CN103060193A - 一种新型温度响应性微流控细胞层培养芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种新型温度响应性微流控细胞层培养芯片及其制备方法，该微流控芯片表面有微结构和微通道，微通道表面用牛血清蛋白分子进行表面修饰，在溶液进口与出口之间的液差产生的重力驱动下，利用液流之间的层流现象实现细胞在微通道中的植入，最后从溶液入口加入不同温度的细胞培养溶液，微通道的细胞在不同温度下产生变化，实现研究温度变化对细胞培养的影响，为研究细胞生物学奠定基础，主要应用于细胞生物学、遗传学和药物筛选等相关领域。该微流控芯片操作简单、完成了细胞的植入和培养，降低了试剂与样品的用量，简化了细胞植入过程，实现了研究温度变化对细胞培养的影响，具有便携、经济、快速、高效、准确的特点，为细胞生物学研究提供了一种全新的细胞培养与分析技术。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型温度响应性微流控细胞层培养芯片及其制备方法，该微流控芯片表面有微结构和微通道，微通道表面用牛血清蛋白分子进行表面修饰，在溶液进口与出口之间的液差产生的重力驱动下，利用液流之间的层流现象实现细胞在微通道中的植入，最后从溶液入口加入不同温度的细胞培养溶液，微通道的细胞在不同温度下产生变化，实现研究温度变化对细胞培养的影响，为研究细胞生物学奠定基础，主要应用于细胞生物学、遗传学和药物筛选等相关领域。
背景技术
20世纪80年代后期，为了建立更类似于体内环境的培养体系，尽可能使体外环境与体内环境相吻合，从而使细胞间能相互沟通信息，相互支撑生长增殖，人们在细胞培养技术的基础上发展出了细胞共培养技术。细胞共培养技术是将2种或2种以上的细胞共同培养于同一环境中，由于其具有更好地反映体内环境的优点，所以这种方法被广泛应用于现代细胞研究中。
目前，细胞共培养技术最多应用于骨细胞和神经细胞。细胞共培养体系主要通过两种方法建立：①直接共培养体系，即将2种或2种以上的细胞同时或分别接种于同一孔中，不同种类的细胞之间直接接触；②间接共培养体系，即将2种或2种以上的细胞分别接种于不同的载体上，然后将这两种载体置于同一培养环境之中，使不同种类的细胞共用同一种培养体系而不直接接触。
共培养体系主要作用：诱导细胞向另一种细胞分化；诱导细胞自身分化；维持细胞功能和活力；调控细胞增殖；促进早期胚胎发育和提高代谢产物产量。从上世纪30年代开始，细胞培养逐渐成为研究人员实验过程中不可缺少的重要步骤，其载体工具：培养皿/培养瓶也逐步被大家所认可，成为了一种常规的实验耗材。虽然到目前为止，很多科学家认为培养皿/培养瓶的这种体外培养条件与体内生长环境有着显著的不同，但是由于没有更好的培养载体来改变这个现状，所以生物学家们也只能退而求次的默认这种情况的存在。
温度对细胞培养的影响在细胞生物学中非常重要，因此，发展一种便捷、快速、高效、低成本的多细胞培养技术，研究温度对细胞的影响是细胞生物学等领域的迫切需求。近年来，微流控芯片分析技术已成为分析化学中一个重要的研究方向，是其中最活跃的一支，无论是在科研还是应用领域都获得了广泛的重视。然而，采用微流控芯片，在其表面制备微结构和微通道，依靠微通道中多层液体之间的层流效应驱动样品微流体，同时完成多种细胞的植入以及温度原位变化影响细胞生长技术，目前在相关应用领域尚未有实质性的突破。
发明内容
本发明的目的是提供了一种新型温度响应性微流控细胞层培养芯片及其制备方法，该微流控芯片表面有微结构和微通道，微通道表面用牛血清蛋白分子进行表面修饰，在溶液进口与出口之间的液差产生的重力驱动下，利用液流之间的层流现象实现细胞在微通道中的植入，最后从溶液入口加入不同温度的细胞培养溶液，微通道的细胞在不同温度下产生变化，实现研究温度变化对细胞培养的影响，为研究细胞生物学奠定基础，主要应用于细胞生物学、遗传学和药物筛选等相关领域。
为实现上述目的，本发明采用以下的操作步骤：
(1)用计算机辅助设计软件设计和绘制微流控芯片中各层芯片的微结构和微通道图形。
(2)通过微加工技术在各层微流控芯片基材表面和粘性薄膜上加工所需的微结构和微通道，包括样品池、废液池、微孔和微通道。
(3)将牛血清蛋白溶液加入微通道中，进行物理表面修饰固定。
(4)利用双层粘性薄膜，将各层离心式微流控芯片对齐、粘合、加压封合，组成多细胞共培养的微流控芯片。
(5)将细胞溶液从样品孔加入，控制微流体的层流速度，将细胞植入到微流控芯片中的主微通道中，进行细胞培养。
(6)细胞培养铺满主通道后，从溶液入口，同时加入不同温度的细胞培养溶液，纪录细胞对温度的反应。
本发明中，新型温度响应性微流控细胞层培养芯片的芯片基材可以是PMMA、PC、PVC、COC、铜、铝、不锈钢、硅片、玻璃圆片，也可是市售的各类普通CD光盘。
本发明中，新型温度响应性微流控细胞层培养芯片和粘性薄膜的微结构和微通道可以通过数控铣刻、激光刻蚀、LIGA技术、模塑法、热压法、化学腐蚀制备，也可用软刻蚀技术制备。
本发明中，新型温度响应性微流控细胞层培养芯片是由两层芯片组成，各层芯片之间用粘性薄膜贴合，粘性薄膜可以是双层力致粘性薄膜，也可是普通双面胶薄膜。
本发明中，新型温度响应性微流控细胞层培养芯片上的样品溶液的驱动依靠液差产生的重力。
本发明中，新型温度响应性微流控细胞层培养芯片的细胞植入是依靠微通道中多液流之间的层流现象完成的。
本发明中，新型温度响应性微流控细胞层培养芯片采用原位植入，微通道表面进行BSA蛋白表面修饰固定。
本发明提出的新型温度响应性微流控细胞层培养芯片及其制备方法，操作简单、完成了细胞的平行植入和培养，降低了试剂与样品的用量，简化了细胞植入过程，实现了研究温度变化对细胞培养的影响，具有便携、经济、快速、高效、准确的特点，在细胞生物学、遗传学和药物筛选等相关领域中具有良好的应用前景。
附图说明
图1.新型温度响应性微流控细胞层培养芯片的结构示意图。
a.细胞溶液与不同温度溶液加入孔，b.细胞培养主通道，c.不同温度溶液的废液孔。
具体实施方案
实施例1
用计算机辅助设计软件设计和绘制离心式微流控芯片的两层芯片的微结构和微通道图形。利用数控CNC系统加工制备两层圆片状聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)芯片的微结构和微通道，分别用自来水、蒸馏水清洗各层芯片，并用乙醇擦拭芯片表面残留的指纹、油渍等污渍。在双面胶薄膜上，用刻字机加工制备所需的微结构和微通道。将两层芯片小心对齐、粘合、加压封合，制成适合细胞培养的含有六个入口、一个细胞培养主通道和六个出口的微流控芯片。从上部溶液入口加入细胞混合液，控制入口与出口的液差高度，从而控制层流速度，使细胞溶液缓慢流经微通道，细胞因此吸附在用BSA蛋白修饰固定的微通道表面，从而完成细胞的植入。细胞培养一段时间，铺满主通道后，从六个入口依次加入15、20、25、30、35、40度的细胞培养溶液，纪录细胞对温度的反应。
实施例2
用计算机辅助设计软件设计和绘制离心式微流控芯片的两层芯片的微结构和微通道图形。利用数控CNC系统加工制备两层圆片状聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)芯片的微结构和微通道，分别用自来水、蒸馏水清洗各层芯片，并用乙醇擦拭芯片表面残留的指纹、油渍等污渍。在双面胶薄膜上，用刻字机加工制备所需的微结构和微通道。将两层芯片小心对齐、粘合、加压封合，制成适合细胞培养的含有六个入口、一个细胞培养主通道和六个出口的微流控芯片。从上部溶液入口加入细胞混合液，控制入口与出口的液差高度，从而控制层流速度，使细胞溶液缓慢流经微通道，细胞因此吸附在用BSA蛋白修饰固定的微通道表面，从而完成细胞的植入。细胞培养一段时间，铺满主通道后，从六个入口依次加入15、20、25、30、35、40度的细胞培养溶液，纪录细胞对温度的反应。
Claims (10)
1.一种新型温度响应性微流控细胞层培养芯片及其制备方法，该微流控芯片表面有微结构和微通道，微通道表面用牛血清蛋白分子进行表面修饰，在溶液进口与出口之间的液差产生的重力驱动下，利用液流之间的层流现象实现细胞在微通道中的植入，最后从溶液入口加入不同温度的细胞培养溶液，微通道的细胞在不同温度下产生变化，实现研究温度变化对细胞培养的影响，为研究细胞生物学奠定基础。
2.按权利要求1所述的新型温度响应性微流控细胞层培养芯片及其制备方法，其特征在于，其制作步骤如下：
(1)用计算机辅助设计软件设计和绘制微流控芯片中各层芯片的微结构和微通道图形。
(2)通过微加工技术在各层微流控芯片基材表面和粘性薄膜上加工所需的微结构和微通道，包括样品池、废液池、微孔和微通道。
(3)将牛血清蛋白溶液加入微通道中，进行物理表面修饰固定。
(4)利用双层粘性薄膜，将各层离心式微流控芯片对齐、粘合、加压封合，组成多细胞共培养的微流控芯片。
(5)将细胞溶液从样品孔加入，控制微流体的层流速度，将细胞植入到微流控芯片中的主微通道中，进行细胞培养。
(6)细胞培养铺满主通道后，从溶液入口，同时加入不同温度的细胞培养溶液，纪录细胞对温度的反应。
3.按权利要求1或2所述的新型温度响应性微流控细胞层培养芯片及其制备方法，其特征在于，这种新型温度响应性微流控细胞层培养芯片的核心功能器件是微流控芯片，此芯片以液差产生的重力作为样品微流体流动的驱动力，可以批量生产、多次利用、灵活设计与组装。
4.按权利要求1或2所述的新型温度响应性微流控细胞层培养芯片及其制备方法，其特征在于，这种新型温度响应性微流控细胞层培养芯片上的微结构和微通道是通过数控铣刻、激光刻蚀、LIGA技术、模塑法、热压法、化学腐蚀、软刻蚀技术的微加工方法在芯片基材表面制备，尺寸在微米级别。
5.按权利要求1或2所述的新型温度响应性微流控细胞层培养芯片及其制备方法，其特征在于，这种新型温度响应性微流控细胞层培养芯片是由两层芯片叠加而成，构成三维立体的微结构和微通道网络。
6.按权利要求1或2所述的新型温度响应性微流控细胞层培养芯片及其制备方法，其特征在于，这种新型温度响应性微流控细胞层培养芯片可以在一块芯片上制作六个溶液进样口，可以同时加入六种不同温度的溶液，提高了单位时间的平行研究能力。
7.按权利要求1或2所述的新型温度响应性微流控细胞层培养芯片及其制备方法，其特征在于，这种新型温度响应性微流控细胞层培养芯片通过微通道中多液流之间的层流现象完成微通道中细胞的植入。
8.按权利要求1或2所述的新型温度响应性微流控细胞层培养芯片及其制备方法，其特征在于，这种新型温度响应性微流控细胞层培养芯片采用原位植入，在微通道表面进行BSA蛋白表面修饰后进行细胞的植入。
9.按权利要求1或2所述的新型温度响应性微流控细胞层培养芯片及其制备方法，其特征在于，这种新型温度响应性微流控细胞层培养芯片适合同时加入一种、两种、三种、四种、五种，甚至六种不同温度的溶液。
10.按权利要求1或2所述的新型温度响应性微流控细胞层培养芯片及其制备方法，其特征在于，这种新型温度响应性微流控细胞层培养芯片便于观察、设备简单、直接采样、样品和试剂用量小，平行培养能力高、样品无需转移、样品交叉污染几率小，能更真实地反映不同温度对人体组织细胞的影响，在细胞生物学、遗传学和药物筛选等相关领域具有广泛的应用前景。
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