CN102864078A

CN102864078A - 微流控细胞培养芯片及其实时观测系统

Info

Publication number: CN102864078A
Application number: CN2012103814182A
Authority: CN
Inventors: 罗洪艳; 廖彦剑; 胡宁; 郑飞; 侯文生; 罗庆; 张雨雯; 陈礼
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2012-10-10
Filing date: 2012-10-10
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2032-10-10
Also published as: CN102864078B

Abstract

一种微流控细胞培养芯片，包括上层芯片和下层芯片；上层芯片上设有第一通孔，上层芯片的上表面上设有第一液体通道、第一气体通道和第一排气通道，第一排气通道与第一通孔连通；下层芯片上设有第二通孔，下层芯片的上表面上设有均与第二通孔连通的第二液体通道、第二气体通道和废液通道；第一液体通道和第二液体通道连通，第一气体通道和第二气体通道连通；上层芯片的上表面上盖有上薄膜层，下层芯片的下表面设有底层密封结构，上层芯片与下层芯片压紧贴合，下层芯片的下表面与底层密封结构之间设有加热装置，薄膜层、第一通孔、第二通孔和底层密封结构围成细胞培养腔。本发明还公开了一种微流控细胞培养芯片实时观测系统。

Description

微流控细胞培养芯片及其实时观测系统

技术领域

本发明涉及一种用于培养细胞的培养设备，具体的为一种微流控细胞培养芯片及用于实时观测该微流控细胞培养芯片的微流控细胞培养芯片实时观测系统。

背景技术

根据细胞种类的不同培养方法略有差别，但一般步骤具有一定的共性。其中主要分为原代培养和传代培养。经过多年的发展完善，细胞培养的一般方法如下。

原代培养首先是从生物体上取部分待分离组织，采用酶消化法消化胞外基质，将组织分散成单个细胞。过滤清除未消化的组织块，得到含有分离细胞的单细胞悬液。将过滤得到的液体低速离心约5-6min，除去上层清液，然后加入一定量的培养基，制成具有一定浓度的细胞悬浮液。将该悬浮液小心地转移到消毒后的培养瓶内，立即放入培养箱，使细胞能够较好地生长。需要注意的是要对正在培养中的细胞进行观察，确定其处于生长状态并注意监测其PH值，防止培养液过酸或过碱。如果发生了过酸或过碱的情况，需对CO₂浓度等条件进行调节，并保证细胞生长的合适温度。

当原代培养过程中细胞数量不断增加，一般当细胞达到90%以上融合后会因为生长空间和营养的不足而出现接触抑制，从而停止生长，甚至凋亡，此时需要进行传代培养。传代培养是将80~90%融合状态的细胞用酶消化后，重新接种到另外的培养介质表面继续培养的方法，目的是避免因生长空间不够而导致的接触抑制，使细胞始终处于良好的增殖状态。传代培养与原代培养的最大区别为细胞的来源不同，其他培养步骤基本类似。

现在常用的细胞培养技术具有比较多的优点，但也存在很多不足。

1）培养出来的细胞分布随机，不存在固定的分布特点，这对一般的细胞培养来说是可以接受的，因为就目前来讲，大部分的细胞培养只关注细胞数量是否增加，而不关心细胞的分布状态，但是对于另一些研究来讲，我们往往需要关注细胞间的相互作用和细胞的群体效应。如研究神经细胞时，就需要对神经网络的拓扑结构有一定的要求，需要形成一定的网络结构。

2）不能对细胞的生长情况进行实时观测，现在常用的细胞观察方法需要将细胞培养瓶从恒温培养箱中取出，这种对于短时间的观测是可行的，但是对于需要实时观测的情况则不适用。

3）由于培养箱的体积较大，不适合小型化的趋势，同时，需要保持恒温消耗的能量多，还需要更多的营养物质填充。此外由于培养瓶体积较大，并且不能实时更新培养液，可能存在对培养液利用不完全或者局部区域营养成分耗尽的问题。

鉴于此，本发明旨在研制一种新的细胞培养系统，该系统具有小型化的特点，可以脱离常规培养对培养设备和环境的依赖，并能够按照需要培养出具有一定拓扑结构的细胞群。另外，为了实时观测细胞的生长增殖状态，并能够及时更新培养液、O₂和CO₂浓度，确保细胞能够正常、快速地增殖，本发明还研发了一种实时观测系统。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提出一种微流控细胞培养芯片及用于实时观测该微流控细胞培养芯片的微流控细胞培养芯片实时观测系统，该微流控细胞培养芯片不仅能够为细胞培养提供所需的生长环境，而且具有小型化的特点，并能够按照需要培养出具有一定拓扑结构的细胞群；该微流控细胞培养芯片实时观测系统能够实现对微流控细胞培养芯片的实时观测，便于观测细胞的生长过程。

本发明首先提出了一种微流控细胞培养芯片，包括上层芯片和下层芯片；

所述上层芯片上设有作为细胞培养腔上部储气腔的第一通孔，所述上层芯片的上表面上设有用于向细胞培养腔注入细胞培养液的第一液体通道、用于向细胞培养腔注入细胞培养无菌气体的第一气体通道和用于向外排出废气的第一排气通道，所述第一排气通道与第一通孔连通；

所述下层芯片上与所述第一通孔对应设有作为细胞培养腔下部储液腔的第二通孔，所述下层芯片的上表面上设有用于向细胞培养腔注入细胞培养液的第二液体通道、用于向细胞培养腔注入细胞培养无菌气体的第二气体通道和用于向外排出废液的废液通道，所述第二液体通道、第二气体通道和废液通道均与第二通孔连通；

所述第一液体通道和第二液体通道连通，所述第一气体通道和第二气体通道连通；

所述上层芯片的上表面上覆盖有薄膜层，所述下层芯片的下表面设有用于密封下层芯片的底层密封结构，所述上层芯片的下表面与所述下层芯片的上表面压紧贴合，所述下层芯片的下表面与底层密封结构之间设有用于调节细胞培养腔温度的加热装置，所述薄膜层、第一通孔、第二通孔和底层密封结构围成细胞培养腔。

进一步，所述第一液体通道包括至少一组进液口组和与进液口组一一对应设置的上层进液管，每一组进液口组包括至少两个进液口，所述上层进液管上设有上层进液支管与进液口相连。

进一步，所述第二进液通道包括与所述上层进液管对应设置的下层进液管，所述下层进液管上设有下层进液支管与上层进液管相连。

进一步，所述上层进液管和下层进液管均呈之字形结构。

进一步，所述上层进液管和下层进液支管之间设有液体缓冲池。

进一步，所述第一气体通道包括至少两条并列设置的上层进气管，所述上层芯片上与上层进气管一一对应设有进气口，且所述第二进气通道包括与上层进气管一一对应设置并分别连通的下层进气管，所述下层进气管并列设置并与所述细胞培养腔相通。

进一步，所述下层芯片的上表面设有与第一排气通道相连的第二排气通道，所述第一排气通道和第二排气通道之间设有废气缓冲池I；所述废液通道上设有废液缓冲池II。

进一步，还包括流量控制底座，所述流量控制底座上设有用于放置上层芯片与下层芯片的平台，以及通过所述薄膜层压在所述第一液体通道和第一气体通道上并用于调节所述第一液体通道和第一气体通道流量的流量调节装置；

进一步，所述上层芯片、下层芯片、薄膜层和底层密封结构均采用透明材料制成。

本发明还提出了一种微流控细胞培养芯片实时观测系统，包括上所述的微流控细胞培养芯片、密闭遮光箱体和集成有半导体传感器镜头的无镜头阴影成像装置，所述无镜头阴影成像装置安装在所述密闭遮光箱体底部，所述微流控细胞培养芯片放置在无镜头阴影成像装置的上方，且所述微流控细胞培养芯片的细胞培养腔正对于所述无镜头阴影成像装置的半导体传感器镜头的上方，所述密闭遮光箱体的顶部设有光源。

本发明的有益效果为：

1、本发明的微流控细胞培养芯片通过设置紧密贴合的上层芯片和下层芯片，便于各个气液流通通道的加工，即可方便的在上层芯片的上表面加工第一液体通道、第一气体通道和排气通道，方便的在下层芯片上加工第二液体通道、第二气体通道和废液通道，加工成本和要求更低；

2、通过设置由薄膜层、第一通孔、第二通孔和底层密封结构围成细胞培养腔，可为细胞培养提供良好的生长环境，将细胞培养所需的细胞培养液和细胞培养无菌气体分别通过第二液体通道和第二气体通道注入细胞培养腔中，并在下层芯片上表面设置废液通道和在上层芯片上表面设置第一排气通道，能够有效的在细胞培养腔内形成细胞培养液循环和无菌气体循环，且细胞培养液直接注入细胞培养腔下部储液腔内，能够避免细胞培养液飞溅；将无菌气体直接通入细胞培养腔上部储气腔和下部储液腔之间，能够将更好的将废弃排出；

3、本发明的微流控细胞培养芯片能够实现向细胞培养腔内注入细胞培养所需的细胞培养液和无菌气体，并通过加热装置调节细胞培养腔的温度，能够为细胞培养提供所需的生长环境，并且具有小型化的特点，便于携带观察，并能够按照需要培养出具有一定拓扑结构的细胞群；

4、本发明的微流控细胞培养芯片实时观测系统通过将微流控细胞培养芯片放置于密闭遮光箱体内，并在箱体内设置光源和无镜头阴影成像装置，能够方便地对微流控细胞培养芯片的细胞培养腔进行实时观察，而不需要如传统细胞培养装置一样需要将细胞培养装置搬运并放置在专门的显微镜下观察。

附图说明

图1为本发明微流控细胞培养芯片实施例的结构示意图，显示为微流控细胞培养芯片的爆炸图；

图2为本发明微流控细胞培养芯片实时观测系统的的结构示意图，显示为微流控细胞培养芯片实时观测系统的爆炸图。

附图标记说明：

1-上层芯片；2-下层芯片；3-第一通孔；4-第一液体通道；5-第一气体通道；6-第一排气通道；7-第二通孔；8-第二液体通道；9-第二气体通道；10-废液通道；11-薄膜层；13-底层密封结构；14-加热装置；15-上层进液管；16-进液口；17-上层进液支管；18-下层进液管；19-下层进液支管；20-液体缓冲池；21-废液缓冲池II；22-上层进气管；23-进气口；24-下层进气管；25-第二排气通道；26-废气缓冲池I；27-流量控制底座；29-螺钉；30-密闭遮光箱体；31-无镜头阴影成像装置；32-透光结构；33-光源；34-流路引管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

如图1所示，为本发明微流控细胞培养芯片实施例的结构示意图，显示为微流控细胞培养芯片的爆炸图。

本实施例的微流控细胞培养芯片，包括上层芯片1和下层芯片2。

上层芯片1上设有作为细胞培养腔上部储气腔的第一通孔3，上层芯片1的上表面上设有用于向细胞培养腔注入细胞培养液的第一液体通道4、用于向细胞培养腔注入细胞培养无菌气体的第一气体通道5和用于向外排出废气的第一排气通道6，第一排气通道6与第一通孔3连通。

下层芯片2上与第一通孔3对应设有作为细胞培养腔下部储液腔的第二通孔7，下层芯片2的上表面上设有用于向细胞培养腔注入细胞培养液的第二液体通道8、用于向细胞培养腔注入细胞培养无菌气体的第二气体通道9和用于向外排出废液的废液通道10，第二液体通道8、第二气体通道9和废液通道10均与第二通孔7连通。

第一液体通道4和第二液体通道8连通，第一气体通道5和第二气体通道连通9，可实现将细胞培养液和细胞培养无菌气体主图细胞培养腔内，为细胞生场提供营养。

上层芯片1的上表面上覆盖有薄膜层11，下层芯片2的下表面设有用于密封下层芯片2的底层密封结构13，上层芯片1的下表面与下层芯片2的上表面压紧贴合，下层芯片2的下表面与底层密封结构13之间设有用于调节细胞培养腔温度的加热装置14，本实施例的加热装置14采用电加热丝。所述薄膜层11、第一通孔3、第二通孔7和底层密封结构13围成细胞培养腔。本实施例的薄膜层11采用PDMS薄膜层，能够有效密封上层芯片1的上表面，并使得设置在上层芯片1上表面上的第一液体通道4、第一气体通道5和第一排气通道6形成管道结构。本实施例的细胞培养腔的大小为1cm×1cm，高为4mm，其中上层芯片1的厚度为2mm，下层芯片2的厚度为2mm。

本实施例的微流控细胞培养芯片通过设置紧密贴合的上层芯片1和下层芯片2，便于各个气液流通通道的加工，即可方便的在上层芯片1的上表面加工第一液体通道4、第一气体通道5和排气通道6，方便的在下层芯片2上加工第二液体通道8、第二气体通道9和废液通道10，加工成本和要求更低。

通过设置由薄膜层11、第一通孔3、第二通孔7和底层密封结构13围成的细胞培养腔，可为细胞培养提供良好的生长环境，将细胞培养所需的细胞培养液和细胞培养无菌气体分别通过第二液体通道8和第二气体通道9注入细胞培养腔中，并在下层芯片2上表面设置废液通道10和在上层芯片1上表面设置第一排气通道6，能够有效的在细胞培养腔内形成细胞培养液循环和无菌气体循环，且细胞培养液直接注入细胞培养腔下部储液腔内，能够避免细胞培养液飞溅；将无菌气体直接通入细胞培养腔上部储气腔和下部储液腔之间，能够将更好的将废弃排出。优选的，上层芯片1、下层芯片2、薄膜层11和底层密封结构13均采用透明材料制成，能够便于观察，并能够透光，底层密封结构13上还可以设计不同的微结构，以适应不同细胞培养需求。

本实施例的微流控细胞培养芯片能够实现向细胞培养腔内注入细胞培养所需的细胞培养液和无菌气体，并通过加热装置14调节细胞培养腔的温度，能够为细胞培养提供所需的生长环境，并且具有小型化的特点，便于携带观察，并能够按照需要培养出具有一定拓扑结构的细胞群。

进一步，第一液体通道4包括至少一组进液口组和与进液口组一一对应设置的上层进液管15，每一组进液口组包括至少两个进液口16，上层进液管15上设有上层进液支管17与进液口16相连。所述第二进液通道8包括与所述上层进液管15对应设置的下层进液管18，下层进液管18上设有下层进液支管19与上层进液管15相连。通过将与多个进液口16相连的上层进液支管17交汇至上层进液管15，能够实现不同成分的细胞培养液的混合，混合后再注入细胞培养腔内，能够更好的为细胞生长提供均衡的营养液。本实施例的进液口组设置为2组，每一组进液口组包括两个进液口16，即上层进液支管17一共有4条，下层进液支管19一共有两条。本实施例的进液口16呈贯通上层芯片1和下层芯片2设置，且进液口16上套装有流路引管19与外部管道相连。优选的，上层进液管15和下层进液18管均呈之字形结构，采用之字形的上层进液管15和下层进液18相较于采用直线型的进液管，其溶液混合效果更好，通过不同进液口16进入的细胞培养液能够被充分混合，使细胞培养腔内的细胞能够得到均衡的营养。优选的，上层进液管15和下层进液支管18之间设有液体缓冲池20，本实施例的液体缓冲池20为对应设置在上层芯片1和下层芯片2上直径较大的通孔，细胞培养液在缓冲池20内进一步混合，使得不同的细胞培养液混合均匀。优选的，废液通道10上设有废液缓冲池II 21，能够有效维持废液通道10畅通。

进一步，第一气体通道5包括至少两条并列设置的上层进气管22，上层芯片1上与上层进气管22一一对应设有进气口23，且第二进气通道9包括与上层进气管22一一对应设置并分别连通的下层进气管24，下层进气管24并列设置并与所述细胞培养腔相通。通过对应设置多条上层进气管22，能够向细胞培养腔内注入不同的空气，进而为细胞培养提供氧气和二氧化碳，实现培养液片pH值的调节。

进一步，下层芯片2的上表面设有与第一排气通道6相连的第二排气通道25，第一排气通道6和第二排气通道25之间设有废气缓冲池II 26，用于向外部排出废气，通过设置废气缓冲池II 26，用于第二排气通道25的出气口与外界气体之间的隔离，保证外界气体通过出气口和细胞培养腔内的气体交流。

进一步，本实施例的微流控细胞培养芯片还包括流量控制底座27，流量控制底座27上设有用于放置上层芯片1与下层芯片2的平台，以及通过薄膜层11压在第一液体通道4和第一气体通道5上并用于调节第一液体通道4和第一气体通道5流量的流量调节装置，如图2所示，本实施例的调节装置为设置在流量控制底座27的螺钉座和安装在螺钉座上并与第一液体通道4和第一气体通道5对应设置的螺钉29，螺钉29压在每一条上层进液管15和上层进气管22上，通过螺钉29与上层进液管15和上层进气管22之间的压紧力，使薄膜层11发生变形，实现上层进液管15和上层进气管22过流面大小的调节，进而调节流量。

下面结合上述微流控细胞培养芯片对本发明的微流控细胞培养芯片实时观测系统的具体实施方式进行详细说明。

如图2所示，为本发明微流控细胞培养芯片实时观测系统的的结构示意图，显示为微流控细胞培养芯片实时观测系统的爆炸图。

本实施例的微流控细胞培养芯片实时观测系统，包括如上所述的微流控细胞培养芯片、密闭遮光箱体30和集成有半导体传感器镜头的无镜头阴影成像装置31，无镜头阴影成像装置31安装在密闭遮光箱体30底部，微流控细胞培养芯片放置在无镜头阴影成像装置31的上方，且微流控细胞培养芯片的细胞培养腔正对于无镜头阴影成像装置31的半导体传感器镜头的上方，微流控细胞培养芯片的底层密封结构上与细胞培养腔对应设有透光结构32，密闭遮光箱体30的顶部设有光源33。当微流控细胞培养芯片的下方设置有流量控制底座27时，流量控制底座27上也与细胞培养腔对应设有透光结构。本实施例的半导体传感器镜头采用CCD镜头或CMOS镜头，具有集成度高，体积小，易于携带的优点，并且能够实时采集和保存所得到的图像。本实施例的光源采用LED光源，为获得较好的平行光源，采用类似小孔成像的原理，将光从直径0.2MM左右的小孔中通过，得到近似的均匀光源照射具有待培养的细胞，使其投影落在图像传感器上，即透光结构32上阵列地设置有直径0.2MM左右的小孔。

本实施例的微流控细胞培养芯片实时观测系统通过将微流控细胞培养芯片放置于密闭遮光箱体30内，并在遮光箱体30内设置光源和无镜头阴影成像装置31，能够方便地对微流控细胞培养芯片的细胞培养腔进行实时观察，而不需要如传统细胞培养装置一样需要将细胞培养装置搬运并放置在专门的显微镜下观察，不仅更加方便，而且能够实时采集细胞生长的实验数据。

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

1.一种微流控细胞培养芯片，其特征在于：包括上层芯片和下层芯片；

2.根据权利要求1所述的微流控细胞培养芯片，其特征在于：所述第一液体通道包括至少一组进液口组和与进液口组一一对应设置的上层进液管，每一组进液口组包括至少两个进液口，所述上层进液管上设有上层进液支管与进液口相连。

3.根据权利要求2所述的微流控细胞培养芯片，其特征在于：所述第二进液通道包括与所述上层进液管对应设置的下层进液管，所述下层进液管上设有下层进液支管与上层进液管相连。

4.根据权利要求3所述的微流控细胞培养芯片，其特征在于：所述上层进液管和下层进液管均呈之字形结构。

5.根据权利要求4所述的微流控细胞培养芯片，其特征在于：所述上层进液管和下层进液支管之间设有液体缓冲池。

6.根据权利要求1所述的微流控细胞培养芯片，其特征在于：所述第一气体通道包括至少两条并列设置的上层进气管，所述上层芯片上与上层进气管一一对应设有进气口，且所述第二进气通道包括与上层进气管一一对应设置并分别连通的下层进气管，所述下层进气管并列设置并与所述细胞培养腔相通。

7.根据权利要求1所述的微流控细胞培养芯片，其特征在于：所述下层芯片的上表面设有与第一排气通道相连的第二排气通道，所述第一排气通道和第二排气通道之间设有废气缓冲池I；所述废液通道上设有废液缓冲池II。

8.根据权利要求1所述的微流控细胞培养芯片，其特征在于：还包括流量控制底座，所述流量控制底座上设有用于放置上层芯片与下层芯片的平台，以及通过所述薄膜层压在所述第一液体通道和第一气体通道上并用于调节所述第一液体通道和第一气体通道流量的流量调节装置。

9.根据权利要求1-8任一项所述的微流控细胞培养芯片，其特征在于：所述上层芯片、下层芯片、薄膜层和底层密封结构均采用透明材料制成。

10.一种微流控细胞培养芯片实时观测系统，其特征在于：包括如权利要求1-9任一项所述的微流控细胞培养芯片、密闭遮光箱体和集成有半导体传感器镜头的无镜头阴影成像装置，所述无镜头阴影成像装置安装在所述密闭遮光箱体底部，所述微流控细胞培养芯片放置在无镜头阴影成像装置的上方，且所述微流控细胞培养芯片的细胞培养腔正对于所述无镜头阴影成像装置的半导体传感器镜头的上方，所述密闭遮光箱体的顶部设有光源。