CN102816695A - 一种微流控芯片及其研究流体剪切力对细胞作用的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种微流控芯片及其研究流体剪切力对细胞作用的方法，该微流控芯片由四个细胞培养池和四条流体通道组成；四个细胞培养池大小相等并相互平行，培养池a和b共用一个细胞进样口和一个细胞废液池，培养池c和d共用一个细胞进样口和一个细胞废液池，四个细胞培养池上端分别与四个流体通道相连，下端与同一废液池相连；四条流体通道共同起始于培养液进样口，末端分别与四个细胞培养池相连；该微流控芯片用于研究流体剪切力对细胞的作用。

Description

一种微流控芯片及其研究流体剪切力对细胞作用的方法
技术领域
本发明涉及将微流控芯片技术应用于生物医学研究的领域，特别提供了一种微流控芯片及其研究流体剪切力对细胞作用的方法。
背景技术
液体流动是骨组织察觉力学刺激并产生反应的关键调控因子， 在外力作用下，液体从高应变区流向低应变区，骨组织中的各类细胞持续地暴露在由于液体流动而造成的剪切力之中并发生一系列的反应。体外研究流体剪切力对细胞作用的装置是根据流变学原理研制的加载装置，其基本原理是利用流动的培养液对附着于培养基质上的细胞产生剪切力，平行平板流动室是目前国内外常用的一种流体剪切力实验加载装置，但是很难在同一块平行平板流动室生成倍比变化的流体剪切力。近年发展起来的微流控芯片技术可以在几平方厘米的芯片上形成微通道网络，以可控流体贯穿整个系统，用以取代常规生物或化学实验室的各种功能的一种新技术。我们以微流控芯片为技术平台体外构建加载流体剪切力的细胞培养装置，为研究流体剪切力对细胞的作用提供一个有效的工具。
发明内容                                       
本发明的目的在于提供一种微流控芯片及其研究流体剪切力对细胞作用的方法，以实现在体外研究流体剪切力对细胞作用。
本发明提供了一种微流控芯片，其特征在于：所述的微流控芯片主要由细胞培养池a 1、细胞培养池b 2、细胞培养池c 3、细胞培养池d 4、流体通道a 5、流体通道b 6、流体通道c 7、流体通道d 8、培养液进样口 9和废液池 10组成；
——所述流体通道a 5、流体通道b 6、流体通道c 7和流体通道d 8共同起始于培养液进样口9，且上述四条流体通道的末端分别与细胞培养池a 1、细胞培养池b 2、细胞培养池c 3、细胞培养池d 4依次对应连接，且细胞培养池a 1、细胞培养池b 2、细胞培养池c 3和细胞培养池d 4与同一废液池 10相连。
其中，所述细胞培养池a 1、细胞培养池b 2、细胞培养池c 3、细胞培养池d 4大小相等并相互平行，细胞培养池a 1和细胞培养池b 2共用一个细胞进样口a 11和一个细胞废液池a 13，细胞培养池c 3和细胞培养池b 4共用一个细胞进样口b 12和一个细胞废液池b 14；流体通道a 5、流体通道b 6、流体通道c 7、流体通道d 8的高度一致，流体通道a 5、流体通道b 6、流体通道c 7、流体通道d 8的宽度和长度不同；优选，流体通道a 5、流体通道b 6、流体通道c 7、流体通道d 8的高度均为100μm，流体通道a 5、流体通道b 6、流体通道c 7、流体通道d 8的宽度分别为400μm、90.8μm、51.9μm、49.2μm，流体通道a 5、流体通道b 6、流体通道c 7、流体通道d 8的长度分别为4.85μm、12.74μm、29.88μm、138.27μm。
本发明提供的一种微流控芯片，液体流经所述的流体通道a 5、流体通道b 6、流体通道c 7、流体通道d 8后在细胞培养池a 1、细胞培养池b 2、细胞培养池c 3、细胞培养池d 4内产生的流场是稳定的，具体见图4，而且液体流经所述流体通道a 5、流体通道b  6、流体通道c 7、流体通道d 8后在细胞培养池a 1、细胞培养池b 2、细胞培养池c 3、细胞培养池d 4内产生的流体剪切力是倍比变化的，在细胞培养池a 1、细胞培养池b 2、细胞培养池c 3、细胞培养池d 4内产生的流体剪切力的比值为1:5:25:125，具体见图5。
本发明中微流控芯片的上层材料为PDMS聚合物，等离子体处理后与下层的玻璃材料不可逆封接，并使PDMS表面由疏水状态转化为亲水状态。
本发明中使用微流控芯片研究流体剪切力对细胞作用的方法，具体的过程如下：
——通过细胞进样口将细胞接种于四个细胞培养池内；
——将芯片置于37℃的CO2培养箱内培养12~24小时，使细胞充分贴壁，对每个细胞培养池内的细胞进行计数；
——将微量注射泵与培养液进样口相连接，对细胞进行持续灌流培养；
——将芯片置于37℃的CO2培养箱内培养24~72小时，考察流体剪切力对细胞的作用。
本发明提供的微流控芯片，其优点在于：可在一块几平方厘米的芯片上培养细胞，并对细胞施加倍比变化的流体剪切力，考察流体剪切力变化对细胞的影响，具有重要的生物医学研究价值和经济价值。
附图说明
图1显示微流控芯片的结构示意图，其中（1）细胞培养池a、（2）细胞培养池b、（3）细胞培养池c、（4）细胞培养池d、（5）流体通道a、（6）流体通道b、（7）流体通道c、（8）流体通道d、（9）培养液进样口、（10）废液池、（11）细胞进样口a、（12）细胞进样口b、（13）细胞废液池a、（14）细胞废液池b；
图 2 显示微流控芯片实物照片，其中（15）为PDMS表层、（16）为玻璃基底；
图 3 显示四条流体通道的显微镜下的示意图； 
图 4 显示细胞培养池内的流场分布模拟图；
图 5 显示计算所得出的不同细胞培养池内流体剪切力的大小；
图 6 灌流培养48小时后进行Rh123-Hoechst染色，显示不同细胞培养池内MC3T3-E1细胞的生长状况图，其中（1）细胞培养池a、（2）细胞培养池b、（3）细胞培养池c、（4）细胞培养池d；
图 7显示灌流培养48小时后不同细胞培养池内MC3T3-E1细胞增殖指数的变化，其中（1）细胞培养池a、（2）细胞培养池b、（3）细胞培养池c、（4）细胞培养池d。
具体实施方式
下面的实施例将对本发明予以进一步的说明，但并不因此而限制本发明。
实施例1
一种微流控芯片，具体结构如图1所示，其实物图如图2所示，其芯片上层材料为PDMS聚合物，通过不可逆封接技术封接于下层玻璃表面，主要由细胞培养池a 1、细胞培养池b 2、细胞培养池c 3、细胞培养池d 4和流体通道a 5、流体通道b 6、流体通道c 7、流体通道d 8、培养液进样口 9和废液池 10组成；所述流体通道a 5、流体通道b 6、流体通道c 7和流体通道d 8共同起始于培养液进样口9，且上述四条流体通道的末端分别与细胞培养池a 1、细胞培养池b 2、细胞培养池c 3、细胞培养池d 4依次对应连接，且细胞培养池a 1、细胞培养池b 2、细胞培养池c 3和细胞培养池d 4与同一废液池 10相连；所述的流体通道a 5、流体通道b 6、流体通道c 7、流体通道d 8的高度均为100μm，流体通道a 5、流体通道b 6、流体通道c 7、流体通道d 8的宽度分别为400μm、90.8μm、51.9μm、49.2μm，流体通道a 5、流体通道b 6、流体通道c 7、流体通道d 8的长度分别为4.85μm、12.74μm、29.88μm、138.27μm。
实施例2
使用实施例1中的微流控芯片，将微量注射泵与培养液进样口相连接，以0.08μl/分钟的流速进行培养液的灌流，测量上述微流控芯片细胞培养池内的流场分布，其中四个细胞培养池（1）细胞培养池a、（2）细胞培养池b、（3）细胞培养池c、（4）细胞培养池d内的流场分布均匀，具体见图4。
实施例3
使用实施例1中的微流控芯片，将微量注射泵与培养液进样口相连接，以0.08μl/分钟的流速进行培养液的灌流，测量上述微流控芯片不同细胞培养池内流体剪切力的大小，其中（1）细胞培养池a、（2）细胞培养池b、（3）细胞培养池c、（4）细胞培养池d，细胞培养池a中的流体剪切力远远大于细胞培养池b、c、d中的流体剪切力，他们的比值约为1:5:25:125，具体见图5。
实施例4
使用实施例1中的微流控芯片考察流体剪切力变化对细胞增殖的影响，通过细胞进样口将前成骨细胞系MC3T3-E1细胞接种于四个细胞培养池内，将芯片置于37℃的CO2培养箱内培养24小时，使细胞充分贴壁，对每个细胞培养池内的细胞进行计数。将微量注射泵与培养液进样口相连接，以0.08μl/分钟的流速对细胞进行灌流培养，48小时后对细胞进行Rh123-Hoechst染色，考察细胞的生长状况，见图6，并对每个细胞培养池内的细胞进行计数。通过比较灌流培养前后细胞数量的变化，计算出每个细胞培养池内的细胞增殖指数，见图7。细胞培养池d中的流体剪切力最大，其内的细胞增殖速度最慢，与细胞培养池a和b内的细胞增殖指数相比，有显著性差异，因此，在流体剪切力作用下，细胞培养池d中的细胞增殖能力与细胞培养池a和b内的细胞相比显著下降。

Claims (8)

1.一种微流控芯片，其特征在于：所述的微流控芯片主要由细胞培养池a（1）、细胞培养池b（2）、细胞培养池c（3）、细胞培养池d（4）、流体通道a（5）、流体通道b（6）、流体通道c（7）、流体通道d（8）、培养液进样口（9）和废液池（10）组成；
——所述流体通道a（5）、流体通道b（6）、流体通道c（7）和流体通道d（8）共同起始于培养液进样口（9），且上述四条流体通道的末端分别与细胞培养池a（1）、细胞培养池b（2）、细胞培养池c（3）、细胞培养池d（4）依次对应连接，且细胞培养池a（1）、细胞培养池b（2）、细胞培养池c（3）和细胞培养池d（4）与同一废液池（10）相连。
2.按照权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于：所述细胞培养池a（1）、细胞培养池b（2）、细胞培养池c（3）、细胞培养池d（4）大小相等并相互平行，细胞培养池a（1）和细胞培养池b（2）共用一个细胞进样口a（11）和一个细胞废液池a（13），细胞培养池c（3）和细胞培养池b（4）共用一个细胞进样口b（12）和一个细胞废液池b（14）。
3.按照权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于：所述的流体通道a（5）、流体通道b（6）、流体通道c（7）、流体通道d（8）的高度相同，流体通道a（5）、流体通道b（6）、流体通道c（7）、流体通道d（8）的宽度和长度不同。
4.按照权利要求3所述的微流控芯片，其特征在于：液体流经所述的流体通道a（5）、流体通道b（6）、流体通道c（7）、流体通道d（8），在细胞培养池a（1）、细胞培养池b（2）、细胞培养池c（3）、细胞培养池d（4）内产生的流场是稳定的。
5.按照权利要求3所述的微流控芯片，其特征在于：液体流经所述流体通道a（5）、流体通道b（6）、流体通道c（7）、流体通道d（8），在细胞培养池a（1）、细胞培养池b（2）、细胞培养池c（3）、细胞培养池d（4）内产生的流体剪切力是倍比变化的，在细胞培养池a（1）、细胞培养池b（2）、细胞培养池c（3）、细胞培养池d（4）内产生的流体剪切力的比值为1:5:25:125。
6.按照权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于：所述的流体通道a（5）、流体通道b（6）、流体通道c（7）、流体通道d（8）的高度均为100μm，流体通道a（5）、流体通道b（6）、流体通道c（7）、流体通道d（8）的宽度分别为400μm、90.8μm、51.9μm、49.2μm，流体通道a（5）、流体通道b（6）、流体通道c（7）、流体通道d（8）的长度分别为4.85μm、12.74μm、29.88μm、138.27μm。
7.按照权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于：所述微流控芯片的上层材料为PDMS聚合物，下层为玻璃。
8.一种按照权利要求1所述的微流控芯片研究流体剪切力对细胞作用的方法，具体过程如下：
——通过细胞进样口将细胞接种于四个细胞培养池内；
——将芯片置于37℃的CO2培养箱内12~24小时，使细胞充分贴壁，对每个细胞培养池内的细胞进行计数；
——将微量注射泵与培养液进样口相连接，对细胞进行持续灌流培养；
——将芯片置于37℃的CO2培养箱内培养24~72小时，考察流体剪切力对细胞的作用。
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