凸型线型微结构单元，首先用作图软件L-edit设计出所要图形：三条并排的凸型线和具有圆形阵列凸现型结构，三条凸条带长度在1.2厘米，外侧两条末端向外倾斜，长度为0.5厘米，中间部分平行，互相之间间隔为200微米，每条宽度均为400微米。圆形微柱子阵列为三列，直径为300微米，高100微米，每列十个微柱子，每列之间间隔均为300微米，每列中柱子间隔也为300微米。

2)用聚二亚甲基硅氧烷(PDMS)对步骤1)得到的凸型线型微结构单元进行翻膜，得到一与上述微结构相对应的、具有凹型图案的PDMS印章。

3)将未聚合的聚二亚甲基硅氧烷(PDMS)铺展在步骤1)所得到的微柱子阵列上，经过旋转涂胶之后，再利用烘箱将其固化，最后再将PDMS揭掉，就得到带有微孔洞阵列的薄膜。

4)将步骤3)得到的薄膜硅烷化。先将薄膜放入等离子体清洗器内氧化3分钟，取出后放入1％的硅烷溶液(体积比)中，恒温60摄氏度过夜。然后将薄膜取出，并用酒精冲洗晾干

5)将步骤4)得到的PDMS薄膜铺展贴附在洗好的玻璃片上，再将步骤2)得到的PDMS印章带有凹槽的一面朝下，凹槽与孔阵列对其贴附在PDMS薄膜上，形成封闭的微流管道

6)使用75％酒精对步骤4)得到的装置消毒并使用磷酸盐缓冲液PBS冲洗，再在管道内孵育胞外基质蛋白3小时。

7)制备两种不同细胞的悬浮液MDCK和4T1，密度均为10⁶个/ml，然后将MDCK的细胞悬液通入第一和第三管道，4T1的通入第二管道。将装置放入培养箱，保持二氧化碳5％(体积浓度)，温度37摄氏度，培养两小时。细胞只能黏附在微孔洞所暴露出的基底上，揭掉PDMS印章，实现多细胞共培养。

8)揭掉PDMS薄膜，就可以使多种细胞自由迁移，以此研究细胞间的相互作用。

同样的方法和步骤可以得到多种细胞的共培养并研究多种细胞的相互作用。

实施例3、

1)使用光刻技术在硅片上制备出至少一组凸型线型微结构单元，首先用作图软件L-edit设计出所要图形：三条并排的凸型线和具有圆形阵列凸现型结构，三条凸条带长度在1.2厘米，外侧两条末端向外倾斜，长度为0.5厘米，中间部分平行，互相之间间隔为200微米，第一二条宽度均为400微米，第三条宽度为1毫米。圆形微柱子阵列为三列，直径为300微米，高100微米，每列四个微柱子，如图2所示，每列之间间隔均为300微米，柱子间隔也为300微米，第三列前两个柱子与第二列间隔300微米，后两个柱子于第二列间隔500微米。

Claims

1.一种将多种细胞排列于同一平面并对细胞进行操控的装置，其包括：

一位于所述基底上表面上的具有至少一组微孔洞阵列的厚度为10～500微米的薄膜；所述微孔洞阵列中的孔洞为上下通透的通孔，其横截面积为1000平方微米～1平方毫米，孔洞孔壁间间隔为50～1000微米；

一下表面紧密贴覆于所述具有微孔洞阵列的薄膜上的下表面上具有至少一组微凹槽单元的聚二甲基硅氧烷印章；

所述聚二甲基硅氧烷印章的微凹槽单元包括：

一条中间微凹槽；

位于所述中间微凹槽左侧的N条左侧微凹槽；

位于所述中间微凹槽右侧的M条右侧微凹槽；

2.按权利要求1所述的将多种细胞排列于同一平面并对细胞进行操控的装置，其特征在于，所述的薄膜的上表面修饰有抗拒细胞的黏附的聚乙二醇PEG结尾的硅烷层。

3.按权利要求2所述的将多种细胞排列于同一平面并对细胞进行操控的装置，其特征在于，所述聚乙二醇PEG结尾的硅烷层为

(CH₃CH₂O)₃Si(CH₂)₃HNCOO(CH₂CH₂O)₁₆CH₃层。

4.一种将多种细胞排列于同一平面并对细胞进行操控的方法，其步骤如下：

1)制备聚二甲基硅氧烷印章；

所述微凹槽单元包括：一条中间微凹槽；

位于所述中间微凹槽左侧的N条左侧微凹槽；

位于所述中间微凹槽右侧的M条右侧微凹槽；

5.按权利要求4所述的将多种细胞排列于同一平面并对细胞进行操控的方法，其特征在于，所述聚二亚甲基硅氧烷薄膜上表面修饰有抗拒细胞的黏附的聚乙二醇PEG结尾的硅烷层；其方法为：将浓盐酸溶液稀释1000倍，并以之为溶液，配制体积浓度1％的硅烷溶液，再将薄膜进行等离子氧化处理1～5分钟后，浸入配制好的硅烷溶液，并以50～80摄氏度烘烤2～12小时；之后取出薄膜，并用酒精清洗并晾干。

6.按权利要求5所述的将多种细胞排列于同一平面并对细胞进行操控的装置，其特征在于，所述聚乙二醇PEG结尾的硅烷层为：

(CH₃CH₂O)₃Si(CH₂)₃HNCOO(CH₂CH₂O)₁₆CH₃层。

7.按权利要求4所述的将多种细胞排列于同一平面并对细胞进行操控的装置，其特征在于，所述胞外基质蛋白为纤维结合蛋白、胶原蛋白或层粘连蛋白。