CN103131665A - 一种复合结构编码微载体及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合结构编码微载体及其制备方法和应用，述的复合结构编码微载体为实心或多囊编码的微载体，生成所述实心或多囊编码的微载体的装置为单乳液或双乳液的三维微流控装置。制备方法包括：首先，微流控装置的制备；其次，根据微载体的性质和编码形式，配制各相溶液；再次通过调节各相溶液的流速获得微载体；所述微载体在细胞培养中及生物分子、细胞、生物材料的多元检测技术领域中的应用。

Description

一种复合结构编码微载体及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及生物分析材料领域，特别是涉及一种复合结构编码微载体及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，体外三维细胞培养的研究已受到了人们广泛的关注。与传统的二维-单层细胞培养相比，三维细胞培养中的药物、营养物质和气体扩散属性更接近于活体组织。它的主要优点是具有良好的结构，能直接反映结构与功能的关系，细胞的形态和微环境更接近体内的状态，而且可以与相邻的细胞建立更为紧密的联系。发展三维细胞培养技术，填补了单层细胞培养和动物实验之间的鸿沟，为抗肿瘤药物筛选、细胞耐药性研究、干细胞培养、组织工程和毒理学等研究提供了新的方向。在几种细胞三维培养模型中，微载体细胞培养技术得到了科学家们的认可，其发展非常迅速，已广泛用于贴壁依赖型细胞的生长和增殖，并已经成为一种常用且有效的动物细胞培养技术。目前，很多天然材料已被用来制成细胞微载体并已成功地商业化。

现有技术中，微载体只用于细胞扩增，当进行细胞相关检测时，还需与多孔板联用，如将培养有不同细胞的微载体置在确定的微孔中，再加入待检物进行检测。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种复合结构编码微载体，该微载体自身带有编码，能够直接利用其编码来分辨细胞或生物分子，达到多元检测的目的。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种复合结构编码微载体，所述的复合结构编码微载体为实心或多囊编码的微载体，生成所述实心或多囊编码的微载体的装置为单乳液或双乳液的三维微流控装置。

在本发明一个较佳实施例中，所述复合结构编码微载体为实心油溶性微载体，生成所述实心油溶性微载体的装置为水包油（W/O）单乳液微流控装置。

在本发明一个较佳实施例中，所述复合结构编码微载体为实心水溶性微载体，生成所述实心水溶性微载体的装置为油包水（O/W）单乳液微流控装置。

在本发明一个较佳实施例中，所述复合结构编码微载体为多囊油溶性微载体，生成所述多囊油溶性微载体的装置为水包油包水（W/O/W）双乳液微流控装置。

在本发明一个较佳实施例中，所述复合结构编码微载体为多囊水溶性微载体，生成所述多囊水溶性微载体的装置为油包水包油（O/W/O）双乳液微流控装置。

在本发明一个较佳实施例中，所述油溶性微载体选自乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、聚二甲基硅氧烷。

在本发明一个较佳实施例中，所述水溶性微载体选自海藻酸钙、琼脂糖、胶原、壳聚糖、聚乙二醇二丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺中的一种或多种。

在本发明一个较佳实施例中，所述复合结构编码微载体还包括编码元素，所述的编码元素为颜色编码或形状编码。

在本发明一个较佳实施例中，所述颜色编码为荧光染料、量子点或光子晶体。

在本发明一个较佳实施例中，所述复合结构编码微载体为实心。

在本发明一个较佳实施例中，所述复合结构编码微载体为单囊或多囊。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种制备复合结构编码微载体的方法，包括以下步骤：

首先， 微流控装置的制备：为避免溶液在毛细管内粘连或者乳液液滴贴壁而无法成功乳化，根据需要对微流控管道进行亲疏水性修饰，根据微载体的形态和性质，组装合适的微流控装置；

其次， 根据微载体的性质和编码形式，配制各相溶液，在微流控通道内注入互不相溶的两种或多种溶液，利用各相溶液之间的剪切作用形成分散的液滴；

再次， 通过调节各相溶液的流速，可以生成不同大小和包裹不同数量内囊的液滴，固化液滴，清洗后，即可获得微载体。

在本发明一个较佳实施例中，所述微流控装置选自协流式或汇聚式微流控装置，所述微流控装置的管道材料选用二氧化硅、特氟龙、聚二甲基硅氧烷中的一种或多种。

在本发明一个较佳实施例中，所述的亲疏水性修饰为在表面修饰上羟基或氨基；所述疏水性修饰为在表面修饰上长链烷烃。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是，所述复合结构编码微载体在细胞培养中的应用。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是所述复合结构编码微载体在生物分子、细胞、生物材料的多元检测技术领域中的应用。

本发明的有益效果是：该微载体自身带有编码，能够直接利用其编码来分辨细胞或生物分子，达到多元检测的目的。本发明微载体通过颜色或形状编码，编码方式简单，稳定，并且便于解码。

附图说明

图1是本发明复合结构编码微载体及制备方法的示意图；；

图2是本发明双乳液微流体装置示意图；

图3是本发明复合结构编码微载体示意图

附图中各部件的标记如下：1、外相；2、内相；3、中间相；4、编码元素；5、内囊。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

请参阅图1-3，本发明实施例提供如下技术方案

在一个实施例中，一种复合结构编码微载体，所述的复合结构编码微载体为实心或多囊编码的微载体，生成所述实心或多囊编码的微载体的装置为单乳液或双乳液的三维微流控装置。

优选的，所述复合结构编码微载体为实心油溶性微载体，生成所述实心油溶性微载体的装置为水包油（W/O）单乳液微流控装置。

优选的，所述复合结构编码微载体为实心水溶性微载体，生成所述实心水溶性微载体的装置为油包水（O/W）单乳液微流控装置。

优选的，所述复合结构编码微载体为多囊油溶性微载体，生成所述多囊油溶性微载体的装置为水包油包水（W/O/W）双乳液微流控装置。

优选的，所述复合结构编码微载体为多囊水溶性微载体，生成所述多囊水溶性微载体的装置为油包水包油（O/W/O）双乳液微流控装置。

优选的，所述油溶性微载体选自乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、聚二甲基硅氧烷。

优选的，所述水溶性微载体选自海藻酸钙、琼脂糖、胶原、壳聚糖、聚乙二醇二丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺中的一种或多种。

优选的，所述复合结构编码微载体还包括编码元素4，所述的编码元素4为颜色编码或形状编码。

优选的，所述颜色编码为荧光染料、量子点或光子晶体。

优选的，所述复合结构编码微载体为实心。

优选的，所述复合结构编码微载体为单囊或多囊。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种制备复合结构编码微载体的方法，包括以下步骤：

首先，微流控装置的制备：为避免溶液在毛细管内粘连或者乳液液滴贴壁而无法成功乳化，根据需要对微流控管道进行亲疏水性修饰，根据微载体的形态和性质，组装合适的微流控装置；

其次， 根据微载体的性质和编码形式，配制各相溶液，在微流控通道内注入互不相溶的两种或多种溶液，利用各相溶液之间的剪切作用形成分散的液滴；

再次， 通过调节各相溶液的流速，可以生成不同大小和包裹不同数量内囊5的液滴，固化液滴，清洗后，即可获得微载体。

优选的，所述微流控装置选自协流式或汇聚式微流控装置，所述微流控装置的管道材料选用二氧化硅、特氟龙、聚二甲基硅氧烷中的一种或多种。

优选的，所述的亲疏水性修饰为在表面修饰上羟基或氨基；所述疏水性修饰为在表面修饰上长链烷烃。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是，所述复合结构编码微载体在细胞培养中的应用。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是所述复合结构编码微载体在生物分子、细胞、生物材料的多元检测技术领域中的应用。

所述编码微载体是通过微流体的方法制备而成的，根据微流体的单乳液或双乳液体系，可分别制备出实心或多囊编码微载体；通过微流体技术制备所述编码微载体的方法如下：根据所需微载体的形态和性质，设计可以生成单乳液或双乳液的三维微流控装置，通过乳液间的剪切力作用以及各相乳液流速的控制，可以用来制备相应的实心或多囊编码微载体。

本发明设计可以生成单乳液或双乳液的三维微流控装置，通过乳液间的剪切力作用以及各相乳液流速的控制，即可制备出相应的实心或多囊编码微载体。是一种能符合细胞培养，蛋白质，细胞，生物材料多元检测以及药物筛选等要求的复合结构编码微载体。本发明设计组装合适的微流控装置，利用各相溶液之间的剪切作用形成分散的液滴，通过各相溶液流速的控制，生成不同大小和包裹不同数量内囊5的液滴。固化清洗后，即可形成符合细胞培养以及蛋白质、细胞、生物材料、药物筛选等要求的聚合物编码微载体。

本发明几种复合结构编码微载体及其制备方法包括设计组装合适的微流控装置，配制各相溶液，利用各相溶液之间的剪切作用形成分散的液滴，通过调节各相溶液的流速，生成不同大小和包裹多个内囊5的液滴，固化清洗后，即可得到编码微载体，该微载体能符合细胞培养及蛋白质、细胞、生物材料、药物等多元检测的要求。进行检测应用时，所述利用微流体技术制备的微载体吸附生物分子、细胞或包被生物材料，载体的编码元素4可用于生物多元分析。所述编码微载体可直接使细胞黏附、生长和繁殖，并能通过表面修饰的方法增加黏附细胞的数量。

应根据微载体的形态和性质，选择相应的微流控装置。可为实心油溶性微载体，选择水包油（W/O）单乳液微流控装置；可为多囊油溶性微载体，选择水包油包水（W/O/W）双乳液微流控装置。若为水溶性微载体，则应选择对应相反的微流控装置。该微载体具有一定的生物学应用。制备的多囊编码微载体，通过调节各相溶液的流速，可控制其在固化后形成贯穿多孔结构，这样的多孔编码微载体可用于细胞培养及蛋白质、细胞、生物材料及药物的多元检测中。多孔编码微载体的孔内可以用来黏附细胞，与生物分子结合或反应，微载体本身则可以通过颜色或形状等元素实现编码。多孔编码微载体在进行生物学应用时，细胞通过其贯穿多孔的结构黏附在孔内，而待测的生物分子可固定在载体上。

下面结合附图对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

实施例1  乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯（ETPTA）多囊编码微载体的制备:

1．双乳液玻璃毛细管微流控装置的制备：根据需要，使用玻璃刀切至适宜长并用乙炔喷灯或微电极拉制仪将管口烧拉。拉制好的玻璃毛细管还可通过砂纸再进一步调整管口尺寸，并将管口严格磨平。接着用氮气吹走残留在毛细管内的碎削，并在乙醇中超声，清洗干净拉磨好的玻璃毛细管。

注入油相ETPTA溶液的玻璃毛细管使用3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）的2%-10%乙醇溶液进行亲水处理；注入水相溶液的玻璃毛细管利用十八烷基三甲氧基硅烷的2%-10%丙酮溶液进行疏水处理。用经过亲疏水处理的玻璃毛细管、载玻片、盖玻片、点样针头和速干胶组装玻璃毛细管微流控芯片。

2．各相溶液的配制：内相2为2wt%的F108溶液，中间相3为含1%光引发剂的ETPTA溶液（混入油溶性量子点），外相1为2wt%PVA和2%wt F108以1:1体积比的混合溶液。（ETPTA是一种透明的辐射固化的三官能功能单体，加入油溶性光引发剂2-羟基-2-甲基苯丙酮后，能在紫外光下固化。）

微流控装置使用时，先排气，确定管内无多余气泡后，使用黑胶带或锡纸将芯片和所有通中间相3紫外固化单体的管道和注射器包裹起来，防止紫外固化时，堵塞装置

3．ETPTA多囊编码微载体的制备：将装有各相溶液的注射器连接至微流控芯片上相应的玻璃毛细管通道。调节好三相流速，当微流控装置稳定生成双乳液后，在收集管末端放置收集容器，其中预先放入外相1溶液，并使收集管末端浸入液面以下，在实验人员穿戴好紫外光防护用品后，打开紫外光点固化系统光源，照射收集管。可以根据需要调整紫外光的强度与照射距离，以使收集的载体完全固化。收集到的ETPTA多囊编码微载体利用纯水、乙醇多次清洗后保存。

实施例2  聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）多囊编码微载体的制备：

1．双乳液玻璃毛细管微流控装置的制备：玻璃毛细管的拉制和磨平处理方法类似实施例1。注入水相溶液的玻璃毛细管使用十八烷基三甲氧基硅烷的2%-10%丙酮溶液进行疏水处理；注入油相溶液的玻璃毛细管利用3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）的2%-10%乙醇溶液进行亲水处理。用经过亲疏水处理的玻璃毛细管、载玻片、盖玻片、点样针头和速干胶组装玻璃毛细管微流控芯片。

2．各相溶液的配制：内相2为粘度较低的KF-96 (0.65CST)与表面活性剂KF6015的混合溶液；中间相3为含1%光引发剂的PEGDA水凝胶聚合前体溶液（混入水溶性荧光染料）；外相1为粘度较高的KF-96 (50CST)和表面活性剂KF6011的混合溶液。

微流控装置使用时，先排气，确定管内无多余气泡后，使用黑胶带或锡纸将芯片和所有通中间相3紫外固化单体的管道和注射器包裹起来，防止紫外固化时，堵塞装置。

3．PEGDA多囊编码微载体的制备：将装有各相溶液的注射器连接至微流控芯片上相应的玻璃毛细管通道。调节好三相流速，当微流控装置稳定生成双乳液后，在收集管末端放置收集容器，其中预先放入外相1溶液，并使收集管末端浸入液面以下，在实验人员穿戴好紫外光防护用品后，打开紫外光点固化系统光源，照射收集管。可以根据需要调整紫外光的强度与照射距离，以使收集的载体完全固化。收集到的PEGDA多囊编码微载体利用纯水、乙醇多次清洗后保存。

实施例3  ETPTA多囊编码载体用于细胞多元检测

1． ETPTA多囊编码载体的制备及灭菌：根据不同的油溶性量子点，制备5种具有相同多孔结构的ETPTA编码载体，利用氧等离子体处理仪使载体表面羟基化，然后将其浸泡于75%酒精溶液中过夜，再用无菌的PBS(PH=7.4)反复清洗,并浸泡在PBS中紫外照射3h。

2． 细胞接种：将5种无菌的ETPTA多孔编码载体分别置于六孔板中，将5种已消化好的细胞分别接种至六孔板的五个孔中。将其置于细胞培养箱(37℃,5%CO2)，培养24-48h。

3． 细胞混合：经过培养之后，当观察到细胞已粘附生长于ETPTA编码载体孔内时，将5个孔中的细胞混合至一个新孔中。

4． 加药：在新孔中加入药物，继续培养24h。

5． 检测：对细胞进行染色，根据荧光强度的强弱，可判断细胞的存活率；根据量子点的颜色，可进行解码，最后可以同时得到药物对不同细胞的不同作用。

本发明可通过微流体准确的调节各相流速，控制生成液滴的大小和包裹内囊的数量，因此能够制备出多囊编码微载体，固化后形成贯穿式的多孔微载体。在生物学应用中，一般的实心微载体培养细胞时，细胞仍是生长在微载体的表面上，还是呈单层生长，细胞容易受到搅拌悬浮培养时巨大的剪切力而发生破损。而利用多孔微载体培养细胞，细胞可通过其贯穿多孔的结构进入孔内黏附生长，如此可以实现贴壁细胞的悬浮化大规模培养，并且在孔内空间内细胞有生成团聚体的机会。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (16)

1.一种复合结构编码微载体，其特征在于，所述的复合结构编码微载体为实心或多囊编码的微载体，生成所述实心或多囊编码的微载体的装置为单乳液或双乳液的三维微流控装置。

2.根据权利要求1所述的复合结构编码微载体，其特征在于，所述复合结构编码微载体为实心油溶性微载体，生成所述实心油溶性微载体的装置为水包油（W/O）单乳液微流控装置。

3.根据权利要求1所述的复合结构编码微载体，其特征在于，所述复合结构编码微载体为实心水溶性微载体，生成所述实心水溶性微载体的装置为油包水（O/W）单乳液微流控装置。

4.根据权利要求1所述的复合结构编码微载体，其特征在于，所述复合结构编码微载体为多囊油溶性微载体，生成所述多囊油溶性微载体的装置为水包油包水（W/O/W）双乳液微流控装置。

5.根据权利要求1所述的复合结构编码微载体，其特征在于，所述复合结构编码微载体为多囊水溶性微载体，生成所述多囊水溶性微载体的装置为油包水包油（O/W/O）双乳液微流控装置。

6.根据权利要求2或4所述的复合结构编码微载体，其特征在于，所述油溶性微载体选自乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、聚二甲基硅氧烷。

7.根据权利要求3或3所述的复合结构编码微载体，其特征在于，所述水溶性微载体选自海藻酸钙、琼脂糖、胶原、壳聚糖、聚乙二醇二丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺中的一种或多种。

8.根据权利要求1所述的复合结构编码微载体，其特征在于，所述复合结构编码微载体还包括编码元素，所述的编码元素为颜色编码或形状编码。

9.根据权利要求8所述的复合结构编码微载体，其特征在于，所述颜色编码为荧光染料、量子点或光子晶体。

10.根据权利要求1所述的复合结构编码微载体，其特征在于，所述复合结构编码微载体为实心。

11.根据权利要求1所述的复合结构编码微载体，其特征在于，所述复合结构编码微载体为单囊或多囊。

12.一种制备权利要求1-11所述的复合结构编码微载体的方法，其特征在于，包括以下步骤：

首先， 微流控装置的制备：为避免溶液在毛细管内粘连或者乳液液滴贴壁而无法成功乳化，根据需要对微流控管道进行亲疏水性修饰，根据微载体的形态和性质，组装合适的微流控装置；

其次， 根据微载体的性质和编码形式，配制各相溶液，在微流控通道内注入互不相溶的两种或多种溶液，利用各相溶液之间的剪切作用形成分散的液滴；

再次， 通过调节各相溶液的流速，可以生成不同大小和包裹不同数量内囊的液滴，固化液滴，清洗后，即可获得微载体。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于所述微流控装置选自协流式或汇聚式微流控装置，所述微流控装置的管道材料选用二氧化硅、特氟龙、聚二甲基硅氧烷中的一种或多种。

14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于所述的亲疏水性修饰为在表面修饰上羟基或氨基；所述疏水性修饰为在表面修饰上长链烷烃。

15.如权利要求1-11任一所述复合结构编码微载体在细胞培养中的应用。

16.如权利要求1-11任一所述复合结构编码微载体在生物分子、细胞、生物材料的多元检测技术领域中的应用。

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