CN104293666B - 两种不同单细胞之间相互作用的微流控芯片装置 - Google Patents

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Abstract

本发明将流体力学原理和微流控技术相结合，提出一种两种不同单细胞之间相互作用的微流控芯片装置，能够简易方便地捕获两种类型的单细胞，精确控制其相互直接接触或非直接接触，模拟细胞间的两种在体环境，并且可对其中一种细胞单独施加精确生化因子等实验条件，实时动态观察其对另一种细胞的影响，从而实现探究两种单细胞之间的生物学信息交流与相互作用。本发明的芯片具有体积小、通量大、节省成本且易于制作等特点，为检测两种不同单细胞之间的相互作用提供了工具。

Description

两种不同单细胞之间相互作用的微流控芯片装置
技术领域
本发明属于细胞生物学实验装置技术领域，是基于流体力学原理和微流控技术，设计用于捕获两种不同类型的单细胞，两种不同细胞之间直接接触与非直接接触的相互作用及其机制的细胞生物学实验装置。
背景技术
不同种类细胞之间的信息交流在调节细胞功能状态及对外界刺激做出反应等多个方面起着重要的作用，也使之日益成为生物及医学领域的热点。然而，细胞在体环境的神经体液因素、多细胞群体系统的复杂性以及同种细胞个体间的状态差异，都可干扰单细胞间的信息交流，增加了不同种细胞相互作用的难度。因此对离体培养的单细胞进行精确操控并施加人为干扰的实验条件、观测单细胞的生物学效应，成为探究细胞行为的必要手段。传统细胞相互作用的联合培养方式主要针对群体细胞，不能达到单细胞水平。微流控芯片装置不仅是抓捕、操作离体单细胞的理想实验平台，也是构建离体培养细胞微流动生物力学和生物化学环境的重要实验工具，在细胞生物学工作中得到了广泛使用，但现有的细胞微流控芯片装置大多只能捕获一种类型的单细胞，且捕获效率较低，并不能实现对不同种类的单细胞之间信息交流。因此，迫切需要一种新型的不同种类单细胞联合培养装置，能简单方便地对两种离体的单细胞进行分别捕获，并能实现两种单细胞相互作用。
发明内容
本发明提供一种新型细胞微流控芯片实验装置，设计中利用流体力学原理和微流控技术相结合，使其简易方便地捕获两种类型的单细胞，精确控制其相互直接接触或非直接接触，模拟细胞间的两种在体环境，并且可对其中一种细胞单独施加精确生化因子等实验条件，实时动态观察其对另一种细胞的影响，从而实现探究两种单细胞之间的生物学信息交流与相互作用。
本发明的技术方案如下：
两种不同单细胞之间相互作用的微流控芯片装置，可以分别抓捕两种不同种类的单细胞，并提供直接接触与非直接接触两种作用方式。该微流控芯片装置如图1所示，由两条通道组成，第一条通道包括细胞悬浮液及培养液上入口(1-1)、废液上出口(2-1)、阻力通道(3-1)、细胞捕获区(4)、液体流道(5-1)将各部分连接，第二条通道则包括细胞悬浮液及培养液下入口(1-2)、废液下出口(2-2)、下阻力通道(3-2)和细胞捕获区(4)，下液体流道(5-2)将各部分连接。所述的细胞捕获区(4)如图2所示，包括：液体流道、依次排列的U型细胞培养室、细胞捕获孔和吸力通道(8)；
芯片所有通道和腔室结构采用聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)标准加工方法制作完成，并与洁净的0.17μm厚度玻璃片键合密封，构成玻璃-PDMS型芯片。其中细胞捕获区有两条相互平行的上下液体流道(5-1、5-2)，分别与芯片的上下悬浮液入口(1-1、1-2)相连，并分别通过各自阻力通道(图3)将废液从上下两个废液出口(2-1、2-2)排出，两条通道通过上下细胞培养室(6-1、6-2)和吸力通道(8)来连接，每个培养室均成U型设计并依次排列，以吸力通道为中心呈上下对称形式。如图2所示，捕获孔与吸力通道的距离长度有两种，上细胞捕获孔(7-1)与下细胞捕获孔(7-2)的距离为2μm，对应细胞直接接触作用；上细胞捕获孔(7-1)与下细胞捕获孔(7-2)的距离为5μm，对应非直接接触作用方式。
芯片腔室内部高度为30微米，细胞捕获孔的宽度为2微米，通道宽度为30微米，高度为30微米。根据流体力学原理可知，细胞悬浮液通过可编程注射泵由上下悬浮液入口(1-1、1-2)进入芯片并通过上下液体流道(5-1、5-2)流入细胞捕获区(4)，少量的液体进入系统中央的吸力通道(8)。通道末端的上下阻力通道(3-1、3-2)使得单个细胞流入上下U型细胞培养室(6-1、6-2)，在吸力通道(8)提供的吸力作用下，细胞到达上下细胞捕获孔(7-1、7-2)。由于细胞的几何尺寸大于捕获点的横截面尺寸，细胞将上下细胞捕获孔(7-1、7-2)，使得上下U型细胞培养室(6-1、6-2)的压力增大，将捕获细胞稳定在捕获孔，其余细胞和培养液流入后续的细胞培养室。通过流体力学计算入口长度设置腔室之间的距离，可以使流体由扰动流转化为层流，从而实现对细胞自动且连续的捕获。此后以缓慢的速度持续注入培养基，细胞在腔室内逐步粘附并铺展生长。然后在第二条通道内通入另一类型的细胞溶液，在相同原理作用下，另一种类细胞被捕获并贴壁生长。两类贴壁生长的单细胞因为捕获孔与吸力通道的距离不同，细胞可以直接接触形成细胞间连结，或者不能直接接触，通过中间的液体环境形成非直接接触。
本发明的芯片具有体积小、通量大、节省成本且易于制作等特点。通过分别捕获两种单细胞，并形成两种单细胞之间的直接接触或非直接接触；实现了对其中一种细胞施加各种条件，在显微镜下直接观察另一种细胞的变化，为检测两种不同单细胞之间的相互作用提供了工具。
附图说明
图1微流控芯片内部的结构示意图。
图2细胞培养室结构示意图。
图3阻力通道的结构示意图。
图中：1-1细胞悬浮液及培养液上入口；2-1废液上出口；3-1上阻力通道；4细胞捕获区；5-1上液体流道；6-1上U型细胞培养室；7-1上细胞捕获孔；
1-2细胞悬浮液及培养液下入口；2-2废液下出口；3-2下阻力通道；
5-2下液体流道；6-2下U型细胞培养室；7-2下细胞捕获孔；8吸力通道；
A非直接接触；B直接接触。
具体实施方式
微流控芯片是透明的玻璃-PDMS芯片，具有良好的生物相容性，利用激光共聚焦或荧光显微镜进行细胞实时监测。采用可编程注射泵提供细胞悬浮液及生物化学因子的注入动力，对A细胞以及B细胞进行联合培养的操作过程：首先对微流控芯片采用磷酸盐缓冲液(PhosphateBufferedSaline，PBS)进行灌注冲洗，即通过微量注射泵将PBS液体由芯片的细胞悬浮液及培养液上入口1-1注入，溶液经过内部通道充满整个内部空间，并由废液上出口2-1流出。然后对细胞悬浮液进行微灌注，将芯片的细胞悬浮液及培养液下入口1-2、废液下出口2-2进行封闭，通过微量注射泵将制好的细胞悬浮液由芯片的上入口1-1注入，细胞经过圆形储蓄池后通过管道分别进入一侧的细胞培养室6-1、6-2；经过阻力通道8由废液上出口2-1流出，从而实现了对A细胞的捕获，经过短时间的培养使细胞铺展贴壁。待细胞贴壁后封闭这一侧的入口及出口，并打开对侧相应的出入口，并以同样的方式进行灌注B细胞悬浮液，进而在细胞培养室捕获B细胞并使其贴壁生长，完成对两种细胞的捕获操作。此后，通过三通管关闭细胞悬浮液注入通道，通过另一注射泵在A细胞侧注入所需的生化因子刺激，在显微镜下实时监测对侧B细胞的影响，即可实现两种细胞间的相互作用。

Claims (2)

1.两种不同单细胞之间相互作用的微流控芯片装置，其特征在于，该微流控芯片装置包括两条相互平行的通道，
第一条结构如下：细胞悬浮液及培养液上入口(1-1)、废液上出口(2-1)、上阻力通道(3-1)和细胞捕获区(4)，液体流道(5-1)将各部分连接；
第二条结构如下：细胞悬浮液及培养液下入口(1-2)、废液下出口(2-2)、下阻力通道(3-2)和细胞捕获区(4)，液体流道(5-2)将各部分连接；
所述的细胞捕获区包括：液体流道、依次排列的U型细胞培养室、细胞捕获孔和吸力通道；
其中，细胞捕获区(4)通过上下两条液体流道分别与芯片的上下悬浮液入口相连，并通过相应的阻力通道将废液从上下两个废液出口分别排出；细胞捕获区(4)以吸力通道(8)呈对称形式，通过细胞培养室分别借助细胞捕获孔和阻力通道连接；上细胞捕获孔(7-1)与下细胞捕获孔(7-2)的距离为2μm，对应细胞直接接触作用；上细胞捕获孔(7-1)与下细胞捕获孔(7-2)的距离为5μm，对应非直接接触作用方式。
2.根据权利要求1所述的微流控芯片装置，其特征在于，该微流控芯片装置按照聚二甲基硅氧烷PDMS标准制作，用厚度0.17mm玻璃片键合密封。
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