CN103627635A - 一种用于细胞迁移和侵袭实验的多功能微流控芯片 - Google Patents

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Abstract

一种用于细胞迁移和侵袭实验的多功能微流控芯片，包括第一PDMS薄膜层、第二PDMS薄膜层和玻璃底层，第一PDMS薄膜层、第二PDMS薄膜层和玻璃底层依次不可逆键合成一整体结构，第一PDMS薄膜层上设有第一微阀和第二微阀；第二PDMS薄膜层上开设有第一细胞培养通道、第二细胞培养通道和第三细胞培养通道；第一微阀位于第一细胞培养通道与第二细胞培养通道连接处上部，第二微阀位于第二细胞培养通道与第三细胞培养通道连接处上部。本发明具有操作灵活简单、运行可靠、制作成本低、实验成功率高及多功能等优点。具有较高的生物学研究和经济价值，有望为以后开发抑制肿瘤细胞侵袭药物提供一个新的研究平台。

Description

一种用于细胞迁移和侵袭实验的多功能微流控芯片
技术领域
本发明涉及医疗设备技术领域，具体涉及一种用于细胞迁移和侵袭实验的多功能微流控芯片。
背景技术
肿瘤的转移的关键是肿瘤细胞的迁移和侵袭能力，肿瘤转移严重影响到患者的生存几率，临床治疗对如何抑制肿瘤细胞的迁移和转移一直都作为研究的重点。现在体外有几种常用的研究细胞迁移和侵袭的模型，例如划痕实验和transwell小室的跨膜检测等被广泛的用来研究细胞迁移和侵袭。细胞划痕法是研究细胞迁移的常规方法，是当细胞在培养介质上汇合形成一单层时，用移液枪头等在细胞上划出一道伤痕，然后观察细胞迁移情况。但是这种方法会造成细胞机械性的损伤而且精度不够。Transwell小室的跨膜检测方法用来研究细胞侵袭的常规方法，是将基质胶等涂与上层小室，然后将细胞加入小室中然后计算侵袭的细胞数。这种方法在去除细胞的过程容易造成误差，且Transwell小室价格普遍较高。
用于研究细胞迁移和侵袭的微流控芯片取得了一定的进展，但也存在很多不足，它们中往往集成有与细胞尺度相当的微坝结构，利用微坝材料表面张力形成液膜隔离芯片中刚注入的细胞悬液或未固化的细胞外基质（ECM），防止渗入到相邻通道内。但实验操作过程中温差的骤然变化，例如芯片从室温转到37℃培养过程中，细胞悬液或未固化的细胞外基质（ECM）与微坝表面张力发生显著变化，极易造成细胞或细胞外基质（ECM）外泄影响实验结果。同时对芯片进行移液器或注射器手动进样时容易使芯片通道中产生压力波动造成细胞或细胞外基质（ECM）外泄而实验失败，这对操作者的技术熟练程度提出了很大的挑战。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于细胞迁移和侵袭实验的多功能微流控芯片，此芯片可以通过控制微阀的开关来研究细胞的迁移和侵袭，本发明具有操作灵活简单、运行可靠、制作成本低、实验成功率高及多功能等优点。
采用的技术方案是：
一种用于细胞迁移和侵袭实验的多功能微流控芯片，包括第一PDMS薄膜层、第二PDMS薄膜层和玻璃底层，第一PDMS薄膜层、第二PDMS薄膜层和玻璃底层依次不可逆键合成一整体结构，其特征在于：
第一PDMS薄膜层上设有第一微阀和第二微阀；
第二PDMS薄膜层上开设有第一细胞培养通道、第二细胞培养通道和第三细胞培养通道；第二细胞培养通道高于第一细胞培养通道和第三细胞培养通道；第一微阀位于第一细胞培养通道与第二细胞培养通道连接处上部，第一微阀与第一细胞培养通道和第二细胞培养通道由第二PDMS薄膜层相隔，控制第一细胞培养通道与第二细胞培养通道之间的连通或关闭；第二微阀位于第二细胞培养通道与第三细胞培养通道连接处上部，第二微阀与第二细胞培养通道和第三细胞培养通道由第二PDMS薄膜层相隔，控制第二细胞培养通道与第三细胞培养通道之间的连通或关闭。
第一细胞培养通道和第三细胞培养通道的截面为方形，高度相同，高度为80-200μm。
第二细胞培养通道的截面为方形，高度为200-500μm。
第一微阀由多个第一支柱支撑，多个第一支柱分两排设置，两排间距为100-300μm，每二个第一支柱之间距离为50-300μm，每个支柱的截面为方形。
第二微阀由多个第二支柱支撑，多个第二支柱分两排设置，两排间距为100-300μm，二个第二支柱之间距离为50-300μm，每个第二支柱的截面为方形。
第一支柱和第二支柱与第一细胞培养通道高度相同。
所述第一微阀和第二微阀可独立控制或通过管路连接，实现连动控制。阀系统环境适应性强可以保持很好的关闭状态，无漏液现象，可实现对细胞无损隔离等操作，而且上述微流控芯片既能用于细胞的二维培养又能用于细胞的三维培养。
本发明具有操作灵活简单、运行可靠、制作成本低、实验成功率高及多功能等优点。具有较高的生物学研究和经济价值，有望为以后开发抑制肿瘤细胞侵袭药物提供一个新的研究平台。
附图说明
图1本发明微流控芯片整体结构示意图。
图2是图1的分解示意图。
图3为第一阀和第二阀关闭状态下肝肿瘤细胞HepG2在微流控芯片中的迁移实验图。
图4为第一阀和第二阀开启状态下肝肿瘤细胞HepG2在微流控芯片中的迁移实验图。
图5是肝肿瘤细胞HepG2在侵袭实验中的生长状态图。
具体实施方式
一种用于细胞迁移和侵袭实验的多功能微流控芯片，包括第一PDMS薄膜层1、第二PDMS薄膜层2和玻璃底层3，第一PDMS薄膜层1、第二PDMS薄膜层2和玻璃底层3依次不可逆键合成一整体结构，其特征在于：
第一PDMS薄膜层1上设有第一微阀4和第二微阀5；
第二PDMS薄膜层2上开设有第一细胞培养通道6、第二细胞培养通道7和第三细胞培养通道8；第二细胞培养通道7高于第一细胞培养通道6和第三细胞培养通道8；第一微阀位于第一细胞培养通道6与第二细胞培养通道7连接处上部，第一微阀4与第一细胞培养通道6和第二细胞培养通道7由第二PDMS薄膜层2相隔，控制第一细胞培养通道6与第二细胞培养通道7之间的连通或关闭；第二微阀5位于第二细胞培养通道7与第三细胞培养通道8连接处上部，第二微阀5与第二细胞培养通道7和第三细胞培养通道8由第二PDMS薄膜层2相隔，控制第二细胞培养通道7与第三细胞培养通道8之间的连通或关闭。
第一细胞培养通道6和第三细胞培养通道8的截面为方形，高度相同，高度为80-200μm。
第二细胞培养通道7的截面为方形，高度为200-500μm。
第一微阀4由多个第一支柱9支撑，多个第一支柱9分两排设置，两排间距为100-300μm，每二个第一支柱9之间距离为50-300μm，每个支柱9的截面为方形。
第二微阀5由多个第二支柱10支撑，多个第二支柱10分两排设置，两排间距为100-300μm，每二个第二支柱10之间距离为50-300μm，每个第二支柱10的截面为方形。
第一支柱9和第二支柱10与第一细胞培养通道6高度相同。
所述第一微阀4和第二微阀5可独立控制或通过管路连接，实现连动控制。阀系统环境适应性强可以保持很好的关闭状态，无漏液现象，可实现对细胞无损隔离等操作，而且上述微流控芯片既能用于细胞的二维培养又能用于细胞的三维培养。
实验实施例
实施例1
细胞迁移实验：所用微流控芯片为本实验室自行设计和制备。芯片由上中下三层不可逆键合而成，上层为带有微阀结构的聚二甲基硅氧烷聚合物材料（PDMS），中层为带有流体通道结构厚度为80~500μm聚二甲基硅氧烷聚合物薄膜，下层材料为普通玻璃、石英玻璃或光学玻璃。用移液枪将浓度为1mg/ml的鼠尾胶原I通入到第一细胞培养通道6、第二细胞培养通道7、第三细胞培养通道8，放置在超净台中过夜晾干，使胶原蛋白包被细胞培养区域。第2天将芯片第一微阀4、第二微阀5关闭，然后以一定密度的肝肿瘤细胞HepG2悬液灌流入第一细胞培养通道6和第三细胞培养通道8，第二细胞培养通道7不加细胞，待细胞贴壁后，用注射泵以0.1μl/min的流速将完全培养基通入到第一细胞培养通道6和第三细胞培养通道8，待细胞汇合成单层时，用含1%的胎牛血清培养液对细胞饥饿24h，其细胞状态如图3所示。然后打开芯片第一微阀4、第二微阀5，每4小时观察一次细胞迁移状态。开阀8小时后细胞迁移状态如图4所示。
实施例2
细胞侵袭实验：将HepG2细胞进行消化并离心富集至所需要的浓度，然后置于冰浴中备用，将在冰浴中的鼠尾胶原I配置成浓度为4mg/ml，然后按1：1（V:V）的比例与细胞悬液进行混合最好制备成浓度为2mg/ml的细胞-胶原溶液，并且混合均匀。将芯片第一微阀4、第二微阀5关闭，然后将此溶液通入第二细胞培养通道7中，放入37℃细胞培养箱中，20min后待胶凝固，然后打开第一微阀4、第二微阀5，在第一细胞培养通道6和第三细胞培养通道8以0.1μl/min的流速通入完全细胞培养液，4天后将第一细胞培养通道6通入含有药物的无血清培养液，第三细胞培养通道8仍通入完全细胞培养液，原位观测细胞侵袭状态的同时收集细胞上清液，检测细胞侵袭时分泌因子的改变。其在胶原中侵袭过程时的生长状态如图5所示。

Claims (5)

1.一种用于细胞迁移和侵袭实验的多功能微流控芯片，包括第一PDMS薄膜层（1）、第二PDMS薄膜层（2）和玻璃底层（3），第一PDMS薄膜层（1）、第二PDMS薄膜层（2）和玻璃底层（3）依次不可逆键合成一整体结构，其特征在于：
第一PDMS薄膜层（1）上设有第一微阀（4）和第二微阀（5）；
第二PDMS薄膜层（2）上开设有第一细胞培养通道（6）、第二细胞培养通道（7）和第三细胞培养通道（8）；第二细胞培养通道（7）高于第一细胞培养通道（6）和第三细胞培养通道（8）；第一微阀位于第一细胞培养通道（6）与第二细胞培养通道（7）连接处上部，第一微阀（4）与第一细胞培养通道（6）和第二细胞培养通道（7）由第二PDMS薄膜层（2）相隔，控制第一细胞培养通道（6）与第二细胞培养通道（7）之间的连通或关闭；第二微阀（5）位于第二细胞培养通道（7）与第三细胞培养通道（8）连接处上部，第二微阀（5）与第二细胞培养通道（7）和第三细胞培养通道（8）由第二PDMS薄膜层（2）相隔，控制第二细胞培养通道（7）与第三细胞培养通道（8）之间的连通或关闭。
2.根据权利要求1所述的一种用于细胞迁移和侵袭实验的多功能微流控芯片，其特征在于：
第一细胞培养通道（6）和第三细胞培养通道（8）的截面为方形，高度相同，高度为80-200μm；
第二细胞培养通道（7）的截面为方形，高度为200-500μm。
3.根据权利要求1所述的一种用于细胞迁移和侵袭实验的多功能微流控芯片，其特征在于：
第一微阀（4）由多个第一支柱（9）支撑，多个第一支柱（9）分两排设置，两排间距为100-300μm，每二个第一支柱（9）之间距离为50-300μm，每个支柱（9）的截面为方形；
第二微阀（5）由多个第二支柱（10）支撑，多个第二支柱（10）分两排设置，两排间距为100-300μm，每二个第二支柱（10）之间距离为50-300μm，每个第二支柱（10）的截面为方形。
4.根据权利要求3所述的一种用于细胞迁移和侵袭实验的多功能微流控芯片，其特征在于：
第一支柱（9）和第二支柱（10）与第一细胞培养通道（6）高度相同。
5.根据权利要求1所述的一种用于细胞迁移和侵袭实验的多功能微流控芯片，其特征在于：
所述第一微阀（4）和第二微阀（5）为独立控制或通过管路连接实现连动控制。
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