CN104513798B - 一种用于微量细胞培养的微流控芯片 - Google Patents

一种用于微量细胞培养的微流控芯片 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于微量细胞培养的微流控芯片。本发明人优化了细胞培养工艺，并提供一种用于微量细胞培养的微流控芯片。所述的微流控芯片制作简单，采用微流控装置，可应用于批量细胞高效培养，以及应用于微量细胞培养及药敏实验，神经元和干细胞的培养。

Description

一种用于微量细胞培养的微流控芯片
技术领域
本发明涉及细胞培养容器；更具体地，本发明涉及一种用于微量细胞培养的微流控芯片。
背景技术
微流控芯片在细胞研究方面具有独特的优势。例如可以在芯片上对分离的少量细胞直接进行DNA和蛋白质分析；芯片通道直径一般介于10～50μm之间，与体内微血管和细胞大小相近，且采用灌流培养方式，模拟细胞在体内生长的复杂微环境，因此少至20～40个量细胞乃至单细胞也可培养，因此有望成为神经元、干细胞培养，稀少循环肿瘤细胞(CTCs)药敏培养分析的一个理想平台。
微加工和微流控技术为细胞研究提供了强有力的工具，包括单细胞观察，微环境模拟以及高通量药物筛选。哺乳动物细胞可在微流小室内灌注培养，传统研究技术难以解决的各种细胞的生物学问题，如三维细胞培养、细胞共培养和对细胞生长调控都可以通过微流控技术得以实现。
在所有这些研究中，从细胞加样开始，就需要对细胞加载、细胞粘附和细胞存活率进行控制和观察。即便如此，液体剪切力仍然影响了细胞的存活以及基因表达。细胞培养室高宽比，微米柱或微孔的设计能够降低剪切力，在微流控芯片上长期培养细胞可以通过不同的芯片设计得以实现。然而，液体流动会使参与细胞通信的因子流失。
以往的细胞培养芯片，所需细胞加载数量较多，不能达到微量细胞培养的要求，限制其在微量细胞培养方面的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微流控芯片及其在微量细胞培养中的用途。
在本发明的第一方面，提供一种用于微量细胞培养的装置，所述装置包括：
细胞进样入口(1)；
细胞进样通道(2)，其与进样入口(1)相连通，且从细胞进样入口(1)起呈发散状向外延伸；且细胞进样通道(2)的端部(8)是封闭的；
细胞培养小室(3)，其排列于细胞进样通道(2)的两侧，且与细胞进样通道(2)连通；
侧通道(4)，其与培养小室(3)连通，且其直径小于细胞直径；
排液通道(5)，其与侧通道(4)连通，且排液通道(5)的端部(7)不与进样入口(1)相连；和
排液出口(6)，其与排液通道(5)连通，且位于排液通道(5)的末端。
在一个优选例中，所述的进样入口(1)的截面积是100000-1000000μm2；较佳地为196250-441562.5μm2；较佳地，进样入口(1)是圆形，其直径是0.5-0.75mm。
在另一优选例中，所述的进样通道(2)的横截面积是2000-10000μm2；较佳地为4000-8000μm2；更佳地为5000-7000μm2)。
在另一优选例中，所述的细胞培养小室(3)容纳1-10个；更佳地2-7个，如3、4、5、6个细胞；较佳地，所述的培养小室(3)的体积是0.002-0.01mm3；较佳地为0.003-0.009mm3；更佳地为0.006-0.008mm3；如0.0035mm3、如0.007mm3。
在另一优选例中，所述的侧通道(4)的横截面积为1-100μm2；更佳地9-100μm2；如80μm2、60μm2、50μm2、36μm2、25μm2、16μm2。
在另一优选例中，所述的排液通道(5)的横截面积大于侧通道(4)；较佳地，所述的排液通道(5)的横截面积与细胞进样通道(2)相当。
在另一优选例中，所述的细胞进样通道(2)的数量为4-12条；较佳地为5-10条；如6、7、8、9条。
在本发明的另一方面，提供所述的装置的用途，用于微量细胞培养。
在一个优选例中，所述的细胞包括：肿瘤细胞，干细胞和神经元等。
在另一优选例中，所述的装置采用聚二甲基硅氧烷制作；较佳地，通过注塑成形来制备。
在本发明的另一方面，提供一种用于微量细胞培养的试剂盒，所述试剂盒中包括：所述的装置；以及细胞培养液。
在本发明的另一方面，提供一种微量细胞培养的方法，所述的方法包括：
(1)提供所述的装置；
(2)将包含细胞的培养液从细胞进样入口(1)加样入所述装置，细胞经由细胞进样通道(2)，进入到细胞培养小室(3)中；多余培养液经侧通道(4)进入排液通道(5)后从排液出口(6)流出；
(3)将加样完毕的装置浸没于细胞培养液中，进行细胞培养。
在另一优选例中，应用注射泵低速加样。较佳地，加样速度为0.8mL/h-1.5mL/h。
本发明的其它方面由于本文的公开内容，对本领域的技术人员而言是显而易见的。
附图说明
图1、微量细胞培养芯片的整体结构示意图。
图2、图1的芯片的部分结构的放大图。
图3、微量细胞培养芯片的装配过程示意图(呈现该装置的部分结构)，为了呈现培养室结构，A中的盖片底面以透视结构显示。
图中，1为细胞进样入口；
2为细胞进样通道；
3为细胞培养小室；
4为侧通道；
5为排液通道；
6为排液出口；
7为排液通道5的端部。
具体实施方式
本发明人经过深入的研究，优化了细胞培养工艺，并提供一种用于微量细胞培养的微流控芯片。所述的微流控芯片制作简单，采用微流控装置，可应用于批量细胞高效培养，以及应用于微量细胞培养及药敏实验。
本发明提供了一种细胞培养装置，其是整体多边形的蜘蛛网状结构，包括细胞进样入口、细胞进样通道、细胞培养小室、侧通道、排液通道、排液出口。
所述的细胞进样入口位于整个装置的中心位置，用于将细胞(通常包含在细胞培养液或缓冲液中)加样到所述装置中。较佳地，应用注射泵从细胞进样入口进行低速加样。
所述的细胞进样通道与进样入口相连通，且从细胞进样入口起呈发散状向外延伸，且细胞进样通道的端部是封闭的。所述的细胞进样通道的大小设置为可以容许从细胞进样口加样进来的细胞液通过，根据肿瘤细胞直径以及培养小室与进样通道相交开口处尺寸。作为本发明的优选方式，其横截面积是2000-10000μm2；较佳地为4000-8000μm2；更佳地为5000-7000μm2。
可以根据细胞培养的需要来设置细胞进样通道的数量。作为本发明的优选方式，所述的细胞进样通道的数量为4-12条；较佳地为5-10条，如6、7、8、9条。
所述的细胞培养小室排列在进样通道两侧，所述的细胞培养小室的大小根据细胞培养的需要以及细胞的大小来设置，较佳地与排液通道呈放射状相间排列。作为本发明的优选方式，所述的细胞培养小室容纳1-10个；更佳地2-7个，如3、4、5、6个细胞；较佳地，所述的培养小室的体积是0.002-0.01mm3；较佳地为0.005-0.009mm3；更佳地为0.006-0.008mm3；如0.17mm3、如0.2mm3。
所述的侧通道与培养小室连通，其是较为狭窄的通道，用于将多余的液体引流到排液通道，其截面设置为不容许细胞通过，从而将细胞截留在细胞培养小室中。因此，所述的侧通道的大小可以视所欲培养的细胞的大小而定。作为本发明的优选方式，所述的侧通道的横截面积为1-100μm2；更佳地9-100μm2；如80μm2、60μm2、50μm2、36μm2、25μm2、16μm2。
所述的排液通道与侧通道连通，且排液通道的端部不与进样入口相连，从而可将多余的液体排出。由于通常排液通道与多条侧通道连接，因此，其大小显著大于侧通道，以使得液体顺利流出。作为本发明的优选方式，所述的排液通道的横截面积与细胞进样通道相当。
根据本发明人上述指导，所述的微流控装置可以通过各种可行的方式进行制造，例如可以通过一次注塑成形、模压成形等。作为一种可选择的方式，根据本发明上述所提供的结构以及参数，可以分别制备微流控装置的盖片和底面，再将两者密封键合，制得本发明的微流控装置。
用于制作本发明的微流控装置的材料没有特别的限制，任何常规应用于制备玻片、芯片、微流控芯片的材料都是可用的。所述的材料包括但不限于：石英、玻璃、二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane；PDMS)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚酰胺(PA)、丙烯腈、丁二烯、苯乙烯的合成物(ABS)、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚碳酸酯（PC）、聚苯乙烯（PS）等。
此外，也可以采用两种以上的材料来制作所述的微流控装置，比如可以采用二甲基硅氧烷制作盖片，以玻璃制作底片，将盖片与底片密闭键合，获得本发明的微流控装置。
本发明的微流控装置制作简单，可完成批量细胞高效培养，以及微量(如1个)细胞培养及药敏实验。
应用本发明的微流控装置，无需持续的培养基供给，避免培养基流动对细胞生长繁殖造成的损伤。
本发明的芯片的最主要特点是能够最大程度的截留定量体积液体里的全部细胞，细胞数量可多可少。
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。
实施例1、微量细胞培养装置
如图1-2所示，本发明所述微量细胞培养芯片，包含一个细胞进样入口1，以细胞进样入口1为中心放射状分散排列的8条细胞进样通道2和8条排液通道5，进样通道2两侧各设培养小室若干(可依据培养细胞密度而定)，培养小室与排液通道5通过侧通道4相连，排液通道5不与细胞进样入口1连接，每个排液通道末端有排液出口6。细胞进样通道2的端部8是封闭的。
其中，进样入口1的截面积是196250μm2(直径500μm的圆形入口)；进样通道2的横截面积是2500μm2(长50μm×宽50μm的方形)；培养小室3的体积是0.0048mm3；侧通道4的横截面积是80μm2(长8μm×宽10μm的长方形)；排液通道5的横截面积是2500μm2(长50μm×宽50μm的方形)。
该装置的制作方法为：
(1)首先使用高聚物聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane；PDMS)材料注塑，制作包括细胞进样通道2、细胞培养小室3、侧通道4及排液通道5的微量细胞培养芯片的盖片；
(2)分别在细胞进样入口1，与排液出口6位置处打孔；
(3)将制作完毕的盖片与玻璃质地的底片相键合。其装配过程如图3(呈现该装置的部分结构)，将带有立体结构的盖片A扣在玻璃底片B上，形成键合后的C。
在使用时，将低密度细胞液通过注射泵经进样入口1低速(速度是1.5mL/h)注入进样通道2，细胞停留在细胞培养小室3，多余液体经侧通道4进入排液通道5，最后经排液出口6流出。
实施例2、细胞培养实例
(1)用于密度为1×105个/mL细胞培养液中细胞培养
应用实施例1制备的细胞培养装置，设置进样通道2两侧细胞培养小室3的个数，每侧各12个，将0.2ml细胞培养液(含有密度为1×105个/mL细胞)通过进样入口1低速注入。待细胞培养液完全注入后，浸没于培养基中培养。
(2)用于密度为1×103个/mL细胞培养液中细胞培养
应用实施例1类似的细胞培养装置，设置进样通道2两侧细胞培养小室3的个数，每侧各6个，将0.2ml细胞培养液(含有密度为1×103个/mL细胞)通过进样入口1注入。待细胞培养液完全注入后，浸没于培养基中培养。
(3)用于循环肿瘤细胞培养
应用实施例1制备的细胞培养装置，设置进样通道2两侧细胞培养小室3的个数，每侧各12个，芯片内部包被多聚赖氨酸。抽取5ml癌症病人外周血，分离得到单核细胞层悬浮液，将单核细胞层细胞层悬浮液注入培养芯片代细胞贴壁，注入细胞培养液，浸没于培养基中培养。
经鉴定，本芯片可用于循环肿瘤细胞培养，细胞截留效率高，细胞培养环境稳定，完成少量细胞群的培养，并可用于药物筛选。该芯片用于截留定量体积液体里的几乎全部细胞，细胞数量可多可少。
在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (14)

1.一种用于微量细胞培养的装置，其特征在于，所述装置包括：
细胞进样入口(1)；
细胞进样通道(2)，其与进样入口(1)相连通，且从细胞进样入口(1)起呈发散状向外延伸；且细胞进样通道(2)的端部(8)是封闭的；
细胞培养小室(3)，其排列于细胞进样通道(2)的两侧，且与细胞进样通道(2)连通；
侧通道(4)，其与培养小室(3)连通，且其直径小于细胞直径；
排液通道(5)，其与侧通道(4)连通，且排液通道(5)的端部(7)不与进样入口(1)相连；和
排液出口(6)，其与排液通道(5)连通，且位于排液通道(5)的末端。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的进样入口(1)的截面积是100000-1000000μm2。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的进样通道(2)的横截面积是2000-10000μm2。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的细胞培养小室(3)容纳1-10个细胞。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述的细胞培养小室(3)的体积是0.002-0.01mm3。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的侧通道(4)的横截面积为1-100μm2。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述的侧通道(4)的横截面积为9-100μm2，长宽高均控制在10μm以内。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的排液通道(5)的横截面积大于侧通道(4)。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述的排液通道(5)的横截面积与细胞进样通道(2)相当。
10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的细胞进样通道(2)的数量为4-12条。
11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述的细胞进样通道(2)的数量为5-10条。
12.权利要求1-11任一所述的装置的用途，其特征在于，用于非诊断目的的微量细胞培养。
13.一种用于微量细胞培养的试剂盒，其特征在于，所述试剂盒中包括：权利要求1-11任一所述的装置；以及细胞培养液。
14.一种微量细胞培养的方法，其特征在于，所述的方法包括：
(1)提供权利要求1-11任一所述的装置；
(2)将包含细胞的培养液从细胞进样入口(1)加样入所述装置，细胞经由细胞进样通道(2)，进入到细胞培养小室(3)中；多余培养液经侧通道(4)进入排液通道(5)后从排液出口(6)流出；
(3)将加样完毕的装置浸没于细胞培养液中，进行细胞培养。
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