CN102897707B - 一种控制微管运动方向的流体装置及其制备方法和用途 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微纳米流体装置及其制备方法和用途。本发明所提供的装置包括玻璃层和聚二甲基硅氧烷印章；所述聚二甲基硅氧烷印章由基底和与基底一体形成的多个突起构成；所述玻璃层贴附于所述聚二甲基硅氧烷印章的所述多个突起的顶面，从而形成多条微流孔道，其中优选的，所述多个突起在纵向延伸方向上彼此平行或不平行。同时提供了制备上述微纳米流体装置的方法，该方法包括：(1)制备聚二甲基硅氧烷印章；(2)将玻璃层贴附于步骤(1)所制备的聚二甲基硅氧烷印章的多个突起的顶面，从而形成多条微流孔道。上述装置可用于控制微管的运动方向。

Description

一种控制微管运动方向的流体装置及其制备方法和用途

技术领域

本发明涉及一种流体装置，尤其涉及一种可用于控制微管运动方向的流体装置及其制备方法和用途。

背景技术

马达驱动蛋白(kinesin)是分布于细胞内部或细胞表面的一类蛋白质，其构象会随着与ATP和ADP的交替结合而改变，ATP水解的能量转化为机械能，引起马达驱动蛋白形变，或者与其相结合的分子产生移动。

作为仿生体系的自组装构筑基元，马达驱动蛋白的高能量转化效率和复杂运动方式说明其进化已经达到了相当高的水平，它可把ATP水解能转化为机械能，而且转化率达到了50％，是人类设计的机器转化率的两倍(参见Kural，C.，et al.Kinesin and Dynein Move a Peroxisome in Vivo：A Tug-of-Waror Coordinated Movement？Science 2005，308，1469.)，因此吸引了越来越多的生物学家、化学家、物理学家以及材料学家等的极大兴趣，从而从分子仿生的思路出发，为解决人类面临的能源问题提供更多的途径。例如，它们可作为纳米尺度的机器人或其它组成零件的一部分，构筑用作电路的分子导体和分子晶体管组成的网络结构，在适宜的材料内连续巡逻，必要时对它们进行修复。将来可利用该马达进入人体的血管，不必采用传统的开刀方式即可清除脑血管中的血块和沉积物质.从而治疗心脑血管疾病。还有将来有可能完成在人体细胞内发放药物等医疗任务。这些技术仍处于研制初期，为了将生物分子马达真正应用在人类所构筑的器件中，仍需要更进一步的研究和发展。

目前人们能够在微米和亚微米级上设计和制造器件和体系，以及能够合成具有独特和高效功能的纳米颗粒，由此越来越多地需要在纳米级尺度上定向运输和组织材料，而微管则可作为这些功能性纳米颗粒的有效载体。然而，虽然微管与马达驱动蛋白之间的运动呈现对应关系，但在无外界控制的情况下，微管在马达驱动蛋白修饰的基质表面上呈现出无序、无方向性的运动特征，因此，为了在微纳米器件中高效运用微管-马达蛋白体系，需要对微管的运动方向进行人为控制。目前常用的技术是直接采用带有微纳米阵列的硅片来制备微流控装置，但该方法的造价过于昂贵，大大提高了研发成本。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种控制微管运动方向的流体装置及其制备方法和用途，同时还提供了一种控制微管运动方向的方法。

本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种控制微管运动方向的流体装置，该装置包括玻璃层和聚二甲基硅氧烷印章；所述聚二甲基硅氧烷印章由基底和与基底一体形成的多个突起构成；所述玻璃层贴附于所述聚二甲基硅氧烷印章的所述多个突起的顶面，从而形成多条微流孔道，其中优选的，所述多个突起在纵向延伸方向上彼此平行或不平行。

作为优选，所述玻璃层和聚二甲基硅氧烷印章之间可以使用密封胶进行贴附。由于聚二甲基硅氧烷具有粘性，本身即可与玻璃层紧密贴合，具有较好的密封性。为获得更佳的密封效果，在这里还可以使用密封胶，优选为Fixogum橡胶胶水。

作为优选，所述突起的高度为5～15μm，厚度为2～10μm；所述微流孔道的宽度为2～10μm。

作为优选，所述微流孔道经马达驱动蛋白溶液修饰。此时马达驱动蛋白会相对稳定地吸附在微流孔道上，引入微管后，由于马达驱动蛋白与微管之间存在的相对运动，则微管会沿着微流孔道方向运动。作为优选，所述马达驱动蛋白为外源质粒在大肠杆菌中转化和表达的马达驱动蛋白；优选的，所述马达驱动蛋白溶液的浓度为10～50nM。

作为优选，所述微流孔道先经酪蛋白溶液预修饰后，再经所述马达驱动蛋白溶液修饰。因为经酪蛋白预修饰后，微流孔道可更好地吸附马达驱动蛋白，且酪蛋白作为缓冲层可有效避免马达驱动蛋白因直接接触微流孔道中的聚二甲基硅氧烷而引起蛋白质的变性现象，因此有助于保持马达驱动蛋白的生物活性。优选的，所述酪蛋白溶液的浓度为0.2～1mg/mL。

本发明还提供了所述流体装置的制备方法，该方法包括：(1)制备聚二甲基硅氧烷印章；(2)将玻璃层贴附于步骤(1)所制备的聚二甲基硅氧烷印章的多个突起的顶面，从而形成多条微流孔道。

作为优选，所述步骤(1)中的聚二甲基硅氧烷印章是通过软刻蚀方法制备的。

作为优选，所述步骤(1)中的聚二甲基硅氧烷印章是通过以下步骤制备的：

(a)使用光刻法制备具有大体平行的多个凹槽的底模；底模材料优选为硅片；

(b)使用聚二甲基硅氧烷，采用软刻蚀法对步骤(a)中的底模进行翻模，得到与所述底模多个凹槽相对应的具有多个突起的聚二甲基硅氧烷印章。

作为优选，所述步骤(2)中的玻璃层使用密封胶贴附于步骤(1)所制备的聚二甲基硅氧烷印章；所述密封胶优选为Fixogum橡胶胶水。

作为优选，可以使用马达驱动蛋白溶液对步骤(2)所得到的各条微流孔道进行修饰；作为优选，所述马达驱动蛋白为外源质粒在大肠杆菌中转化和表达的马达驱动蛋白；优选的，所述马达驱动蛋白溶液的浓度为10～50nM。

作为优选，先使用酪蛋白溶液对微流孔道进行预修饰，再使用所述马达驱动蛋白溶液修饰；所述酪蛋白溶液的浓度优选为0.2～1mg/mL。

本发明还提供了所述流体装置用于控制微管运动的用途。

此外，本发明还提供了一种控制微管运动方向的方法，所述方法包括使用所述流体装置或通过所述制备方法制备的流体装置的步骤。

作为优选，所述控制微管运动的方法包括以下步骤：(A)制备含除氧剂和ATP的微管溶液，微管浓度优选为1～20μg/mL，除氧剂含有10～20mM葡萄糖、10～20μg/mL葡萄糖氧化酶、4～8μg/mL过氧化氢酶和0.5～1重量％β-巯基乙醇，ATP的浓度优选为0.5～3mM；(B)将步骤(A)中所制备的微管溶液通入所述微流孔道，从而控制微管的运动方向。

由此可见，本发明有益效果在于以下几个方面：

(1)本发明中流体装置使用聚二甲基硅氧烷为主要材料，成本低廉且操作简单；

(2)使用聚二甲基硅氧烷易于与其他基质如玻璃片结合，密封性能良好；

(3)主要由聚二甲基硅氧烷印章提供的微流孔道可以通过简单处理有效地被马达驱动蛋白修饰而不影响其活性，并且为微管运动提供了运动通道，便于控制其运动方向。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：

图1示出了本发明提供的控制微管运动方向的流体装置的结构示意图。

图2a示出了本发明中的聚二甲基硅氧烷印章上多个突起的扫描电镜(SEM)俯视图。

图2b示出了本发明中的聚二甲基硅氧烷印章上多个突起的扫描电镜(SEM)侧视图。

图3示出了使用本发明提供的流体装置控制微管运动的激光扫描共聚焦显微镜(CLSM)图像，其中显示出荧光的线状物为微管。

图4示出了未使用本发明提供的流体装置来控制微管运动的激光扫描共聚焦显微镜(CLSM)图像，其中显示出荧光的线状物为微管。

具体实施方式

以下参照具体的实施例来说明本发明，本领域技术人员能够理解，这些实施例仅用于说明本发明，其不以任何方式限制本发明的范围。

实施例1

本实施例用于说明本发明所提供的控制微管运动方向的流体装置及其制备方法，具体详述如下：

(1)制备聚二甲基硅氧烷(PDMS)印章：

本发明中的带有微纳米阵列的硅模板来源自中国科学院物理研究所，采用传统光刻工艺制备。以该硅模板作为底模，使用软刻蚀方法制备聚二甲基硅氧烷印章。硅模板具有大体平的表面，表面上具有一系列相互平行的凹槽，用于模制形成聚二甲基硅氧烷印章上的突起。

将硅模板进行硅烷化疏水处理，即将硅模板浸入1mM十八烷基三氯硅烷的甲苯溶液中2h，用甲苯冲洗后，使用氮气吹干，120℃下烘烤2h，使硅模板与硅烷彻底反应，然后将硅模板冷却至室温。使用Dow Corning公司的二甲基硅氧烷和固化剂按其说明制备聚二甲基硅氧烷，将其倾倒在硅模板表面制备厚度为5mm的PDMS胶层，在120℃烘烤2h左右使其固化，然后将PDMS胶层揭下，至此具有多个突起的聚二甲基硅氧烷(PDMS)印章制备完成。

使用Gemini Leo 1550 instrument对所述聚二甲基硅氧烷印章进行扫描电镜(SEM)表征，工作电压为15kV，图像如图2a和图2b所示。图像显示，聚二甲基硅氧烷印章上的突起的高度为8μm，厚度为6μm；所述微流孔道的宽度为4.5μm。

(2)使用Fixogum橡胶胶水(购自德国Marabu公司)将玻璃层贴附于步骤(1)所制备的聚二甲基硅氧烷印章的多个突起的顶面，由此在玻璃层和聚二甲基硅氧烷印章上的多个突起之间形成多个空腔，这些空腔即为微流孔道。

(3)将浓度为0.2mg/mL的酪蛋白溶液通入各微流孔道，对其进行预修饰，然后再通入浓度为10nM的马达驱动蛋白溶液，该马达驱动蛋白溶液中的马达驱动蛋白是由外源质粒在大肠杆菌中转化和表达制备的。

图1示意性示出了通过上述步骤所制备的控制微管运动方向的流体装置，其未按比例绘制。其中：突起1、基底2、微流孔道3、玻璃层4、微管5、马达驱动蛋白6。其中突起在纵向延伸方向上彼此平行。作为可选的方案，可以选择不平行的结构，例如喇叭口式的结构，只要微流孔道能起到约束微管运动方向的作用即可。

实施例2

本实施例用于说明本发明所提供的控制微管运动方向的流体装置及其制备方法。

本实施例的实验步骤和参数与实施例1基本相同，区别在于：将浓度为1mg/mL的酪蛋白溶液通入各微流孔道，对其进行预修饰，然后再通入浓度为50nM的马达驱动蛋白溶液，该马达驱动蛋白溶液中的马达驱动蛋白是由外源质粒在大肠杆菌中转化和表达制备的。

通过上述步骤所制备的控制微管运动方向的流体装置如图1所示。

实施例3

本实施例用于说明使用本发明提供的控制微管运动方向的流体装置，或使用通过本发明所提供的制备方法而制备的流体装置，用于控制微管运动方向的方法，具体详述如下：

(1)使用实施例1提供的制备方法，制备控制微管运动方向的流体装置。

(2)制备含有除氧剂和ATP的微管溶液，微管的浓度为4μg/mL，除氧剂含有10mM葡萄糖，10μg/mL葡萄糖氧化酶，4μg/mL过氧化氢酶和0.5重量％β-巯基乙醇，ATP的浓度为0.5mM。为使微管产生荧光以便于观察，微管由罗丹明标记的微管蛋白和未标记的微管蛋白以1∶4的比例混合后聚合而成。

(3)将该微管溶液通入各条微流孔道中，使用激光扫描共聚焦显微镜(CLSM，Leica，SP5，德国)观察微流孔道中的微管运动形态。显微镜配有63×oil物镜，扫描速度为0.314s，扫描分辨率为512×512pixel，扫描图像如图3所示，其中显示出荧光的线状物为微管。图4为未使用本发明提供的流体装置对微管运动方向进行控制的CLSM扫描图，其中显示出荧光的线状物为微管。将两者对比可明显看出，使用本发明流体装置的图3中，微管沿各微流孔道进行定向的运动，而图4中的微管运动方向杂乱无章。

实施例4

本实施例用于说明使用本发明提供的控制微管运动方向的流体装置，或使用通过本发明所提供的制备方法而制备的流体装置，用于控制微管运动方向的方法，其步骤及参数与实施例3基本相同，区别仅在于步骤(2)，具体为：

制备含有除氧剂和ATP的微管溶液，微管的浓度为20μg/mL，除氧剂含有20mM葡萄糖，20μg/mL葡萄糖氧化酶，8μg/mL过氧化氢酶和1重量％β-巯基乙醇，ATP的浓度为3mM。为使微管产生荧光以便于观察，微管由罗丹明标记的微管蛋白和未标记的微管蛋白以1∶4的比例混合后聚合而成。

尽管参照上述的实施例已对本发明作出具体描述，但是对于本领域的普通技术人员来说，应该理解可以在不脱离本发明的精神以及范围之内基于本发明公开的内容进行修改或改进，这些修改和改进都在本发明的精神以及范围之内。

Claims (13)

1.一种控制微管运动方向的方法，其特征在于，该方法包括使用一种控制微管运动方向的流体装置的步骤；该装置包括玻璃层和聚二甲基硅氧烷印章；所述聚二甲基硅氧烷印章由基底和与基底一体形成的多个突起构成；所述玻璃层贴附于所述聚二甲基硅氧烷印章的所述多个突起的顶面，从而形成多条微流孔道；所述微流孔道经马达驱动蛋白溶液修饰；

该方法还包括以下步骤：

(1)制备含除氧剂和ATP的微管溶液，微管浓度为1～20μg/mL，除氧剂含有10～20mM葡萄糖、10～20μg/mL葡萄糖氧化酶、4～8μg/mL过氧化氢酶和0.5～1重量％β-巯基乙醇，ATP的浓度为0.5～3mM；

(2)将步骤(1)中所制备的微管溶液通入所述微流孔道，从而控制微管的运动方向。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多个突起在纵向延伸方向上彼此平行或不平行。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述玻璃层和聚二甲基硅氧烷印章之间使用密封胶进行贴附。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述密封胶为Fixogum橡胶胶水。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述突起的高度为5～15μm，厚度为2～10μm；所述微流孔道的宽度为2～10μm。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述马达驱动蛋白为外源质粒在大肠杆菌中转化和表达的马达驱动蛋白。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述马达驱动蛋白溶液的浓度为10～50nM。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述微流孔道经酪蛋白溶液预修饰后，再经所述马达驱动蛋白溶液修饰。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述酪蛋白溶液的浓度为0.2～1mg/mL。

10.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，制备所述流体装置的方法包括：

(1)制备聚二甲基硅氧烷印章；

(2)将玻璃层贴附于步骤(1)所制备的聚二甲基硅氧烷印章的多个突起的顶面，从而形成多条微流孔道。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，制备所述流体装置的方法的步骤(1)中的聚二甲基硅氧烷印章是通过软刻蚀方法制备的。

12.根据权利要求10所述的方法，其中，制备所述流体装置的方法的步骤(1)中的聚二甲基硅氧烷印章是通过以下步骤制备的：

(a)使用光刻法制备具有大体平行的多个凹槽的底模；

(b)使用聚二甲基硅氧烷，采用软刻蚀法对步骤(a)中的底模进行翻模，得到与所述底模多个凹槽相对应的具有多个突起的聚二甲基硅氧烷印章。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述底模的材料为硅片。