CN102286373B - 一种具有可变结构的微流控细胞培养单元 - Google Patents

一种具有可变结构的微流控细胞培养单元 Download PDF

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Abstract

一种具有可变结构的微流控细胞培养单元包括：细胞培养室、两个空气腔和两个受压膜片，所述的细胞培养室，其两侧各有一个进液端口和一个排液端口，其上方还有一个细胞接种口；所述的细胞培养室与细胞接种口之间设置有一个微阀；所述的空气腔分别位于细胞培养室的进液端口和排液端口附近，每个空气腔两侧分别有一个进气端口和一个排气端口；本发明不仅可满足动态灌注培养时不同的细胞培养阶段对流体传输的不同要求，还可以用来研究不同结构下细胞的生长情况，用于对细胞培养结构的优化。

Description

一种具有可变结构的微流控细胞培养单元
技术领域
本发明属微流控细胞培养芯片领域，特别是涉及一种具有可变结构的微流控细胞培养单元。
背景技术
在病毒学、免疫学、遗传学、肿瘤学等各个领域都需要进行细胞培养，但常规的细胞培养方法存在明显不足。首先是细胞的体积微小，传统方法提供的培养环境明显与体内环境相差甚远，难以全面模拟细胞生活的真实环境；还有就是细胞所需数量巨大，不易进行单细胞的控制和操纵，观察不直接，耗费试剂。将微流控芯片和细胞培养技术相结合所得到的细胞培养芯片，具有明显的优越性。从器件尺寸而言，芯片尺寸特征与单个生物细胞在尺度上具有相容性，有助于实现单细胞的生物化学实验；从结构上而言，芯片内物质传输与热传导非常迅速，有利于细胞培养环境的快速稳定；从集成性而言，芯片上可以集成多种部件和功能，易实现细胞培养装置的微型化。由于这些优势的存在，细胞培养芯片在细胞迁移、细胞分化、药物筛选等多个领域正在发挥越来越重要的作用。
细胞培养需要有营养供给，根据营养液供给方式的不同可以分为静态培养和动态培养。静态培养就是在培养室内预置一定量的营养液和细胞，由于细胞培养基的容量是固定的，随着培养时间的增加，营养物质逐渐减少，代谢产生的废物会逐渐堆积，从而影响细胞的正常生长。动态培养是指营养液可连续供给，连续向细胞供给新鲜培养液，并回收代谢产物。动态培养能保证在整个细胞培养过程中使细胞始终得到充足的新鲜营养液，减少了不确定因素，因此更适合进行长期细胞培养。
动态灌注培养时，在不同的细胞培养阶段，对流体传输的要求不同。进行细胞接种时，需要考虑尽量让细胞分布在指定的区域；进行灌注培养时，需要考虑避免流体传输引起的剪切力对细胞的伤害；进行细胞分析时，需要使试剂传输尽量均匀；进行细胞传代时，需要将细胞转移出细胞培养室，要尽量保证使流动通道通畅，以更好的实现细胞的传代。而上述不同的流体传输要求对细胞培养结构的要求是不同的，甚至是矛盾的。因此，同一细胞培养结构无法同时满足上述不同细胞培养阶段下对流体传输的要求。
目前，还没有专利或其它公开发表的文献可以很好地解决上述问题。目前，文献中提到的结构设计方法只能部分解决上述问题。如P.J.Hung等人在Lab Chip上刊登的文章论文-“A novel high aspect ratio microfluidicdesign to provide a stable and uniform microenvironment for cell growth ina high throughput mammalian cell culture array”(Lab Chip，2005，Vol.5，44-48)给出的结构设计方法可以减小灌注培养液时对细胞造成的不利影响，但不能完全解决本发明中提出的问题。
发明内容
本发明的技术解决问题是：为解决上述同一细胞培养结构无法同时满足不同细胞培养阶段下对流体传输的要求的问题，提供一种能够改变结构的微流控细胞培养单元。
本发明的技术解决方案：一种具有可变结构的微流控细胞培养单元，包括细胞培养室、两个空气腔和两个受压膜片；
所述的细胞培养室，用于纳置培养液及细胞；在所述的细胞培养室两侧分别有一个进液端口和一个排液端口，分别用于进液和排液；在所述的细胞培养室上方有一个细胞接种口，用于接种细胞；在所述的细胞培养室与细胞接种口之间设置有一个微阀，用于控制细胞接种口的开关；
所述的空气腔，位于细胞培养室的进液端口附近，用于对受压膜片施加压力，所述的空气腔两侧分别有一个进气端口和一个排气端口，分别用于进气和排气；
所述的空气腔，位于细胞培养室排液端口附近，用于对受压膜片施加压力；所述的空气腔两侧分别有一个进气端口和一个排气端口，分别用于进气和排气；
所述的受压膜片为空气腔和细胞培养室之间的所夹部分，受压膜片受到空气腔中的空气压力会产生变形，细胞培养室中对应部分的高度就随之改变；
当不允许液体通过进液端口排出时，将所述的细胞培养室中与受压膜片对应部分的高度设置为零；当不允许液体通过排液端口排出时，将所述的细胞培养室中与受压膜片对应部分的高度设置为零；当允许液体通过但不允许细胞通过进液端口排出时，将所述的细胞培养室中与受压膜片对应部分的高度设置为小于细胞所能通过的最小高度；当允许液体通过但不允许细胞通过排液端口排出时，将所述的细胞培养室中与受压膜片对应部分的高度设置为小于细胞所能通过的最小高度；当需要将细胞从排液端口排出时，令受压膜片不发生变形，将所述的细胞培养室中与受压膜片对应部分的高度设置为细胞培养室的原有高度。
所述的细胞培养室的是正方体，长方体，圆柱体，椭圆柱体，或它们的各种组合体。
本发明的原理：动态灌注培养时，在不同的细胞培养阶段，对流体传输的要求不同。进行细胞接种时，需要考虑尽量让细胞分布在指定的区域；进行灌注培养时，需要考虑避免流体传输引起的剪切力对细胞的伤害；进行细胞分析时，需要使试剂传输尽量均匀；进行细胞传代时，需要将细胞转移出细胞培养室，要尽量保证使流动通道通畅，以更好的实现细胞的传代。而不同的流体传输要求就需要由相应的细胞培养结构满足。
而本发明中的受压膜片受到空气腔中的空气压力会向细胞培养室方向上发生弯曲变形，细胞培养室中对应部分的高度就随之改变，从而改变了细胞培养室的结构，可以用于满足不同细胞培养阶段的不同需求。设细胞培养室弯曲部分变形后的高度hc＝h-d，其中h为细胞培养室的初始高度，d为受压膜片由空气腔中的空气压力引起的变形。d随着空气腔中通入的空气压强的增大而增大，因此通过控制空气腔中通入的空气压强的大小就可以控制细胞培养室变形部分的高度hc。设进液端口附近的细胞培养室弯曲部分变形后的高度hc1，出液端口附近的细胞培养室弯曲部分变形后的高度hc2。通过改变hc1和hc2，就可以得到不同的细胞培养结构，从而满足不同细胞培养阶段下的需求。
由于悬浮细胞和贴壁细胞的生长特点不同，因此下面分开进行说明。
悬浮细胞：
进行细胞接种时，打开微阀，将细胞悬液从细胞接种口灌注到细胞培养室中。令hc1和hc2均小于细胞能通过的最小高度，细胞就会被限制在细胞培养室内。
进行灌注培养时，保持微阀闭合，将细胞培养液从进液端口灌注到细胞培养室中，废液从排液端口排出。令hc1和hc2均小于细胞能通过的最小高度，这样在细胞培养室中就形成了一个凹槽，可以减小流体剪切力对细胞的伤害，而且细胞也不会被排出去。
进行细胞分析时，保持微阀闭合，令hc1和hc2均小于细胞能通过的最小高度，将分析试剂从进液端口灌注到细胞培养室中，废液通过排液端口排出。
进行细胞传代时，保持微阀闭合，令hc1＝hc2＝h，将细胞培养液从进液端口灌注到细胞培养室中，细胞就能很容易地通过排液端口转移出细胞培养室。
贴壁细胞：
进行细胞接种时，打开微阀，将细胞悬液从细胞接种口灌注到细胞培养室中。令hc1＝0，0＜hc2＜h，hc2的大小可以根据细胞培养室的尺寸及所培养细胞的类型来决定，这样在细胞培养室中就形成了一个微坝，大部分细胞就会被限制在细胞培养室内。
进行灌注培养时，保持微阀闭合，将细胞培养液从进液端口灌注到细胞培养室中，废液从排液端口排出。令0＜hc1＝hc2＜h，这样在细胞培养室中就形成了一个凹槽，可以减小流体剪切力对细胞的伤害，hc1和hc2的大小可以根据细胞培养室的尺寸及所培养细胞的类型来决定。
进行细胞分析时，保持微阀闭合，令hc1＝hc2＝h，将分析试剂从进液端口灌注到细胞培养室中，废液通过排液端口排出。
进行细胞传代时，保持微阀闭合，令hc1＝h，0＜hc2＜h，将胰酶从进液端口灌注到细胞培养室中，使细胞进行消化。等细胞消化后，令hc1＝hc2＝h，将细胞培养液从进液端口灌注到细胞培养室中，则经过胰酶消化后的细胞就能通过排液端口转移出细胞培养室。
本发明与现有技术相比的有益效果在于：由于这种微流控细胞培养单元结构可以针对不同细胞培养状态下的不同需求，对细胞培养室的结构进行相应的改变，从而具有以下优点：(1)当进行细胞接种时，便于将细胞固定在细胞培养室中指定区域；(2)进行灌注培养时，可以减小流体剪切力对细胞的影响；(3)进行细胞分析时，有利于试剂进行更好的传输；(4)进行细胞传代时，有利于更好的对细胞进行转移；(5)可以用来研究不同结构下细胞的生长情况，用于对细胞培养结构的优化。
附图说明
图1为本发明具有可变结构的微流控细胞培养单元整体结构示意图；
图2a为本发明具有可变结构的微流控细胞培养单元的俯视图；
图2b为本发明具有可变结构的微流控细胞培养单元的左视图；
图2c为本发明具有可变结构的微流控细胞培养单元的正视图；
图3a为本发明具有可变结构的微流控细胞培养单元的a-a’剖视图；
图3b为本发明具有可变结构的微流控细胞培养单元的b-b’剖视图；
图3c为本发明具有可变结构的微流控细胞培养单元的c-c’剖视图；
图3d为本发明具有可变结构的微流控细胞培养单元的d-d’剖视图；
图4为本发明具有可变结构的微流控细胞培养单元的原理示意图。
具体实施方式
如图1、图2a、图2b、图2c、图3a、图3b、图3c和图3d所示，本发明的具有可变结构的微流控细胞培养单元，包括细胞培养室1、空气腔2和4、受压膜片3和5。细胞培养室1，用于纳置培养液及细胞；细胞培养室1两侧分别有一个进液端口11和一个排液端口12，分别用于进液和排液；细胞培养室1上方有一个细胞接种口13，用于接种细胞；细胞培养室1与细胞接种口13之间设置有一个微阀14，用于控制细胞接种口13的开关；
空气腔2位于细胞培养室1的进液端口11附近，用于对受压膜片3施加压力；空气腔2两侧分别有一个进气端口21和一个排气端口22，分别用于进气和排气；
空气腔4位于细胞培养室1的排液端口12附近，用于对受压膜片5施加压力；空气腔4两侧分别有一个进气端口41和一个排气端口42，分别用于进气和排气；
受压膜片3为空气腔2和细胞培养室1之间的所夹部分，受压膜片3受到空气腔2中的空气压力会产生变形，细胞培养室1中对应部分的高度就随之改变；
受压膜片5，为空气腔4和细胞培养室1之间的所夹部分，受压膜片5受到空气腔4中的空气压力会产生变形，细胞培养室1中对应部分的高度就随之改变。
如图4所示，受压膜片3和5分别受到空气腔2和4中的空气压力会发生向细胞培养室1方向上的弯曲变形，细胞培养室1中对应部分的高度就随之改变，从而改变了细胞培养室1的结构。设受压膜片3对应的细胞培养室1弯曲部分变形后的高度hc1，受压膜片5对应的细胞培养室1弯曲部分变形后的高度hc2。通过改变hc1和hc2，就可以得到不同的细胞培养结构，从而满足不同细胞培养阶段下的需求。
由于悬浮细胞和贴壁细胞的生长特点不同，因此下面分开进行说明。
用于悬浮细胞：
进行细胞接种时，打开微阀14，将细胞悬液从细胞接种口13灌注到细胞培养室1中。令hc1和hc2均小于细胞能通过的最小高度，细胞就会被限制在细胞培养室1内。
进行灌注培养时，保持微阀14闭合，将细胞培养液从进液端口11灌注到细胞培养室1中，废液从排液端口12排出。令hc1和hc2小于细胞能通过的最小高度，这样在细胞培养室1中就形成了一个凹槽，可以减小流体剪切力对细胞的伤害，而且保证细胞不会被排出去。
进行细胞分析时，保持微阀14闭合，令hc1和hc2小于细胞能通过的最小高度，将分析试剂从进液端口11灌注到细胞培养室1中，废液通过排液端口12排出。
进行细胞传代时，保持微阀14闭合，令hc1＝hc2＝h，将细胞培养液从进液端口11灌注到细胞培养室1中，细胞就能很容易地通过排液端口12转移出细胞培养室1。
用于贴壁细胞：
进行细胞接种时，打开微阀14，将细胞悬液从细胞接种口13灌注到细胞培养室1中。令hc1＝0，0＜hc2＜h，hc2的大小可以根据细胞培养室的尺寸及所培养细胞的类型来决定，这样在细胞培养室中就形成了一个微坝，大部分细胞就会被限制在细胞培养室内。
进行灌注培养时，保持微阀14闭合，将细胞培养液从进液端口11灌注到细胞培养室1中，废液从排液端口12排出。令0＜hc1＝hc2＜h，这样在细胞培养室1中就形成了一个凹槽，可以减小流体剪切力对细胞的伤害，hc1和hc2的大小可以根据细胞培养室1的尺寸及所培养细胞的类型来决定。
进行细胞分析时，保持微阀14闭合，令hc1＝hc2＝h，将分析试剂从进液端口11灌注到细胞培养室1中，废液通过排液端口12排出。
进行细胞传代时，保持微阀14闭合，令hc1＝h，0＜hc2＜h，将胰酶从进液端口11灌注到细胞培养室1中，使细胞进行消化。等细胞消化后，令hc1＝hc2＝h，将细胞培养液从进液端口11灌注到细胞培养室1中，则经过胰酶消化后的细胞就能通过排液端口12转移出细胞培养室1。
以上说明了本发明的实施例，但本发明并不局限与以上所述的具体实施例，凡是符合本发明主旨的各种微流控细胞培养芯片，都应该认为包含在本发明的范围内。

Claims (3)

1.一种具有可变结构的微流控细胞培养单元，其特征在于：包括细胞培养室（1）、第一空气腔（2）和第二空气腔（4）和第一受压膜片（3）和第二受压膜片（5）；
所述的细胞培养室（1），用于纳置培养液及细胞；在所述的细胞培养室（1）两侧分别有一个进液端口（11）和一个排液端口（12），分别用于进液和排液；在所述的细胞培养室（1）上方有一个细胞接种口（13），用于接种细胞；在所述的细胞培养室（1）与细胞接种口（13）之间设置有一个微阀（14），用于控制细胞接种口（13）的开关；
所述的第一空气腔（2），位于细胞培养室（1）的进液端口（11）附近，用于对第一受压膜片（3）施加压力；所述的第一空气腔（2）两侧分别有一个进气端口（21）和一个排气端口（22），分别用于进气和排气；
所述的第二空气腔（4），位于细胞培养室（1）的排液端口（12）附近，用于对第二受压膜片（5）施加压力；所述的第二空气腔（4）两侧分别有一个进气端口（41）和一个排气端口（42），分别用于进气和排气；
所述的第一受压膜片（3），为第一空气腔（2）和细胞培养室（1）之间的所夹部分，第一受压膜片（3）受到第一空气腔（2）中的空气压力会产生变形，细胞培养室（1）中对应部分的高度就随之改变；
所述的第二受压膜片（5），为空气腔（4）和细胞培养室（1）之间的所夹部分，第二受压膜片（5）受到第二空气腔（4）中的空气压力会产生变形，细胞培养室（1）中对应部分的高度就随之改变;
细胞培养室（1）中对应部分的高度是指：细胞培养室弯曲部分变形后的高度hc＝h-d，其中h为细胞培养室的初始高度，d为受压膜片由空气腔中的空气压力引起的变形；
细胞培养室位于两个空气腔的上部。
2.根据权利要求1所述的具有可变结构的微流控细胞培养单元，其特征在于：当不允许液体通过进液端口（11）排出时，将所述的细胞培养室（1）中与第一受压膜片（3）对应部分的高度设置为零；当不允许液体通过排液端口（12）排出时，将所述的细胞培养室（1）中与第二受压膜片（5）对应部分的高度设置为零；当允许液体通过但不允许细胞通过进液端口（11）排出时，将所述的细胞培养室（1）中与第一受压膜片（3）对应部分的高度设置为小于细胞所能通过的最小高度；当允许液体通过但不允许细胞通过排液端口（12）排出时，将所述的细胞培养室（1）中与第二受压膜片（5）对应部分的高度设置为小于细胞所能通过的最小高度；当需要将细胞从排液端口（12）排出时，令第二受压膜片（5）不发生变形，将所述的细胞培养室（1）中与第二受压膜片（5）对应部分的高度设置为细胞培养室（1）的原有高度。
3.根据权利要求1所述的具有可变结构的微流控细胞培养单元，其特征在于：所述细胞培养室（1）是正方体，长方体，圆柱体，椭圆柱体，或它们的各种组合体。
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