CN102836751A

CN102836751A - 一种水凝胶微流控芯片及其加工方法

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Publication number: CN102836751A
Application number: CN2012103685482A
Authority: CN
Inventors: 霍丹群; 方可敬; 侯长军; 刘振
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2012-09-28
Publication date: 2012-12-26
Anticipated expiration: 2032-09-28
Also published as: CN102836751B

Abstract

本发明提供一种水凝胶微流控芯片，包括基底层、芯片层和封盖层；所述芯片层由PEG基水凝胶预聚物固化而成，并由上、下两层单元组成；第一层单元包括用于捕获细胞、并将捕获的细胞固定在其中进行培养的微井阵列；第二层芯片单元包括用于灌注细胞培养液的直流道和用于细胞代谢物收集、检测的矩形凹槽；第一层芯片单元的微井阵列与第二层芯片单元的直流道区域重合；第一层芯片单元和第二层芯片单元的矩形凹槽重合；所述芯片层设于基底层和封盖层之间，封盖层上设有与所述直流道和矩形凹槽连通的进样口和出口。本发明还提供了该微流控芯片的加工方法，采用PEGDA制作水凝胶微流控芯片使得芯片制作更快速、更高效，在细胞研究和药物筛选方面具有重要意义。

Description

一种水凝胶微流控芯片及其加工方法

技术领域

本发明属于生物医学领域，提供了一种微流控芯片，具体涉及一种用于细胞培养和代谢物检测的微流控芯片。

背景技术

细胞是生物体的形态结构和生命活动的基本单元，人们要了解生物体生命活动的规律，必须以研究细胞为基础，考察细胞的结构和功能，探索细胞的生命活动，而细胞培养正能实现这个目的。

随着微制造技术的发展，微流控芯片逐渐成为一种新兴的进行细胞培养的平台。与目前实验室的常用方法相比，在微流控芯片上对细胞进行操作和分析具有很多优势：微通道尺寸与细胞尺寸相当，芯片使用的灌流培养方式更接近体内的生理状态，可以更真实的反映生理状态下细胞的生物学特征；可以更有效的控制细胞微环境；芯片体积微小，节约细胞溶液以及其他试剂的消耗量，分析时间大大减少；微管道传热传质迅速，使用较小的电压就可以获得较大的电场强度；芯片多种单元技术可以灵活组合，规模集成。因此对用于细胞培养的微流控芯片的研究得以大量开展。

现有技术中，用于细胞培养或代谢物检测的微流控芯片由于功能的不同，具有多样品种，结构各异；并且大多采用PDMS(polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)-玻璃制作而成。现有的微流控芯片主要存在以下不足：1、功能较为单一，系统集成化程度低；2、采用的芯片加工材料难以真正模拟体内细胞生长微环境，并且细胞培养过程中不利于外界进行实时收集和检测；3、制作工艺较为复杂、成本高。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明提供一种用于细胞培养和代谢物检测的水凝胶微流控芯片，解决现有技术微流控芯片功能单一，体内细胞生长环境的模拟较为困难，不利于外界进行实时收集和检测的问题。

本发明还提供一种快速、简便、低成本的芯片制作工艺，解决现有微流控芯片加工工艺复杂的问题。

解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种水凝胶微流控芯片，包括基底层、芯片层和封盖层；其特征在于：所述芯片层由PEG基水凝胶预聚物固化而成，并由上、下两层单元组成；

第一层单元包括用于捕获细胞、并将捕获的细胞固定在其中进行培养的微井阵列，该微井阵列由3×15共45个微孔构成，每个微孔直径为800um；微井阵列的一端有矩形凹槽，矩形凹槽为6mm×6mm；

第二层芯片单元包括用于灌注细胞培养液的直流道和用于细胞代谢物收集、检测的矩形凹槽，该直流道为3mm×15mm，矩形凹槽为6mm×6mm，直流道与矩形凹槽连通；

第一层芯片单元的微井阵列与第二层芯片单元的直流道区域重合；第一层芯片单元和第二层芯片单元的矩形凹槽重合；

所述芯片层设于基底层和封盖层之间，封盖层上设有与所述直流道和矩形凹槽连通的进样口和出口。

进一步，所述水凝胶微流控芯片的制作方法，包括如下步骤：

1）芯片掩膜制作：用绘图软件分别绘制第一层和第二层芯片掩膜图，并以菲林的形式打印芯片掩膜；

第一层芯片掩膜包括至少一个微井阵列3×15，每个微孔直径为800um，矩形凹槽为6mm×6mm；

第二层芯片掩膜包括至少一个直流道为3mm×15mm，矩形凹槽为6mm×6mm，直流道与矩形凹槽连通；

2）芯片模具制作：以载玻片为基底，将第一层芯片掩膜置于载玻片之上，芯片掩膜和载玻片之间留有空腔以备灌注PEG基水凝胶预聚物；

3）芯片成型：将充分混匀的PEG基水凝胶预聚物静止、抽真空、去除气泡后，用注射器注入在步骤2）所述的芯片模具空腔内，并将整个模具置于一个密封的紫外光聚合反应发生器中，照射紫外光，使得PEG基水凝胶预聚物固化；固化的过程中一直充氮气保护，待完全固化成型后去掉掩膜，这样第一层芯片单元制作完成；

4）将第二层芯片掩膜置于步骤3）成型芯片之上，下层芯片单元的微井阵列、矩形凹槽与上层芯片单元的直流道、矩形凹槽区域重合；同时预留有空腔，重复步骤3）所述的注入PEG基水凝胶预聚物并固化成型的操作，待完全固化成型后去掉掩膜，这样第二层芯片单元制作完成；

5）将步骤4）制作好的芯片置于PBS缓冲液中漂洗，去除未反应完全的PEG基水凝胶预聚物，再用PDMS封盖，最后通过消毒杀菌制得用于细胞培养及代谢物收集、检测的水凝胶微流控芯片。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、所述芯片层由用于捕获细胞，并将捕获的细胞固定进行培养的微孔阵列之下层芯片单元，以及用于灌注细胞培养液的直流道和用于细胞代谢液收集和检测的上层芯片单元结合，采用孔状的微井阵列来进行细胞培养，可以有效避免流体剪切力对细胞的损伤，有利于细胞的真实表达，解决细胞生长环境的模拟较为困难的问题，有利于外界进行实时收集和检测，具有功能多样的优点。

2、本发明采用的PEG基水凝胶预聚物材料并且该材料具有高含水量和柔软特性，相比其他人工合成的生物材料，更类似于活体组织，这种材料制作的微流控芯片更接近体内细胞的生长环境，有利于细胞的培养。

3、本发明工艺快速、简便、成本低，解决现有微流控芯片制作工艺复杂的问题；采用PEG基水凝胶预聚物材料，具有紫外光聚合性能，使得在微流控芯片的制作上可以更快速、更高效的完成。

附图说明

图1为本发明微流控芯片第一层芯片单元微孔阵列和矩形凹槽的示意图；

图2为本发明微流控芯片第二层芯片单元直流道和矩形凹槽的示意图；

图3为本发明微流控芯片的一个芯片层示意图；

图4为本发明微流控芯片的结构剖视图。

图中：1-基底层，2-第一层芯片单元，3-第二层芯片单元，4-封盖层，5-细胞液、培养基进口，6-细胞代谢液出口，7-流体通道，8-微井阵列，9-细胞收集、检测槽。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术做进一步详细说明。

如图3所示，一种用于细胞培养和代谢物检测的微流控芯片，从下而上分别为基底层1、第一层芯片单元2、第二层芯片单元3和封盖层4；基底层1为载玻片，第一层芯片单元2、第二层芯片单元3通过PEG基水凝胶预聚物灌注固化成型，封盖层4材料采用PDMS聚合物。所述芯片层为2mm。

参见图1，第一层芯片单元2包括用于捕获细胞，并将捕获的细胞固定进行培养的微孔阵列和与上层芯片单元对应的矩形凹槽，该微井阵列由3×15共45个微孔组成，每个微孔直径为800um。

参见图2，第二层芯片单元3包括用于灌注细胞培养液的直流道和用于细胞代谢液收集和检测的矩形凹槽，该直流道为3mm×15mm，矩形凹槽为6mm×6mm，直流道与矩形凹槽连通；

第一层芯片单元的微井阵列与上层芯片单元的直流道区域重合；第一层和第二层芯片的矩形凹槽重合为一体；封盖层上设有进样口和出口。

当细胞培养液从细胞液进口5注入时，经上层芯片单元3的细胞液流体通道7向下层芯片单元2的孔状微井阵列8灌注细胞培养液，每个微孔（井）的直径为800um，其作用主要捕获细胞液流体通道7中的细胞，并将捕获的细胞固定在微井结构中进行培养，这样可以有效避免细胞液流体剪切力对细胞的损伤，有利于细胞的真实表达，提高细胞培养的质量。接种细胞时未被微井结构捕获的细胞会经流体通道7进入到收集槽9中由出口6排除，之后便可对固定细胞所产生的细胞代谢物进行实时的收集、检测了，新鲜细胞培养基将以灌流的方式从入口5缓慢匀速灌入。细胞代谢物经流体通道7进入细胞收集槽9进行收集，收集好的代谢物通过出口6留出，供相应的传感器(卟啉可视阵列传感器)进行快速地检测和识别。

所述水凝胶预聚物为PEGDA(polyethylene glycol diacrylate)水凝胶预聚物，通过预聚物PEGDA(聚乙二醇双丙烯酸酯)和HEMA(甲基丙烯酸羟乙酯)按质量比1~1.5:1混合后，再加入质量比为0.3%的光引发剂Irgacure2959或PEGDA（聚乙二醇双丙烯酸酯）和PBS（磷酸缓冲盐溶液），光引发剂和PBS按质量比2~2.5:1混合，再加入质量比为0.5%的光引发剂Irgacure2959混匀后得到。该配比在微流控芯片的制作成型过程中较优，可以较快地实现固化成型，当然也可以对相应的配比量做一定的修改，相应的微流控芯片质地也会有所不同。由于PEG基水凝胶预聚物由高分子链段间以共价键的形式交联而成，具有结构稳定性好，制备相对容易，物理化学性质调控性好等优点，并且该材料具有紫外光聚合性能，因此本发明采用此材料的相应性能，在紫外光聚合反应发生器中，可快速、高效地制作微流控芯片。

封盖层4材料为PDMS聚合物，PDMS是一种广泛应用于微流控等领域的聚合物材料。它成本低，使用简单，具有良好的化学惰性，因此常用于芯片封装等领域。

如上所述的用于细胞培养和代谢物检测的微流控芯片的制作方法，包括如下步骤：

1）芯片掩膜制作：用CorelDRAW绘图软件分别绘制实施例所述的第一层和第二层芯片掩膜图，并以菲林的形式打印芯片掩膜；

2）芯片模具制作：以载玻片为基底，将第一层芯片掩膜置于载玻片之上，芯片掩膜和载玻片之间留有1mm高的空腔以备灌注PEG基水凝胶预聚物；

3）PEG基水凝胶预聚物制备：将预聚物PEGDA(聚乙二醇双丙烯酸酯)和HEMA(甲基丙烯酸羟乙酯)按质量比1~1.5:1混合，再加入质量比为0.3%的光引发剂Irgacure2959，混匀后得到PEG基水凝胶预聚物。或者将预聚物PEGDA和PBS按质量比2~2.5:1混合，再加入质量比为0.5%的光引发剂，混匀后得到PEG基水凝胶预聚物。

4）芯片成型：将充分混匀的PEG基水凝胶预聚物静止、抽真空、去除气泡后，用注射器注入在步骤2）所述的芯片模具空腔内，并将整个模具置于一个密封的紫外光聚合反应发生器中，照射紫外光，使得PEG基水凝胶预聚物固化，固化的过程中一直冲氮气保护，待完全固化成型后去掉掩膜层，这样第一层芯片结构制作完成；

5）将第二层芯片掩膜层置于步骤3）完成的成型芯片之上，同时预留有1mm高的空腔，重复步骤3）所述的注入PEG基水凝胶预聚物并固化成型的操作，待完全固化成型后去掉掩膜层，这样第二层芯片结构制作完成；

6）将5）制作好的芯片置于PBS缓冲液(Phosphate Buffered Saline)中漂洗，去除未反应完全的PEG基水凝胶预聚物，再用PDMS封盖，最后通过消毒杀菌制得微流控芯片。

本发明芯片采用灌流的方式培养细胞，芯片的微井阵列结构能够有效捕获细胞并固定细胞在微井中生长，可有效避免流体剪切力对细胞的损伤。用于芯片制作的PEG基水凝胶材料具有高亲水性、生物相容性以及易于修饰等优点可有效模拟细胞生长的微环境。因此利用该微流控芯片进行细胞培养更接近于体内细胞生长的真实环境，利于细胞的真实表达，实现细胞培养与代谢物收集、检测的整合。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种水凝胶微流控芯片，包括基底层、芯片层和封盖层；其特征在于：所述芯片层由PEG基水凝胶预聚物固化而成，并由上、下两层单元组成；

2.根据权利要求1所述水凝胶微流控芯片，其特征在于，所述芯片层为2mm。

3.根据权利要求1所述水凝胶微流控芯片，其特征在于，所述封盖层材料为PDMS聚合物。

4.一种如权利要求1所述水凝胶微流控芯片的加工方法，其特征在于，包括如下步骤：

5.根据权利要求4所述水凝胶微流控芯片的加工方法，其特征在于，所述PEG基水凝胶预聚物按如下方法配制：将预聚物PEGDA和HEMA按质量比1~1.5：1混合，再加入质量比为0.3%的光引发剂，混匀后得到PEG基水凝胶预聚物。

6.根据权利要求4所述水凝胶微流控芯片的加工方法，其特征在于，所述PEG基水凝胶预聚物按如下方法配制：将预聚物PEGDA和PBS按质量比2~2.5:1混合，再加入质量比为0.5%的光引发剂，混匀后得到PEG基水凝胶预聚物。