CN102481571A - 生物微流体芯片及相关方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种生物微流体芯片(100)，包括衬底(102)、在衬底(102)表面上限定有开口的微流体入口(104)、以及在衬底(102)表面上限定有开口的微流体出口(106)。生物微流体芯片(100)还包括多个从衬底的顶面(110)延伸的孔(108)，其中每个孔(108)由一个或多个壁限定边界，流入开口(112)和流出开口(114)设置于多个孔(108)中的每个孔的壁上。微流体流入通道(116)设置于衬底(102)内，将微流体入口(104)连接到孔壁上的每个流入开口(112)；微流体流出通道(118)设置于衬底内，将孔壁上的每个流出开口(114)连接到微流体出口(106)。

Description

生物微流体芯片及相关方法
技术领域
本发明涉及一种生物微流体芯片以及使用这种生物微流体芯片的方法。为了方便，可将生物微流体芯片称为“生物芯片”。
背景技术
在生物和生物医学的科学研究中，研究人员为了进行研究，常常在培养容器中培养细胞或胚胎。培养容器的一种非常普遍的形式是所谓的微滴定板(microtitre plate)，其通常包含形成在板内的直边圆柱形孔(well)。具有标准形状和尺寸微滴定板用于在分析设备或机器人处理器中锁住保留物(retention)。
实际上，微滴定板通常包括网格状模式的微滴定孔阵列。一种众所周知的排列形式包括96个微滴定孔，其中限定了8排且每排12个微滴定孔的阵列。该96孔板设计已成为生物分子筛选协会(Society for Biomolecular Screening)规定的工业标准样式。
微滴定板通常由透明的聚合物制成，比如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(′ABS′)。该透明特性使研究人员能够对微滴定孔内培养的细胞、胚胎或幼虫进行各种光学试验。此外，微滴定孔适用于进行大量不涉及细胞材料的试验和研究。
微滴定孔在使用时，其上端为开放的。可使用电子控制的计量器(dosingapparatus)向微滴定板的每个孔内注入培养溶液以及如试剂、酶或者其他添加剂，以研究这些试剂、酶或者其他添加剂对微滴定孔内细胞的作用。
为了方便起见，参考处于操作方向的微滴定孔或生物微流体芯片来解释本发明中所使用的术语，比如“上面的”、“在上方”、“下部的”、“垂直的”、“水平的”、“向上地”以及“向下地”。这样当生物芯片平放在比如试验台的水平面上且孔开口向上时，可以理解这些术语。然而应承认的是，在使用生物芯片或其他细胞培养容器时，其方向会发生改变，比如作为实验或观察程序的一部分，对生物芯片或其他细胞培养容器进行离心或作其他摇动、或者倾斜或倒置。但不应将上述术语以及相关的术语理解成将本发明的保护范围限制为培养容器的特定方向或者任何特定的使用模式。
Christopher B.Rohde等人所著、于2007年8月28日刊登在美国国家科学院院刊(PNAS)第104卷、no.35，13891-13895的“Microfluidic system for on-chiphigh-throughput whole-animal sorting and screening at subcellular resolution”的论文公开了由用柔性聚合物制成的流动层和控制层组成的微流体装置。该流动层包括微通道，用于对线虫(C.elegans)进行操作、使其固定以便于成像，以及用于传送培养基和试剂。流动层还包含微室，用于培养动物。控制层由微通道组成，当对微通道加压时，将膜折曲到流动通道中，以阻止流体的流动或使流体改向。透过透明的玻璃衬底，可使用高分辨率的显微镜对流动管道(flow line)内的动物进行成像。
不应将本说明书中对先前公开文件或任何背景资料的列举或讨论视为承认该文件或背景资料为现有技术的一部分或者常识。本发明的一个或多个方面/实施例可能解决或者没有解决一个或多个背景问题。
发明内容
根据本发明的第一个方面，提供了一种生物微流体芯片，该生物微流体芯片包括：
衬底；
微流体入口，该微流体入口在所述衬底表面上限定有开口；
微流体出口，该微流体出口在所述衬底表面上限定有开口；以及
多个孔，自所述衬底的顶面延伸，其中由一个或多个壁限定所述每个孔的边界，流入开口和流出开口设置于所述每个孔的壁上；
一个或多个微流体流入通道，位于所述衬底内，所述微流体流入通道将所述微流体入口连接至所述孔壁上的所述每个流入开口；以及
一个或多个微流体流出通道，位于所述衬底内，所述微流体流出通道将所述孔壁上的所述流出开口连接至所述微流体出口。
在传统使用中，流入通道向孔内运送流体，流出通道将流体从孔内运送出去。然而，如果需要的话，可颠倒该流动的方式。
生物微流体芯片(生物芯片)可用于培养和研究孔内的细胞、胚胎以及幼虫；微流体通道可用于向孔内提供一种或多种微流体，也可用于从孔内移除一种或多种微流体。在一个实例中，可向孔内提供药物或其他化合物和/或营养物，以用于实验。在一些实施例中，可经微流体流出通道把会影响孔内实验进行的生物废物、代谢物和/或细菌从孔内移除。
根据本发明实施例的生物芯片能够改善在生物芯片的孔内进行的科学实验，并且能够以更低的成本以及更快的速度得到更精确更可靠的结果。
多个孔的壁可包括侧边界(可视为侧壁)，也可包括底壁(可视为孔的底)。所述壁可为平坦/平面的或者弯曲的。
要理解的是，术语“微流体”与流体的运动方式、精确控制和操纵有关，且所述流体在几何上限制为小、通常为亚毫米的尺寸。
对于每个孔或者一部分孔而言，微流体入口和孔壁上的流入开口之间的微流体通道的长度大致相等。即，虽然有些孔离入口较远，但是入口和流入开口之间的通道长度对每个孔而言基本上相同。
这样，微流体通道提供给每个单独的孔的流体的压力和流速基本上相同。这样可减小不同孔的内容物发生交叉污染的机会，并且可确保为每个孔提供相同的环境条件。从而使本发明公开的一种或多种生物微流体芯片能够在相同的条件下在多个不同的孔内同时进行可靠且可重复的实验。
同样，对于每个孔而言，孔壁上的每个流出开口和微流体出口之间的微流体通道的长度大致相等。如上所述，以同样的方式可确保以相同的流速将流体从每个孔内移除。
在一些实例中，微流体通道的长度可变，使得离入口最远的孔和离入口最近的孔能在相同的时间接收到相同流速的流体。在每种情况下，相同的可变长度可用于相应的微流体通道以及孔内每个流入开口/流出开口。
所述生物微流体芯片可进一步包括：
温度控制入口和温度控制出口；以及
温度控制通道，用于在使用时沿着与所述多个孔中的一个或多个孔接近的路径将温度控制流体从所述温度控制入口传输至所述温度控制出口，以使热量可在所述温度控制液体和所述孔的内容物之间进行交换。
设置这种内置的温度控制系统使生物芯片能够在实验过程中移动，而使用单独的温度控制装置会使生物芯片限制在具体的位置上。
热量可以交换，以便生物芯片在使用过程中加热或冷却孔内的内容物，并且可在所有孔之间提供稳定并且恒定的温度。
温度控制液体可为水介质、油、或者任何其他适于在沿着温度控制通道流动时维持所需温度的流体。
可为所述多个孔中的一部分孔设置一个或多个所述温度控制入口、温度控制出口和温度控制通道，这样可单独控制各个孔或者一部分孔的温度。
在一些实例中，与不同的温度控制入口和/或温度控制通道相关联的孔可共用一个温度控制出口。来自多个入口的温度控制通道可在向出口开口前交汇，以将每个通道的已经完成加热或冷却孔作用的温度控制流体混合在一起。这对于减少生物芯片所需端口数量而言是有利的，且也被视为可接受的，因为来自每个温度控制入口的温度控制流体在混合起来离开生物芯片之前已经完成了其作用。
所述多个孔可构成孔阵列，且为所述孔阵列的每一排孔设置单独的温度控制入口和温度控制通道。这样，可独立于其他排的孔的温度来独立控制该排孔的内容物的温度。
所述孔壁上的所述流入开口的位置可低于所述流出开口。这样能够使穿过微流体通道进入或者流出孔的微流体在孔内得到有效使用。比如，第一开口(入口)低于第二开口(出口)可在孔内保持所需要的流体深度，并且可确保微流体有效地穿过孔。
所述生物微芯片可进一步包括第二微流体入口，以及位于所述每个孔壁上的第二流入开口。所述第二流入开口可与所述第二微流体入口通过第二微流体流入通道流体连通。这样，比如通过混合来自孔中不同流入入口的不同流体，可在孔中进行更复杂的实验。在一个实施例中，通过例如位于孔不同侧上的不同流入开口可向同一孔中提供不同的化合物。也可能在孔中从第一微流体入口和第二微流体入口接收的不同流体/混合物之间出现梯度效应。
所述孔壁上的所述第二流入开口的位置可低于所述孔壁上的所述流出开口。这样可确保从第一流入开口和第二流入开口接收的流体经由孔有效地流到流出开口。
要理解的是，根据本发明实施例的生物微流体芯片可具有带多个流入开口和/或流出开口、以及多个入口和/或出口的孔。还要理解的是，在一些实施例中，入口和流入开口可用作出口和流出开口，反之亦然。
具有一个以上的流入开口和一个以上的流出开口的优点在于，如果一个开口受阻，流体依然可通过其他开口流入孔中。
所述生物微流体芯片可进一步包括用于密封孔的盖。所述盖可为滑动的、自动密封的、可移除的和/或被加热的。所述盖可由塑料、橡胶、硅树脂或其他这样的聚合物薄膜构成，且通过加热或粘合剂结合到玻璃上。所述盖也可经芯片内的专用微通道施加的真空结合到芯片上。所述盖也用于控制孔内的压力，保护孔的上开口不接触异物、以及不会因蒸发造成流体的损耗；和/或当需要向孔中添加某些物体(比如产品、细胞或细胞群、其他微流体)时，所述盖可打开孔的上开口。加热的盖可减小在盖上形成冷凝物的可能性，从而能够透过盖进行更精确的成像操作。
所述生物微流体芯片可位于支架内。
当盖处于适当位置时，每个孔相对于其他孔都是密封的。因此，孔与孔之间不会有通过孔的上开口发生交叉污染(例如细菌或其他病原体、药物和其他化合物)的风险。借由微流体通道，减小/防止了在两个或两个以上孔之间发生交叉污染的风险，这是因为通道较长并且包含流动的流体。因此，污染物从一个孔传递到另一个孔要逆着流体流的方向运动。
要理解的是，根据本发明的实施例，盖并非所述生物微流体的必要特征，并且本发明所描述的那些实例可在打开模式(在适当位置没有盖)或者关闭模式(即，盖覆盖孔的上开口)下进行操作。
所述生物微流体芯片是可重复使用的，比如可用于大量相同或不同的试验。在一些实例中，在生物芯片使用完后，可通过将清洗液流过微流体通道和孔来清洁该生物芯片。清洁生物芯片可以为自动或半自动的工序，以将生物芯片清洁到可重复的标准(reproducible standard)。也可用流体、辐照或紫外线对该芯片进行消毒。这样需要更换根据本发明实施例的生物芯片的频率低于现有技术的生物芯片，因此可提供更经济的生物芯片。
所述衬底至少部分可由D263玻璃制成。与已知的聚苯乙烯产品相比，已发现这种类型的玻璃减少了自发荧光，可用于通过其进行成像操作的生物芯片的至少一部分中。
所述多个孔在垂直截面上具有包括两个端对端相连的截头圆锥形；其中，所述截头圆锥形的较窄端部分配置在一起。孔可具有为圆形或方形水平截面的“沙漏”形状。所述截头圆锥形可为截头圆锥体或金字塔形，比如方形基底的金字塔形。
所述生物芯片的衬底可包括顶层和底层，且所述两个截头圆锥形在所述顶层和底层之间的边界处配置在一起。同样，第一微流体通道和/或第二微流体通道可设置于所述衬底的顶层和底层之间。这些特征便于生物芯片的制作。
一个或多个所述微流体通道可包括微流体阀。根据要在孔内进行的实验的要求，使用这些微流体阀来控制流体流动到孔内或者从孔内流出。比如，可根据特定的实验，在期望的时间将所需量的流体传送到孔内。所述微流体阀也可用于减少不同孔的内容物之间发生交叉污染的机会。
根据本发明的另一方面，提供了一种使用所述生物微流体芯片的方法，该生物微流体芯片包括：
多个孔；
微流体入口；以及
微流体出口；
所述方法包括：
将细胞提供给多个孔中的一个或多个孔，其中所述细胞用于实验；
将流体提供给所述微流体入口，以使所述流体进入所述一个或多个孔；
通过所述微流体出口从所述一个或多个孔内移除所述微流体；以及
对所述一个或多个孔的内容物进行成像，以获得所述一个或多个孔内的实验结果。
实验的实例可包括：
对斑马鱼胚胎/幼虫的实验，比如胚胎/幼虫经一段时间的发育情况；可使用的其他胚胎包括其他动物和植物的胚胎；
在其他实施例中，可对单层细胞进行实验，比如心脏干细胞；
可将组织和细胞生长在孔内的基质或膜上，以使细胞和/或组织能够进行两维或者三维生长。
所述方法可进一步包括将温度控制流体提供至所述生物微流体芯片的温度控制入口，以控制所述一个或多个孔的内容物的温度。
为所述多个孔中的一个或多个孔提供细胞可包括将细胞注入所述一个或多个孔的上开口，或者通过所述微流体通道和端口导入细胞。
附图说明
下面参考附图，通过非限制性实例来描述本发明的优选实施例，其中：
图1示出了根据本发明实施例的生物微流体芯片；
图2示出了根据本发明实施例的生物微流体芯片的一个孔的垂直截面图；
图3示出了根据本发明另一实施例的生物微流体芯片；
图4示出了图3中的生物微流体芯片的进一步细节；
图5示出了图3中的生物微流体芯片的进一步细节；以及
图6示出了在使用中的根据本发明实施例的生物微流体芯片；
图7示出了在根据本发明的支架内的生物微流体芯片。
具体实施方式
本发明所描述的一个或多个实施例涉及一种具有多个孔/凹槽的生物微流体芯片，其中每个孔与微流体流入通道和微流体流出通道流体连通。这样，可使流体通过孔，以移除任何随着时间累积的细菌或生物废物。同样，可通过微生物通道将药物或营养物输入孔内，用于培养和研究胚胎、多细胞生物的幼虫和成虫、单/多层组织/器官、细胞或细胞系。或者或此外，药物或其他化合物可通过孔的上开口导入每个孔内。
在一些实施例中，对于每个孔或者一部分孔而言，微流体入口和通向孔内的开口之间的微流体流入通道基本上具有相同的长度。这样对于每个孔或者一部分孔而言，可使孔之间的压力相等，且保持孔之间的流速。在一些实例中，这样可有利地降低不同孔的内容物之间发生交叉污染，且可为每个孔提供洁净的流体。
在其他实施例中，微流体通道的长度可不同，以便入口和一个或多个孔之间的压力相等，并保持其间的流速。要理解的是，可以任何方式设计微流体流入通道和微流体入口的物理特征，以能够为多个孔提供具有相同压力下且具有相同流速的流体。微流体流入通道和/或微流体入口物理特征的实例包括可影响流体流动的长度、直径、截面形状和表面特征。
在一些实施例中，可以与微流体流入通道和微流体入口相似的方式设置微流体流出通道和微流体出口，以将流体从一个或多个孔内移除。
图1示出了根据本发明实施例的生物微流体芯片(生物芯片)100。
生物芯片100包括具有微流体入口104和微流体出口106的衬底102，且入口104和出口106限定了衬底102的顶面110上的开口。微流体入口104和微流体出口106可当作微流体通道通向外部环境的入口。多个凹槽/孔108从衬底102的顶面110向下延伸。
在图1所示的实施例中，为了能够清楚地显示孔108的特征，仅仅示出了两个孔108a和108b。要理解在实际操作中，生物芯片100可包括32个孔、96个孔、869个孔或者任何所需数量的孔。生物芯片100的实施例的优点在于，可在小区域内设置大量的孔及其相关联的微流体通道。比如，根据本发明实施例的生物芯片可容纳869个孔，而传统的微滴定板在相同的区域内仅可容纳96个孔。
每个孔108具有进入孔108侧壁的第一开口112和进入相对侧壁的第二开口114。第一开口112为流入开口(inlet opening)的实例，第二开口114为流出开口(outlet opening)的实例。在该实例中，孔108具有方形的水平截面。在其他实施例中，可使用具有各种截面形状的孔108，其侧壁可采用任何构形的侧边，比如可为平坦的/平面的或者弯曲的。
微流体流入通道/导管116将微流体入口104连接至孔108内的每个流入开口112。同样，微流体流出通道118将微流体出口106连接至孔108侧壁上的每个流出开口114。
在该实例中，孔108侧壁上的流出开口114高于第一开口112，即，流出开口114离上表面更近，且孔108自该上表面向下延伸。流入开口112和流出开口114的这种配置可有利地促使液体从流入开口112进入孔108，随后通过流出开口114离开孔108，而不会在孔108内淤塞。开口112和开口114的配置可产生通过孔108的高效经济的流体吞吐量。
图2示出了根据本发明实施例的生物芯片200的孔202的截面侧视图。
生物芯片200包括衬底的第一层/顶层204、衬底的第二层/中间层206和衬底的第三层/底层218。从下面的描述中可理解，将衬底制作成三层可使微流体通道便利地位于衬底的主体内、且位于层与层之间。
从上方看该实例中的孔202时，孔202具有圆形的水平截面。但图2中所示的结构同样适用于具有不同截面形状的孔202。可认为图2中所示的孔202在垂直截面上为“沙漏(hourglass)”形状。
孔202的上部(即，孔202中穿过上层204的部分)从衬底的第一层204的上表面214向下延伸。在该实例中，孔202的上部为截头圆锥形，且其中与孔的上部相关的锥体指向下面，即远离衬底的第一层204的上表面214的方向。
孔202具有底部，该底部延伸进入衬底的第二层206。孔202下部的水平截面也为圆形。在该实例中，孔202底部的形状还为截头圆锥形，但是这次与孔202底部的截头圆锥形相关的锥体指向上面，即朝向衬底的第一层204的顶面214的方向。
对于层204和层206，孔202在衬底的第一层204和第二层206之间边界处的水平截面基本相同，从而得到了连续的孔202。要理解的是，当孔202作为整体时，孔202的两个尖对尖的截头圆锥形部分在垂直截面上为“沙漏”形状。
具有沙漏形状的孔202可有利于对孔202的内容物进行成像。比如，具有该形状的孔202能够从生物芯片200的顶部或底部对孔202的内容物进行观察/分析/测量，而不需要透过衬底中的不必要区域204和206查看。通常使用显微镜进行成像，微流体芯片可由用于显微镜等级的玻璃层制成。第一层204、第二层206和第三层218之间的边界不会影响对孔内容物的成像。在其他实施例中，孔壁可为平坦/平面的，以使得孔沿其长度具有恒定的截面形状和尺寸。
孔202具有与微流体通道207流体连通的第一开口208。在该实例中，微流体通道207为流体的流入通道。开口208邻近孔202的下表面216。
此外，第二开口210设置于衬底的第一层204和第二层206之间的孔202的侧壁上。第二开口210与第二微流体通道212流体连通。在该实例中，第二微流体通道212为微流体流出通道。在使用时，胚胎或幼虫(比如斑马鱼的胚胎或幼虫)可位于孔202内；营养物、药物或其他化合物可从微流体流入通道207和第一开口208泵入孔202内，或者可通过移液器从孔的上开口导入这些物质。
可通过孔202侧壁上的第二开口210将一种或多种流体从孔202内移除，其中第二开口210通向微流体流出通道212。要理解的是，从孔202中提取出的流体可包括会随着时间在孔202内形成的任何废物，以及包括胚胎/幼虫和任何细菌或其他病原体生成的产物、或生物废物、或药物或其他化合物、或脱落的组织或基质。
图3示出了根据本发明实施例的生物芯片的又一实施例。
图3的生物芯片300具有孔/凹槽302的阵列。在该实施例中，阵列为32个孔的4×8阵列。此外，在生物芯片300的一端，8个入口/出口304设置为4×2阵列。要理解的是，端口和孔可为其他配置。图3中未显示从入口/出口304延伸出的微流体通道，以便使图清晰。而在图4和图5中则更详细地显示了从入口/出口304延伸出的流体通道及其与孔302的相互关系。要理解的是，分别在图4和图5中显示的微流体通道实际上同时存在于图3所示的生物芯片300内，但是为了清晰起见，而单独予以显示。在该实例中，从上方看时，孔的截面为方形，但是也可为其他形状。
图4示出了图3的生物芯片300、从微流体入口410延伸至孔302的相关微流体流入通道、以及从微流体出口412延伸至孔302的微流体流出通道。
要理解的是，微流体入口410适合连接至任何微流体源，比如要提供给孔302的药物或营养培养基。如图4所示，微流体通道414从微流体入口410平行延伸至每排孔302。在该实例中，孔设置为4×8阵列，因此，从入口410延伸出四个微流体通道分支414(每排一个)。
针对给定的一排孔302的每个微流体通道414进一步分支，以与每个孔302内的第一开口418流体连通。而且，通过这种分支，可以看到微流体通道414平行地为每个孔302提供流体。
在该实例中，微流体通道414不直接从入口410延伸至孔302内的每个第一开口418，而是将通道414配置成使得微流体入口410和每个第一开口418之间的通道长度对于每个孔而言基本上相同，以便为每个孔提供保持相似流体流速的流体。这个目的可通过在微流体通道414的主干道和不同孔302内的第一开口418之间设置不同的通道长度来实现。比如，微流体通道可沿着数次对折回原点的路径延伸，以在入口410和第一开口418之间设置需要的整个通道长度，如图4中的附图标记416所示。要理解的是，对于离入口410较远的孔302而言，微流体通道414的主干道和第一开口418之间的路径长度应较短，以使在入口410和第一开口418之间设置的整个通道长度为每个孔提供基本一致的流体流量。这就意味着为每个孔供应流体时，无论孔离端口的距离为多少，流体受到的阻力大致相同，因此，可将流体均匀地供应给每个孔。
对于每个孔302而言，这样设置的微流体通道414和416能够使得流体在到达孔302的路径中所经历的物理特征是相同的。这就可为每个孔302提供具有相同压力的流体，从而提供了具有相同流速的流体，且因此减少了孔302的内容物被迫返回微流体流入通道414和416的可能性。反过来，这能够减少各个孔302的内容物之间发生交叉污染的可能性。
将相同的结构应用于微流体流出通道424和422，其中微流体流出通道424和422将微流体出口412连接至孔302内的第二开口420。
图5示出了用于控制生物芯片300的孔302内温度的端口和通道。在该实例中，从上方看，孔302的截面为方形，但也可以为其他形状。
在该实例中，具有四个温度控制入口510a、510b、510c、510d：孔302阵列的每一排孔具有一个温度控制入口。这样，可单独控制每排孔302的温度。生物芯片300包括单个温度控制出口512。其他可能的配置包括单个温度控制入口和单个温度控制出口，在这种实施例中，可使整个生物芯片保持在统一的温度下。
从每个温度控制入口510延伸出温度控制通道506，沿着邻近与温度入口510相关联的一排孔302的路径，将温度控制液体从入口510输送至出口512。要理解的是，“邻近”意味着温度控制通道506充分靠近孔302，使得热量可在孔304的内容物和温度控制通道506内的温度控制流体之间进行交换。热量可交换到温度控制流体中，或者从温度控制流体中交换出热量，以冷却或加热孔302的内容物。
在该实例中，温度控制通道506沿着与孔302的水平方形截面四个侧边中的三个侧边相邻的路径延伸，以均匀地加热或冷却孔的内容物。要理解的是，只要温度控制通道506内的温度控制流体和孔302的内容物之间可交换热量，则温度控制通道506可采取任何与孔302相关的路径。在孔302具有圆形水平截面的实例中，温度控制通道可沿圆形孔壁周长的部分或几乎全部进行延伸。
每排孔的温度控制通道506在经过孔后均交汇在一起，以形成共同的温度控制返回通道508，其中温度控制返回通道508与温度控制出口512流体连通。
已知现有技术的产品使用外部加热模块使生物芯片内的孔保持稳定的实验温度。因此在现有技术的系统中，微滴定板必须始终固定在加热模块上，这样就不能在使用中移动微滴定板。因此，如果每个孔需要统一的温度，那么现有技术中的微滴定板不易用于自动化的机器人处理系统中进行高通量筛选。相反，本发明中所描述的生物芯片的实施例具有内置的加热/冷却通道，因此不需要固定在恒温模块上，可在机器人系统中自由移动。这就提供了一种在使用上比现有技术中的微滴定板更灵活的生物芯片。
本发明所描述的实施例可用于对孔内的斑马鱼胚胎/幼虫进行实验，以及比如在未经处理或经药物或其他化合物处理的情况下，监控胚胎/幼虫经一段时间内的发育情况。在其他的实施例中，可对孔内的单层细胞、膜、基体(matrix)或其他基质(substratum)进行实验。
在该实施例中，生物芯片使用玻璃和/或(熔融)石英作为原材料。与已知的用于96孔微滴定板的聚苯乙烯相比，这种原材料可显著减少自发荧光。玻璃被认为是比较便宜的材料，但是玻璃和聚苯乙烯的混合物则因为要求了涂层技术而比较昂贵。进一步地，玻璃的抗磨损能力和对反复清洗周期的抵抗能力都要好于塑料。
在该实例中，生物芯片的表面为玻璃，这就能够在0.1秒内完成对样品重新聚焦的成像操作。相反，已知的具有聚苯乙烯表面的生物芯片则因为这种生物芯片的表面较粗糙而会产生漂移(drift)，且使作为成像操作一部分的红外线波长产生偏差。这意味着对现有技术的生物芯片进行重新聚焦，每个孔需要1秒以上的时间，这大大增加了进行大批量胚胎筛选所需的时间。
图6示出了使用中的根据本发明实施例的生物芯片300的孔602的垂直截面图；其中正在对斑马鱼胚胎604进行实验。
在该实例中，胚胎604由其绒毛膜606包围，并且包埋在低熔点琼脂糖608内(由机器人处理器注入孔内)，以防止胚胎在孔内移动。琼脂糖608凝固成凝胶体，但不会损害样本或防止气体/营养物的交换，并且琼脂糖608便于进行穿过胚外膜(绒毛膜606)的试验药物的注射。凝胶体608也可限制潜在的感染的扩散。通过平行延伸的微流体流入通道610向生物芯片600内的每个孔602供应稳定或恒定的确定缓冲溶液，从而降低了微生物交叉污染和药物向相邻孔渗漏的危险。此外，可由机器人移液处理器通过塑料或玻璃的滑动盖来给药，其中可缩回滑动盖以露出孔的开口注入药物。或者，该盖可为自封式盖，比如橡胶或聚合物塞子、层压薄膜或胶带。要理解的是，琼脂糖608并非必不可少，在其他实施例中，胚胎可自由地处于孔内流体或者任何其他物质中。
本发明所描述的生物芯片的一些实施例可包括盖，用于覆盖生物芯片衬底顶面上的孔的开口。该盖可为整合成生物芯片一部分的滑动盖。这样，盖能够滑向一侧至打开位置，以露出孔的开口供在实验开始之前导入胚胎，和/或在实验过程中导入药物。在实验过程中，盖可滑回覆盖位置。
在一些实例中，盖可密封孔，使得该孔不漏气和/或流体，从而能够在孔内进行高效的微流体流动。可移除的盖使得能够在实验后回收胚胎，以在生物芯片内的实验完成后，进行进一步的详细分析，比如聚合酶链反应(PCR)、提取信使核糖核酸(mRNA)等等。盖的移除可方便在实验后对孔的清洗，从而使生物芯片可重复使用。
在一些实施例中，可加热盖，以减小盖上形成冷凝物的可能性。减少冷凝物使得能够透过使用中的盖进行更精确的成像操作。或者，该盖可由塑料薄膜或多孔膜组成；其中塑料薄膜在加热下施用，多孔膜上的孔眼与孔的上开口对准且与置于多孔膜上的玻璃盖对准。该盖为薄膜时，针穿过盖进入孔后，盖可自密封。在某些情况下，盖是光学清晰/透明的，能够对孔的内容物进行显微分析；在其他情况下，盖可具有如镜般的上表面或下表面。
图7示出了根据本发明实施例的生物芯片200(如图2)放置在根据本发明的支架内时，孔202的垂直截面图。该支架包括若干层材料，当用螺钉将这些层连接起来时，可将生物芯片固定在特定位置。顶盖1由金属/塑料或者其他材料制成。板2为玻璃板或聚合物密封件，可安装在顶密封层3上。顶密封层3比如由硅树脂制成。层4为底(硅树脂)密封件。层5构成底盖，可由金属和/或塑料或其他材料构成。虚线6之间的角表示用于成像的底部视野。虚线7表示用于成像的层3内的孔的位置。虚线8之间的角表示用于成像的顶部视野。本发明的支架不限于该特定配置。
现在根据本发明的实施例详细描述生物微流体芯片的具体实施过程。该生物微流体芯片的实施例可由D263玻璃制成，因为发现与已知的聚苯乙烯产品相比，D263玻璃减少了自发荧光。
生物芯片内孔的截面积为2mm2-4mm2，这与已知的96孔微滴定板形成对比，因为96孔微滴定板的孔的截面积显著较大，即为33.18mm2(表面积(πr2)r＝3.25mm；h＝10mm)。因此，在自动化系统内使用时，该生物芯片的实施例可减少自动“发现&标记”的时间。
该生物芯片的实施例中，单个孔的容量为8mm3＝8μl(2mm×2mm×2mm)，这与已知的96孔板形成对比，其中96孔板单个孔的容量大约为250mm3-331mm3(33.18mm2*(7.5mm或者10mm))。因此，该生物芯片的实施例可减少化合物的使用成本，估计减少31％-41％(250/8至331/8)。
在该实例中，生物芯片能够容纳869个孔，而传统的微滴定板在相同的区域内每板仅容纳96个孔。这是因为96孔板的表面积(总面积为7823mm2；宽×深：72.3mm×108.2mm)大约为0.012个孔/mm2。相比之下，根据本发明实施例的生物芯片可容纳≥0.11个孔/mm2，其中每个孔加上与其相关微流体通道的表面积为3mm×3mm。
本发明所描述的实施例可用于在生物微流体芯片的孔内进行实验。实验的研究对象，比如胚胎，可添加入限定孔的衬底的上开口内。可选地，衬底的上开口可用上述盖进行覆盖。
本发明所描述的实例可将胚胎或其他研究对象固定在孔内，随后该研究对象经从微流体通道中接收的一种或多种流体处理；其中，微流体通道具有通向孔壁的开口。作为一个实例，流体可为研究对象提供营养物质。且研究对象不会经微流体通道移入孔内或从孔内移出。
本发明所描述的一种或多种生物微流体芯片内的孔可被认为是供研究对象生长的容纳室(holding chamber)，也可被认为与长期培养实验/系统相关。其中，“长期”可为几天，比如五天。
生物微流体芯片被认为与微流体蠕虫分选器属于不同的技术领域；其中，微流体蠕虫分选器是通过吸力将蠕虫捕捉在密封室内。与本发明所描述的具有孔的生物微流体芯片相比，这种微流体分选器可能需要不同的技术要求。

Claims (20)

1.一种生物微流体芯片，其特征在于，该生物微流体芯片包括：
衬底；
微流体入口，该微流体入口在所述衬底表面上限定有开口；
微流体出口，该微流体出口在所述衬底表面上限定有开口；以及
多个孔，自所述衬底的顶面延伸，其中由一个或多个壁限定每个孔的边界，流入开口和流出开口设置于所述每个孔的壁上；
一个或多个微流体流入通道，位于所述衬底内，所述微流体流入通道将所述微流体入口连接至孔壁上的每个流入开口；以及
一个或多个微流体流出通道，位于所述衬底内，所述微流体流出通道将所述孔壁上的每个流出开口连接至所述微流体出口。
2.根据权利要求1所述的生物微流体芯片，其特征在于，对于所述每个孔而言，所述微流体入口和所述孔壁上的流入开口之间的所述微流体通道的长度基本相等。
3.根据权利要求1或2所述的生物微流体芯片，其特征在于，该生物微流体芯片进一步包括：
温度控制入口和温度控制出口；以及
温度控制通道，用于在所述生物微流体芯片使用时，沿着与所述多个孔中的一个或多个孔接近的路径将温度控制流体从所述温度控制入口传输至所述温度控制出口，以使热量可在所述温度控制液体和所述孔的内容物之间进行交换。
4.根据权利要求3所述的生物微流体芯片，其特征在于，为所述多个孔中的一部分孔设置一个或多个所述温度控制入口、温度控制出口和温度控制通道。
5.根据权利要求3或4所述的生物微流体芯片，其特征在于，所述多个孔构成孔阵列，且为所述孔阵列中的每一排孔设置单独的温度控制入口和温度控制通道。
6.根据前述任一项权利要求所述的生物微流体芯片，其特征在于，所述每个孔壁上的所述流入开口的位置低于所述流出开口。
7.根据前述任一项权利要求所述的生物微流体芯片，其特征在于，该生物微流体芯片进一步包括：
第二微流体入口；以及
第二流入开口，位于所述孔壁上；
其中，所述第二流入开口与所述第二微流体入口通过第二微流体流入通道流体连通。
8.根据权利要求7所述的生物微流体芯片，其特征在于，所述孔壁上的所述第二流入开口的位置低于所述孔壁上的流出开口。
9.根据前述任一项权利要求所述的生物微流体芯片，其特征在于，该生物微流体芯片进一步包括盖；其中，所述盖为滑动的、自动密封的、可移除的和/或被加热的。
10.根据前述任一项权利要求所述的生物微流体芯片，其特征在于，所述衬底至少部分为D263玻璃。
11.根据前述任一项权利要求所述的生物微流体芯片，其特征在于，所述多个孔在垂直截面上具有包括两个端对端相连的截头圆锥形；其中，所述截头圆锥形的较窄端部分配置在一起。
12.根据权利要求11所述的生物微流体芯片，其特征在于，所述衬底包括顶层和底层，且所述两个截头圆锥形在所述顶层和底层之间的边界处配置在一起。
13.根据权利要求12所述的生物微流体芯片，其特征在于，第一微流体通道和/所述第二微流体通道设置于所述衬底的顶层和底层之间。
14.根据前述任一项权利要求所述的生物微流体芯片，其特征在于，一个或多个所述微流体通道包括微流体阀。
15.一种使用根据权利要求1-14中一项或多项所述的生物微流体芯片的方法，其特征在于，该方法包括：
将细胞、胚胎或幼虫提供给所述多个孔中的一个或多个孔，其中所述细胞、胚胎或幼虫用于实验；
将流体提供至所述微流体入口，以使所述流体进入所述一个或多个孔；
通过所述微流体出口从所述一个或多个孔内移除流体；以及
对所述一个或多个孔的内容物进行成像，以获得所述一个或多个孔内的实验结果。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括下列步骤：
在所述多个孔中的一个或多个孔中培养所述细胞、胚胎或幼虫；
使用药物或其他化合物对所述细胞、胚胎或幼虫进行选择性处理。
17.根据权利要求15-16所述的方法，其特征在于，所述细胞为干细胞。
18.根据权利要求15-17所述的方法，其特征在于，所述试验用于人、动物、微生物或植物的研究或筛选。
19.根据权利要求15-17所述的方法，其特征在于，在所述多个孔内培养光合体，比如植物细胞、叶绿体。
20.根据权利要求15-17中任一项所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括将温度控制流体提供至所述生物微流体芯片的温度控制入口，以控制所述一个或多个孔的内容物的温度。
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