CN103060195A - 一种多细胞共培养的微流控芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多细胞共培养的微流控芯片及其制备方法，该微流控芯片表面有微结构和微通道，在液差产生的重力驱动下，利用层流现象实现多种细胞的微通道不同区域的植入，最后实现多种细胞的共培养，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。该微流控芯片实现了多种细胞的共培养，具有直观、便捷化、微型化以及试剂与样品用量少的特点，为多细胞共培养提供了一种全新的分析技术。
Description
技术领域
本发明涉及一种多细胞共培养的微流控芯片及其制备方法，该微流控芯片表面有微结构和微通道，在液差产生的重力驱动下，利用层流现象实现多种细胞的微通道不同区域的植入，最后实现多种细胞的共培养，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。但是近来，一种Petaka细胞培养系统的问世，获得美国、欧洲广大生物科学家的青睐，培养皿/培养瓶的一些致命缺陷又再一次被提及，成为研究人员热烈讨论的话题之一。
常规的细胞培养皿很难完成多种细胞的共培养，因此，发展一种便捷、快速、高效、低成本的多细胞培养技术，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。微流控芯片作为一种新型的分析检测平台，具有高通量、集成化、多重平行分析、便携式、易操作、成本低等优点，已经在众多领域获得了广泛应用。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技术，目前在多种细胞共培养的应用领域尚未有实质性的突破。
多种细胞共培养微流控芯片能将2种或2种以上的细胞共同培养于同一环境中，能更真实地反映人体组织细胞之间的互相影响，有利于实验者观察细胞与细胞之间互相作用，特别是多个细胞对一个细胞的影响，也有利于快速筛选新药的疗效和毒性。
发明内容
本发明的目的是提供了一种多细胞共培养的微流控芯片及其制备方法，其特征在于该微流控芯片是有微结构和微通道的微流控芯片，以多重液体在微通道中产生的层流为样品微流体的驱动力，完成多种细胞在微流控芯片中微通道的植入。微流控芯片由刻有微米级别的微结构和微通道的芯片和粘性薄膜封合而成，微结构和微通道通过微加工技术制备，包括样品池、废液池、微孔和微通道。
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)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。
(4)将不同细胞溶液从样品池加入，控制微流体的层流速度，将多种细胞植入到微流控芯片中的主微通道中。
(5)完成多种细胞在微通道中的植入后，进行细胞的培养。
本发明中，多细胞共培养的微流控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，多细胞共培养的微流控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，多细胞共培养的微流控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，多细胞共培养的微流控芯片上的样品溶液的驱动依靠液差产生的重力。
本发明中，多细胞共培养的微流控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，多细胞共培养的微流控芯片采用原位植入，微通道表面进行BSA蛋白表面修饰固定。
本发明提出的多细胞共培养的微流控芯片及其制备方法，操作简单、实现了多种细胞的平行植入和共培养，降低了试剂与样品的用量，简化了细胞植入过程，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.多细胞共培养的微流控芯片的结构示意图。
a.左侧样品注入孔，b.中间样品注入孔，c.右侧样品注入孔，d.BSA蛋白修饰的微通道，e.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，制成多细胞共培养的微流控芯片。从左侧样品注入孔和右侧样品注入孔分别加入含细胞的细胞培养液，从中间样品注入孔中加入细胞培养液，控制左、中、右侧样品注入孔与废液池的液差高度，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，从而完成两种细胞的同时植入。
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，制成多细胞共培养的微流控芯片。从左侧、右侧和中间样品注入孔分别加入含不同细胞的细胞培养液，控制左、中、右侧样品注入孔与废液池的液差高度，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，从而完成三种细胞的同时植入。
Claims (10)
1.一种多细胞共培养的微流控芯片及其制备方法，其特征在于该微流控芯片是有微结构和微通道的微流控芯片，以多重液体在微通道中产生的层流为样品微流体的驱动力，完成多种细胞在微流控芯片中微通道的植入。微流控芯片由刻有微米级别的微结构和微通道的芯片和粘性薄膜封合而成，微结构和微通道通过微加工技术制备，包括样品池、废液池、微孔和微通道。
2.按权利要求1所述的多细胞共培养的微流控芯片及其制备方法，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)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。
(4)将不同细胞溶液从样品池加入，控制微流体的层流速度，将多种细胞植入到微流控芯片中的主微通道中。
(5)完成多种细胞在微通道中的植入后，进行细胞的培养。
3.按权利要求1或2所述的多细胞共培养的微流控芯片及其制备方法，其特征在于，这种细胞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所述的多细胞共培养的微流控芯片及其制备方法，其特征在于，这种细胞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所述的多细胞共培养的微流控芯片及其制备方法，其特征在于，这种细胞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所述的多细胞共培养的微流控芯片及其制备方法，其特征在于，这种细胞培养芯片可以在一块芯片上制作多组微结构和微通道，构成多组细胞培养单元，可同时培养多组样品，提高了单位时间的平行培养能力。
7.按权利要求1或2所述的多细胞共培养的微流控芯片及其制备方法，其特征在于，这种细胞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所述的多细胞共培养的微流控芯片及其制备方法，其特征在于，这种细胞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所述的多细胞共培养的微流控芯片及其制备方法，其特征在于，这种细胞培养芯片适合两种或三种细胞，甚至四种以上不同细胞的原位共培养。
10.按权利要求1或2所述的多细胞共培养的微流控芯片及其制备方法，其特征在于，这种细胞培养芯片便于观察、设备简单、直接采样、样品和试剂用量小，平行培养能力高、易与检测器连接、样品无需转移、样品交叉污染几率小，能更真实地反映人体组织细胞之间的互相影响，有利于实验者观察细胞与细胞之间互相作用，特别是多个细胞对一个细胞的影响，也有利于快速筛选新药的疗效和毒性，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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