CN102586084B - 流量法控制两种动态生化信号快速切换刺激的微流控剪切装置 - Google Patents

Abstract

本发明是用于调控离体培养细胞微流动环境的细胞生物学实验装置，具体为流量法控制两种动态生化信号快速切换刺激的微流控剪切装置。该实验装置包括动态生化信号产生装置和微流控芯片两部分。动态生化信号产生装置由可编程注射泵、注射器、硅胶管和三通接口组成；微流控芯片是集成了液体进口、出口、Y型微通道的玻璃PDMS芯片。该发明不仅能产生剪应力信号，且能同时生成强度和频率不同的两种动态生化信号(即生化因子浓度随时间变化的信号)，并能根据实验需要通过控制Y型微通道液体进口流量实现对贴壁细胞加载剪应力、以及快速切换加载两种动态生化信号刺激，用于分析微流动环境定量调控离体贴壁细胞的生物行为及其机制的细胞生物学研究实验。

Description

流量法控制两种动态生化信号快速切换刺激的微流控剪切装置

技术领域

本发明属于细胞生物学实验装置技术领域，是基于流体力学、微流控芯片技术设计的用于分析微流动环境定量调控离体贴壁细胞的生物学行为及其机制的细胞生物学研究实验装置。

背景技术

细胞微流动环境与细胞相互作用的研究日益成为细胞生物学领域的研究热点之一。在体细胞微流动环境中包含多种浓度随时间变化的动态生化因子，即动态生化信号，因此，在体细胞承受微流动产生的剪应力以及多种动态生化信号的联合作用，其生命过程和行为受微流动环境的调控。为离体培养的细胞单独或组合加载生物力学和多种生化信号是研究复杂微流动环境与细胞相互作用的前提。高度、横向和纵向几何尺寸在微米、毫米或厘米量级的微流控芯片技术是构建离体培养细胞微流动生物力学和生物化学环境的重要实验工具，在细胞生物学研究工作中得到了广泛使用。然而在基于微流控芯片的细胞生物学研究中，人们大多使用静态的生物力学和生化信号刺激离体培养细胞，使用的实验装置无法同时加载剪应力与不同动态生化信号的组合切换刺激。少数能产生动态生化信号的实验装置，采用脉冲编码调制(PCM)器、浓度数模转化器(C-DAC)等方法，不仅微流控芯片结构复杂，而且控制过程困难。因此迫切需要一种新型的能简易方便地产生动态生化信号、并能对离体培养的细胞精确加载剪应力和不同动态生化信号的组合切换刺激的离体细胞生物学实验装置。

发明内容

本发明提供一种新型的用于细胞生物学研究的实验装置，设计中巧妙地将流体力学原理和微流控技术结合，使得装置设计结构简单，控制过程方便，可通过软件编程自动控制产生动态生化信号，不仅可为体外细胞加载剪应力与两种不同的动态的生化刺激，更好地模拟细胞的在体环境，而且通过流量控制能切换刺激细胞的生化因子和调控生化因子浓度，实现对离体培养细胞微流动环境的定量调控。

本发明的技术方案如下：

一种流量法控制两种动态生化信号快速切换刺激的微流控剪切装置，该装置包括动态生化信号产生装置和微流控芯片两部分，主要由可编程注射泵、注射器、双通接口、硅胶管、三通接口、液体进口A、液体进口B、Y型微通道、液体出口构成。

动态生化信号产生装置包括四组可编程注射泵和注射器，注射器包括溶质A注射器、溶剂A注射器、溶剂B注射器、溶质B注射器，每个注射器的活塞凸缘固定在注射泵的推动块上，注射管用夹钳固定在注射器固定块的V型槽内，通过计算机控制推动块的运动实现流量的定量调控。溶质A注射器和溶剂A注射器通过双通接口和硅胶管连接到三通接口，构成了生成溶液A的动态生化信号产生装置。溶剂B注射器、溶质B注射器通过双通接口和硅胶管连接到三通接口，构成另一个生成溶液B的动态生化信号产生装置。微流控芯片是透明的玻璃-PDMS芯片，具有良好的生物相容性，集成了液体进口A、液体进口B、Y型微通道和液体出口。

以溶液A为例阐述生成含有动态生化因子(溶质A)生化信号的原理。如图3所示，Q_A1、Q_A2和Q_A分别表示溶质A、溶剂A和溶液A的流量，C_A1、C_A2和C_A分别表示溶质A、溶剂A和溶液A的生化因子浓度，溶剂A中不含生化因子，所以C_A2＝0，根据质量守恒定律和流体连续性得：

Q_A1+Q_A2＝Q_A

(1)

Q_A1C_A1＝Q_AC_A

由式(1)得：

$Q_{A1}=\frac{Q_A{C}_A}{C_{A1}}---\left(2\right)$

$Q_{A2}=Q_A(1-\frac{C_A}{C_{A1}})---\left(3\right)$

因此在给定溶液A的流量Q_A、浓度C_A和溶质A的浓度C_A1，即可得到溶质A和溶剂A的流量Q_A1和Q_A2。根据上述原理通过控制注射泵使溶质A注射器和溶剂A注射器的流量按照Q_A1和Q_A2变化，即可生成流量按Q_A、浓度按C_A变化的动态生化信号，即溶液A。溶液B的产生原理与之类似。

溶液A和溶液B分别通过玻璃-PDMS芯片上的液体进口A和液体进口B流入Y字型微通道；细胞培养在Y字型微通道的底部；

Y型微通道(图5)的高度H远小于其宽度W和长度L并且尺寸在微米、毫米级，根据流体力学知识可知，Y型微通道内的流体表现出层流特性，流体在x轴方向的运动和变化可以忽略，根据泊肃叶定律可得溶液在Y型微通道内的流速为：

$u_z\left(y\right)=(-\frac{\∂p}{\∂z})\frac{H^2}{8\mathrm{\η}}[1-{\left(\frac{2y}{H}\right)}^2]---\left(4\right)$

其中p为压强，η为溶液粘度系数。进而得到单位宽度的流量：

$\frac{Q}{W}=(-\frac{\∂p}{\∂z})\frac{H^3}{12\mathrm{\η}}---\left(5\right)$

在假设溶液A和溶液B的粘度系数近似相等的情况下，溶液A和溶液B在单位宽度上的流量相等，即：

W₁/W₂＝Q_A/Q_B    (6)

其中Q_A和Q_B表示溶液A和溶液B的流量，W₁和W₂表示溶液A和溶液B在细胞培养通道内所占的宽度。

由以上推导可知，在细胞培养通道内溶液A和溶液B的流场分界线(图5中点划线)与溶液A和溶液B的流量比Q_A/Q_B有关，控制该流量比即可改变流场分界线的位置，进而改变贴壁细胞处的刺激溶液的浓度和种类，实现两种不同动态生化信号的切换刺激

该Y型微通道在对贴壁细胞加载动态生化刺激的同时也加载了剪应力信号，剪应力与流体的粘度系数和剪变率成正比，因此有：

其中η是粘度系数，

是流体剪变率，剪变率定义为

由式(4)(5)(7)(8)得到加载到贴壁细胞的剪应力为：

${\mathrm{\τ}}_w=\mathrm{\η}\frac{\∂u_z}{\∂y}{|}_{y=-H/2}=\frac{6\mathrm{\ηQ}}{W{H}^2}---\left(9\right)$

因此加载在贴壁细胞上的剪应力大小τ_w与细胞培养通道总的流体流量Q成正比，通过控制流量Q可定量调控剪应力的大小。最后流出的溶液由液体出口流入试管中。

本发明的有益效果是可成功对离体培养的贴壁细胞实现剪应力、以及两种不同动态生化信号的切换刺激，用于分析微流动环境定量调控离体贴壁细胞的生物学行为及其机制的细胞生物学研究实验。

附图说明

图1是流量法控制两种动态生化信号快速切换刺激的微流控剪切装置结构图。图中：A动态生化信号产生装置，B微流控芯片。

图2是可编程注射泵及其示意图。

图3是溶液A产生原理图。

图4是微流控芯片示意图。

图5是Y型通道示意图。

图6是实验系统示意图。

图中：1溶质A注射器；2溶剂A注射器；3溶剂B注射器；4溶质B注射器；5双通接口；6硅胶管；7三通接口；8溶液A；9溶液B；10液体进口A；11液体进口B；12Y型微通道；13玻璃-PDMS芯片；14贴壁细胞；15液体出口；16试管；17注射器固定块；18V型槽；19夹钳；20推动块。

具体实施方式

如图1所示，本发明主要由动态生化信号产生装置和微流控芯片组成。其中动态生化信号由可编程注射泵控制流量变化在组合的硅胶管内混合产生。微流控芯片是透明的生物相容性良好的玻璃-PDMS芯片，集成了液体进口、出口和Y型微通道。动态生化信号产生部分通过硅胶管、连接头与微流控芯片上的液体进口连接构成了流量法控制两种动态生化信号快速切换刺激的微流控剪切装置。

本实施例中，该装置与激光显微镜、计算机构成了细胞体外培养分析系统，如图6所示。其中在动态生化信号产生部分，四组可编程注射泵的注射器分别装有刺激溶液A和溶液B的溶质A、溶剂A、溶质B和溶剂B。给定溶液A和溶液B的流量及浓度变化情况时，即可推算出各组注射器的流量变化，通过软件编程控制注射泵的流量变化即可得到预期的含有动态生化信号的刺激溶液A和溶液B。在微流控芯片部分，生成的溶液A和溶液B通过液体入口进入Y型微通道，对细胞培养通道内离体培养的贴壁细胞加载剪应力、生化刺激并形成刺激溶液A和溶液B的流场分界线，其中Y型微通道高度为30μm，宽度为400μm，长度为4cm。进一步，利用激光共聚焦或荧光显微镜实时监测刺激溶液浓度和流场分界线的位置并将信息反馈给计算机，进而通过控制各注射器流量变化及溶液A和溶液B的流量比定量调控刺激溶液的浓度，剪应力大小，改变流场分界线的位置以切换刺激溶液。发明可成功对离体培养的贴壁细胞实现剪应力、以及两种不同动态生化信号的切换刺激，用于分析微流动环境定量调控离体贴壁细胞的生物学行为及其机制的细胞生物学研究实验。

Claims (1)

1.一种流量法控制两种动态生化信号快速切换刺激的微流控剪切装置，包括动态生化信号产生装置和微流控芯片两部分，其特征在于，动态生化信号产生装置包括四组可编程注射泵和注射器，注射器包括溶质A注射器、溶剂A注射器、溶剂B注射器、溶质B注射器，每个注射器的活塞凸缘固定在注射泵的推动块上，注射管用夹钳固定在注射器固定块的V型槽内，通过计算机控制推动块的运动实现流量的定量调控；溶质A注射器和溶剂A注射器通过双通接口和硅胶管连接到三通接口，构成了生成溶液A的动态生化信号产生装置；溶剂B注射器、溶质B注射器通过双通接口和硅胶管连接到三通接口，构成另一个生成溶液B的动态生化信号产生装置；

微流控芯片是透明的玻璃-PDMS芯片，集成了液体进口A、液体进口B、Y型微通道和液体出口。

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