CN103087915B - 用于高通量微流控细胞芯片的除气泡装置及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高通量微流控细胞芯片的技术领域，公开了用于芯片的除气泡装置及其操作方法，芯片的入口及开口处分别连接有注满液体的tip头，除气泡装置包括底座以及座体，底座上端设有用于放置芯片的凹槽，座体封闭所述凹槽，且下端设有凹腔，座体上端封闭，且侧壁设有两分别对应连通两凹腔且供外部惰性气体进入凹腔中的通孔。本发明中的除气泡装置不是针对某种芯片而设计，其适用性强，只需要将芯片放置在底座的凹槽中则可，其制作简单，结构也简单，其利用正压达到除气泡的效果，除气泡效率高，不影响和中断进入微流控细胞芯片内的液流，保证了细胞生长的正常状态和功能，操作简单，不会出现液流中断现象，保证实验的正常进行，不会对实验存在潜在影响。

Description

用于高通量微流控细胞芯片的除气泡装置及其操作方法

技术领域

本发明涉及高通量微流控细胞芯片的技术领域，尤其涉及用于高通量微流控细胞芯片的除气泡装置及其操作方法。

背景技术

微流控芯片技术能够在微小的面积上集成成千上万个体积仅在纳升或皮升量级的筛选单元，是一种高度平行化、自动化的集成微型芯片，具有发展成为试剂消耗少，筛选成本低的超高通量药物筛选技术的巨大潜力。目前报道的大多数微流控细胞芯片的通量还很低，甚至还没有超出微孔板技术常用的通量，这是因为在发展大规模、高通量微流控细胞芯片过程中遇到了很多挑战，包括微培养单元阵列内细胞均匀分布、悬浮细胞培养、溶液输送等技术挑战。

目前，针对上述的挑战，采用正光刻胶和负光刻胶配合套刻的方式，分别制作出微流控道层（含有微流控道网络和包含有微结构的细胞培养微单元阵列），微阀控制层和微泵挤压流道层的三维立体模具，再通过高分子聚合物聚二甲基硅氧烷（PDMS）模塑方法制作出大规模集成微泵微阀的高通量微流控细胞芯片，其适合于多种细胞模型和药物筛选模式。

高通量微流控细胞芯片的材料是PDMS和玻片，PDMS具有较好的光学透光性、较高的生物相容性以及对气体和氧气的高通透性，其已经被广泛用于细胞培养。但是由于固化后的PDMS的表面具有疏水作用，水溶性的溶液在其表面的固液接触角大于90°，这样，使得溶液流经PDMS微流控道层时很容易产生气泡，这些气泡不仅使得流体分配不均，甚至会阻断溶液流动。

微流控道层里的气泡不但可以引起微流控道的层流紊乱，甚至阻断液流，而且具有很强的细胞毒性。气泡界面的巨大张力差可以破坏细胞膜结构、严重影响细胞的功能，并且能把粘附在微流控道基底的细胞彻底冲走，导致实验失败。因此，气泡的形成和累积是微流控细胞芯片实际操作应用中的一个巨大的瓶颈。

现有技术中，使用氧等离子体或者酒精对PDMS表面进行亲水处理，其只能维持几个小时作用，并且仍然会形成气泡。另外，高通量微流控细胞芯片与单通道的芯片不一样，其灌流培养室表面面积很大，气泡很容易在微流控道层里面产生并累积。

目前，国内外的一些研究小组针对气泡的移除提出了相应的解决方案，许多集成于高通量微流控细胞芯片的气泡捕捉系统和移除装置相继出现。蒋兴宇等（专利号201010256931.X）发明的一种用于微流控通道的除气泡装置，其包括位于微流控通道溶液入口处的腔体和与腔体上部开口相连的气泡引流旁路，腔体用于缓冲溶液和捕捉气泡，气泡引流旁路用于排除腔体捕捉的气泡，气泡引流旁路包括：两个旁路管和一条旁路通道。此排气泡装置结构简单，高度整合，无需外部装置支持。

Lochovsky等（Lab Chip,2012,12,595-601）设计了一个面积为9mm*mm的气泡捕捉装置，其集成在高通量微流控细胞芯片的灌流培养入口处，24小时能连续移除4000个气泡。此装置的原理是含有气泡的液流从微通道进入半径为1mm的圆柱形捕捉室，气泡被一系列间隙为50um的立柱阻挡后渗透到一个真空流道内从而被移除。

Yong Wang等(Biomed.Microdevices,2012，14，419－426)设计的气泡捕捉和移除装置利用静脉滴注原理和PDMS表面改性的方法有效地防止在灌流过程中气泡的形成和累积，完成了在芯片内进行小鼠胰岛的长期培养。该装置由三层PDMS模块组成，顶层模块有两个气体的出口和旁路的聚乙烯管连接，末端由0.22um孔径的滤器封闭，中间模块体积为195uL并有两个灌流溶液的进口用于捕捉液流中的气泡，底层模块有两个出口并连接捕捉模块和微流控芯片灌流的入口。

上述的气泡捕捉和排除装置存在很大的局限性：1、气泡捕捉和移除装置与针对某个应用的高通量微流控细胞芯片相集成，其结构受限于某种高通量微流控细胞芯片的结构，不能应用于其他类型的微流控芯片，在使用上不具有广泛性，适用性差；2、这些气泡捕捉和排除装置内置于高通量微流控细胞芯片，在材料（PDMS和玻片）和制作方式（软光刻技术）上必须与高通量微流控细胞芯片相一致，因此，制作方式比较复杂，结构较为复杂；3、上述的这些气泡捕捉和移除装置在不影响液流的情况下将气泡排出，需要额外的压力或者外接抽真空设备，操作比较困难，加上装置的正常运行中会导致短时间的实验中断，从而对细胞和实验结果产生潜在的不良影响，难以保证实验的正常进行。

发明内容

本发明的目的在于提供用于高通量微流控细胞芯片的除气泡装置，旨在解决现有技术中用于高通量微流控细胞芯片的除气泡装置适用性差、结构复杂、制作复杂以及对实验产生潜在的不良影响的问题。

本发明是这样实现的，用于高通量微流控细胞芯片的除气泡装置，所述高通量微流控细胞芯片的入口及开口处分别连接有注满液体的tip头，所述除气泡装置包括底座以及置于所述底座上的座体，所述底座上端设有用于放置所述高通量微流控细胞芯片的凹槽，所述座体封闭所述凹槽，且下端设有两分别对应用于放置所述高通量微流控细胞芯片入口及出口处的tip头的凹腔，所述凹腔连通所述凹槽，所述座体上端封闭，且侧壁设有两分别对应连通两所述凹腔且供外部惰性气体进入所述凹腔中的通孔。

本发明还提供了用于高通量微流控细胞芯片的除气泡装置的操作方法，其包括以下操作步骤：

1）、将入口及出口处分别连接有注满液体的tip头的高通量微流控细胞芯片置于所述底座的凹槽中，且入口及出口处的tip头分别对应置于所述座体的两凹腔中；

2）、使所述底座与所述座体连接，使所述座体封闭所述凹槽，所述座体中的凹腔连通所述凹槽；

3）、将所述座体上的通孔通过管道连通惰性气体，且于所述连接管道上连接减压阀。

与现有技术相比，本发明中的除气泡装置不是针对某种高通量微流控细胞芯片而设计，其适用性强，只需要将高通量微流控细胞芯片放置在底座的凹槽中则可，其制作简单，结构也简单，其利用正压达到除气泡的效果，除气泡效率高，不影响和中断进入微流控细胞芯片内的液流，保证了细胞生长的正常状态和功能，操作简单，不会出现中断现象，保证实验的正操进行，不会对实验存在潜在影响。

附图说明

图1是本发明实施例提供的用于高通量微流控细胞芯片的除气泡装置的剖切示意图；

图2是本发明实施例提供的底座的剖切示意图；

图3是本发明实施例提供的底座的立体示意图；

图4是本发明实施例提供的中间块的立体示意图；

图5是本发明实施例提供的上盖的立体示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体附图对本发明的实现进行详细的描述。

如图1~5所示，为本发明提供的一较佳实施例。

本实施例提供的除气泡装置1，用于高通量微流控细胞芯片2，用于移除高通量微流控细胞芯片2的微流控道中的气泡。

本实施例提供的除气泡装置1包括底座11以及置于底座11上的座体，底座11上端设有向下凹的凹槽111，需要进行除气泡的高通量微流控细胞芯片2可以直接放置该凹槽111中，高通量微流控细胞芯片2的入口及出口分别接设有tip头，且tip头注满溶液，例如磷酸盐缓冲液（PBS）等；座体上端封闭，下端连接在底座11的上端上，且封闭了底座11的凹槽111；座体的下端分别设有两个向上凹的凹腔121，该两个凹腔121分别相间布置，且分别连通凹槽111；座体上还设有两个分别连通上述凹腔121的通孔124，该通孔124分别通过管道与外部的氮气瓶连接，使得氮气瓶中的氮气可以直接进入到凹腔121及凹槽111中，当然，也不一样是氮气，还可以是其它惰性气体等。而为了可以控制进入凹腔121及凹槽111中的惰性气体的压力，对应芯片2入口处的tip头的通孔124的管道中还连接有减压阀，通过该减压阀，可以调节惰性气体进入凹腔121及凹槽111中的压力。

上述的除气泡装置1中，当高通量微流控细胞芯片2放置在凹槽111中后，且座体连接在底座11的上端后，高通量微流控细胞芯片2入口及出口的tip头分别位于两个凹腔121中。

本实施例中，由于座体封闭了凹槽111，且座体的上端封闭，这样，凹腔121及凹槽111形成封闭状体，通过通孔124进入其内的惰性气体不会出现渗透的现象，这样，随着惰性气体的进入，凹腔121及凹槽111中形成一个正压环境，驱动高通量微流控细胞芯片2入口及出口的tip头的溶液进行芯片2中，且由于凹腔121及凹槽111中压力随着惰性气体的进入，其大于外部大气压，这样，在该正压力的作用下，溶液进入芯片2中的微流控道，微流控道中的气泡在正压力的作用下，慢慢移动，并逐渐减小，最后，通过高通量微流控细胞芯片2本身的PDMS材料中间隙逸出，从而达到除气泡的效果，除气泡效率高，不影响和中断进入微流控细胞芯片2内的液流，保证了细胞生长的正常状态和功能。

上述的除气泡装置1不是针对某种高通量微流控细胞芯片2而设计，其适用性强，只需要将高通量微流控细胞芯片2放置在底座11的凹槽111中则可，因此不需要和高通量微流控细胞芯片2的设计相一致，其制作简单，结构也简单，再者，该除气泡装置1只需要在凹腔121及凹槽111的封闭环境中保持正压，其不需要连接抽真空等设备，操作简单，不会出现中断现象，保证实验的正常进行，不会对实验存在潜在影响。

本实施例中，座体包括中间块12以及上盖13，两凹腔121分别贯穿中间块12的上下端面，上盖13连接在中间块12的上端，封闭凹腔121的上端，上述的两通孔124设置在该中间块12的侧壁上，分别对应连通中间块12的两个凹腔121。

上述中的底座11呈方形状，其中的凹腔121也呈方形状，当然，底座11的形状也可以是其它形状，并不仅限制于本实施例中的形状。

中间块12包括连接板122以及凸设在连接板122上的台阶块123，该台阶块123由连接板122的上端凸起，与连接板122之间形成台阶结构，上述的两个凹腔121分别设置在台阶块123中，贯穿台阶块123的上下端面。

中间块12的连接板122与底座11之间通过螺丝钉连接，相对应地，底座11上设置有多个第一螺孔，相对应的，中间块12的连接板122上设置有多个与第一螺孔相对应的第二螺孔，螺丝钉直接穿过第一螺孔及第二螺孔，则可以将中间块12与底座11连接在一起。

具体地，为了更好定位中间块12与底座11之间的位置，中间块12的连接板122与底座11之间设置有定位结构，这样，便于在中间块12与底座11装配过程中进行定位。

上述的定位结构包括分别插设在中间块12连接板122与底座11之间的定位销14。具体设置如下：底座11的上设有第一定位孔112，相对应地，中间块12的连接板122上设置有与第一定位孔112相对应的第二定位孔125，上述的定位销14的两端分别插设在第一定位孔112及第二定位孔125中。这样，在利用螺丝钉连接中间块12及底座11的过程中，可以先利用定位销14将中间块12及底座11的位置定位好。

本实施例中，上盖13的形状与台阶块123上端的形状对应，其盖设在台阶块123上，利用螺丝钉连接在台阶块123上，从而实现封闭台阶块123两个凹腔121的目的。

具体地，上述的中间块12为有机玻璃制成，底座11为黄铜制成，结构简单，制作容易，使用方便，能够重复使用于多种高通量微流控细胞芯片2，有很高的扩展性。

当然，中间块12及底座11的材料并不仅限制于上述的材料，根据实际需要。

本实施例中，底座11为方形状，其尺寸为80mm*80mm*10mm，凹槽111也呈放形状，其尺寸是51mm*51mm*3mm；中间块12的连接块的长宽尺寸为80mm*80mm，整个连接块的高度为22mm，凹腔121为方形状，其长宽尺寸是32mm*10mm；中间块12上的通孔124分别连接两根直径为

4mm的TYGON管道，减压阀再通过一根直径为6mm的管道与氮气瓶连接；上盖13为方形状，其长宽厚尺寸是60mm*60mm*6mm。

当然，上述中的底座11、中间块12以及上盖13的形状及尺寸并不限制于本实施例，根据实际情况，可以设置为其它多种形状及尺寸。

本实施例还提供了用于高通量微流控细胞芯片2的除气泡装置1的操作方法，其包括了以下操作步骤：

1）、将入口及出口处分别连接有注满液体的tip头的高通量微流控细胞芯片2置于底座11的凹槽111中，且入口及出口处的tip头分别对应置于座体的两凹腔121中；

在要除气泡的高通量微流控细胞芯片2的所有入口和出口处插上装有溶液的10ulTip头，例如磷酸盐缓冲液（PBS），若不使用10ul的tip头，只在芯片2的入口和出口处放置溶液后则发现溶液进入芯片2微流控道后分布不均匀，导致后期将芯片2内排出的气泡又重新在正压力作用下进入细胞芯片2内。当然，tip头不一定是要10ul的，也可以是其它体积的。

2）、将座体连接在底座11上，使座体封闭凹槽111，座体中的凹腔121连通凹槽111；

3）、将座体上的通孔124通过管道连通惰性气体，且于连接管道中连接一个减压阀。

调节减压阀，使进入到除气泡装置1中的惰性气体维持0.3Mpa的压力。因为外界大气压的压力是0.1Mpa，因此Tip头中的溶液在惰性气体产生的正压力下进入芯片2的微流控道内，溶液流经芯片2入口处、出口处、微流控道和培养室产生气泡，气泡在正压力作用下慢慢移动并逐渐减小，最后通过PDMS本身材料间隙溢出，从而达到除气泡的目的。当然，惰性气体的压力值也可以是大于0.1Mpa的任意压值，即大于外界的大气压压值则可，并且惰性气体一般是氮气。

在操作步骤2）中，利用定位销14定位底座11与座体的位置，再利用螺钉将底座11与座体连接。

上述中，往所述座体凹腔121中连续充入惰性气体后，直至所述高通量微流控细胞芯片2的入口处、出口处、微流控道及培养室内充满溶液。

连续充入氮气15分钟之后，在显微镜下观察到高通量微流控细胞芯片2的每个入口和出口处，微流控道和培养室内充满了溶液而没有气泡。从而保证了后续在高通量微流控细胞芯片2内进行贴壁细胞和悬浮细胞灌流培养还有抗肿瘤药物筛选等一系列实验不再受气泡干扰，解决了影响高通量微流控细胞芯片2最主要障碍之一的气泡问题，为微流控细胞芯片2的稳定、高效使用提供了解决方案。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.用于高通量微流控细胞芯片的除气泡装置，所述高通量微流控细胞芯片的入口及出口处分别连接有注满液体的tip头，其特征在于，所述除气泡装置包括底座以及置于所述底座上的座体，所述底座上端设有用于放置所述高通量微流控细胞芯片的凹槽，所述座体封闭所述凹槽，且所述座体的下端设有两个分别对应用于放置所述高通量微流控细胞芯片入口及出口处的tip头的凹腔，所述凹腔连通所述凹槽，所述座体上端封闭，且侧壁设有两个分别对应连通两个所述凹腔且供外部惰性气体进入所述凹腔中的通孔。

2.如权利要求1所述的用于高通量微流控细胞芯片的除气泡装置，其特征在于，所述座体包括置于所述底座上的中间块以及置于所述中间块上的上盖，所述凹腔贯穿所述中间块上下端，所述中间块封闭所述凹槽，所述上盖封盖所述中间块凹腔的上端。

3.如权利要求2所述的用于高通量微流控细胞芯片的除气泡装置，其特征在于，所述中间块包括置于所述底座上的连接板以及凸设于所述连接板上的台阶块，所述凹腔分别贯穿所述连接板及所述台阶块，所述上盖置于所述台阶块上。

4.如权利要求3所述的用于高通量微流控细胞芯片的除气泡装置，其特征在于，两个所述通孔分别设于所述台阶块侧壁。

5.如权利要求3所述的用于高通量微流控细胞芯片的除气泡装置，其特征在于，所述连接板与所述底座之间连接有定位销。

6.如权利要求1至5任一项所述的用于高通量微流控细胞芯片的除气泡装置，其特征在于，所述底座为黄铜材料制成，所述中间块为有机玻璃材料制成。

7.一种权利要求1～6任一项所述的用于高通量微流控道细胞芯片的除气泡装置的操作方法，其特征在于，包括以下操作步骤：

1)、将入口及出口处分别连接有注满液体的tip头的高通量微流控细胞芯片置于所述底座的凹槽中，且入口及出口处的tip头分别对应置于所述座体的两个凹腔中；

2)、使所述底座与所述座体连接，使所述座体封闭所述凹槽，所述座体中的凹腔连通所述凹槽；

3)、将所述座体上的通孔通过管道连通惰性气体，且于所述管道上连接减压阀，通过所述通孔进入所述座体凹腔中的惰性气体气压的压值大于外界大气压的压值。

8.如权利要求7所述的用于高通量微流控细胞芯片的除气泡装置的操作方法，其特征在于，所述操作步骤2)中，利用定位销定位底座与座体的位置。

9.如权利要求7所述的用于高通量微流控细胞芯片的除气泡装置的操作方法，其特征在于，往所述座体凹腔中连续充入惰性气体后，直至所述高通量微流控细胞芯片的入口处、出口处、微流控道及培养室内充满溶液。