CN104560713B - 用于培养及检测肺癌细胞的微流控芯片制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于培养及检测肺癌细胞的微流控芯片制备方法，包括如下步骤：制备掩膜；配制水凝胶材料；制备细胞培养层：将细胞培养层掩膜置于玻璃基片之上，在避光条件下注入水凝胶材料，使水凝胶材料固化；制备微通道层：将微通道层掩膜置于制得的细胞培养层之上，在避光条件下注入水凝胶材料，使水凝胶材料固化；洗脱及制备封盖层：将制得的微通道层进行洗脱，再用PDMS封盖；由本发明方法制备的微流控芯片可同时培养多组细胞样本，为细胞提供三维生长环境，其完全模拟人体肺部组织结构，为细胞提供更接近于人体的生长环境，其代谢产物非常接近于人体细胞的代谢产物，使检测数据更加贴近于人体真实情况，更利于对肺癌的早期诊断。

Description

用于培养及检测肺癌细胞的微流控芯片制备方法

技术领域

本发明涉及一种微流控芯片的制备方法，具体涉及一种用于培养及检测肺癌细胞的微流控芯片制备方法。

背景技术

肺癌又名支气管癌，其发生于支气管粘膜上皮，是发病率和死亡率增长最快，对人群健康和生命威胁最大的恶性肿瘤之一。由于肺癌早期症状不明显，常常发现时已经到了晚期，因此，对肺癌进行早期诊断和早期治疗是防治肺癌并降低病死率的最有效方法。目前临床上，肺癌的常见诊断方法有如下几种：X射线检测、电子计算机断层扫描（CT）、磁共振断层扫描（MRI）、痰脱落细胞检查、纤维支气管检查、经皮肺穿刺活检等，虽然此类检查方法能达到预期肺癌诊断的效果，但是采用这些方法的设备庞大、价格昂贵，对病人创伤大，还需要熟练操作的专业人员进行操作，并且得到的结果还要专业的医务人员进行分析处理，大大加大了医务人员的负担。

微流控芯片(microfluidic chip), 又称微全分析系统(micro total analysissystem, ì-TAS)或者芯片实验室(lab-on-a-chip), 是指把化学和生物等领域中所涉及的样品制备、反应、分离、检测及细胞培养、分选、裂解等基本操作单元集成或基本集成到一块几平方厘米(甚至更小)的芯片上, 由微通道形成网络, 以可控流体贯穿整个系统, 用以取代常规化学或生物实验室的各种功能的一种技术平台，其具有分离效率高、分析速度快、分离模式多、所需样品少、应用范围广、自动化程度高等优点。但是，微流控芯片技术在当前主要还处于起步阶段，其用于肺癌细胞培养及检测领域的相关技术和方法尚未见报道。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明主要目的是提供一种能够模拟人体肺部组织结构，可对单个肺癌细胞进行培养，并对其生长状况进行实时监控的微流控芯片制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

用于培养及检测肺癌细胞的微流控芯片制备方法，包括如下步骤：

制备掩膜：采用绘图软件分别绘制细胞培养层和微通道层掩膜图，并采用菲林胶片打印该掩膜图，制得细胞培养层掩膜和微通道层掩膜；

其中，细胞培养层掩膜上设有按矩阵排列的60个圆，每排12个，共5排，每个圆的直径为1.5mm；靠近矩阵圆的一端设有一矩形，矩形的长为16mm，宽为11mm；细胞培养层掩膜上的圆和矩形均不透光，其余部分为透光；

微通道层掩膜包括网状线路和矩形，网状线路的一端为横向尺寸为2.5mm的长方形，长方形的一端分化为两条最大横向尺寸为5mm的第一支路，每条第一支路再分化形成第二支路，第二支路再分化形成纵横交错的网状结构的微支路，微支路的横向尺寸为1mm，在微支路交错处、且与细胞培养层掩膜上的圆对应的位置设有直径为1.5mm的圆；矩形与网状线路的另一端连接，矩形的长为16mm，宽为11mm，该矩形与位于细胞培养层掩膜上的矩形相对应；微通道层掩膜上的网状线路和矩形部分为不透光，其余部分为透光；

配制水凝胶材料：按体积比为PEGDA：HEMA=(1.5~2.33)：1的比例加入PEGDA和HEMA, 形成PEGDA和HEMA混合物；加入NVP，NVP的体积为PEGDA和HEMA混合物体积的10%~15%，得到预聚物；在避光条件下加入光引发剂，光引发剂的质量为预聚物质量的0.3%~0.45%，采用超声振荡，将混合物振荡均匀无气泡，静置，得到水凝胶材料；

制备细胞培养层：将细胞培养层掩膜置于玻璃基片之上，细胞培养层掩膜距离玻璃基片1mm；将玻璃基片与细胞培养层掩膜四周封闭，其内形成一水凝胶灌注腔体，得到细胞培养层模具；在避光条件下采用注射器往细胞培养层模具腔体内注入水凝胶材料，使水凝胶材料完全填充满腔体；然后将细胞培养层模具整体置于一密闭空间内，采用紫外灯垂直照射细胞培养层掩膜表面30分钟，使水凝胶材料固化，在固化过程中始终充氮气保护；待水凝胶固化成型后，去掉细胞培养层掩摸，得到细胞培养层；

制备微通道层：将微通道层掩膜置于制得的细胞培养层6之上，微通道层掩膜距离细胞培养层1mm；将细胞培养层与微通道层掩膜四周封闭，其内形成一水凝胶灌注腔体，得到微通道层模具；在避光条件下采用注射器往微通道层模具腔体内注入水凝胶材料，使水凝胶材料完全填充满腔体。然后将微通道层模具整体置于一密闭空间内，采用紫外灯垂直照射细胞培养层掩膜表面10~20分钟，使水凝胶材料固化，在固化过程中始终充氮气保护。待水凝胶固化成型后，去掉微通道层掩摸，得到微通道层；

洗脱及制备封盖层：将制得的微通道层置于PBS缓冲液中进行洗脱，去除未反应完全的水凝胶材料，再用PDMS封盖，形成封盖层；完成微流控芯片的制备。

进一步，所述水凝胶材料中，PEGDA与HEMA的体积比为1.5：1, NVP的体积为PEGDA与HEMA总体积的10%，光引发剂的质量为预聚物质量的0.4%。

更进一步，所述水凝胶材料中，PEGDA与HEMA的体积比为2.3：1, NVP的体积为PEGDA与HEMA总体积的15%，光引发剂的质量为预聚物质量的0.3%。

相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、利用本发明方法制备的微流控芯片，其细胞培养层上具有多个细胞培养室，最多可同时培养60组细胞样本；将每个细胞培养室的直径设置为1.5mm，可在同等厚度的情况下，大大增加细胞培养室的体积，有利于细胞贴壁，有利于细胞触角、鞭毛立体生长。

2、在微通道层上设置有模拟人体肺部组织结构的流体微通道，可通过流体微通道进样口注入细胞悬浮液或培养液，细胞悬浮液或培养液通过流体微通道的分流作用均匀的充满每个细胞培养室，该流体微通道完全模拟人体肺部组织结构，为细胞提供更接近于人体的生长环境，其代谢产物非常接近于人体细胞的代谢产物，使检测数据更加贴近于人体真实情况，为后续的分析工作提供更准确的科学依据，以利于对肺癌的早期诊断。

3、代谢液收集池为16mm×11mm的矩形槽结构，其收集的细胞代谢液体积完全满足检测需要，可直接采用卟啉传感器可视阵列芯片或其他检测仪器对代谢液收集池中的细胞代谢液进行实时检测，省略了对代谢液收集池中的代谢液进行收集的步骤，避免了因各微流控芯片培养的细胞样本的差异性对检测数据的影响。

4、采用本发明配方制成的水凝胶材料，具有良好的生物相容性、细胞粘附力、易得性、低消耗性，制成的水凝胶芯片进一步的模拟人体内部组织环境，为下一步的肺癌细胞代谢液标志物检测打下基础。

附图说明

图1为细胞培养层结构示意图；

图2为微通道层结构示意图；

图3为封盖层结构示意图；

图4为采用紫外线照射细胞培养层掩膜示意图；

图5为固化而成的细胞培养层剖视图；

图6为采用紫外线照射微通道层掩膜示意图；

图7固化而成的微通道层剖视图；

图8为微流控芯片剖视图。

其中，1为细胞培养室，2为代谢液收集池a部，3为流体微通道，4为细胞捕获孔，5为代谢液收集池b部，6为细胞培养层，7为微通道层，8为封盖层，9为门，10为检测窗口，11为通孔，12为通气孔，13为泵孔。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步详细地说明。

参见图1~图8：用于培养及检测肺癌细胞的微流控芯片制备方法，包括如下步骤：

制备掩膜：采用绘图软件分别绘制细胞培养层和微通道层掩膜图，并采用菲林胶片打印该掩膜图，制得细胞培养层掩膜和微通道层掩膜，细胞培养层掩膜与微通道层掩膜的形状、大小一样；绘图软件可采用coreldraw等。

其中，细胞培养层掩膜上设有按矩阵排列的60个圆，每排12个，共5排，每个圆的直径为1.5mm。靠近矩阵圆的一端设有一矩形，矩形的长为16mm，宽为11mm。细胞培养层掩膜上的圆和矩形均不透光，其余部分为透光。

微通道层掩膜包括网状线路和矩形，网状线路的一端为横向尺寸为2.5mm的长方形，长方形的一端分化为两条最大横向尺寸为5mm的第一支路，每条第一支路再分化形成第二支路，第二支路再分化形成纵横交错的网状结构的微支路，微支路的横向尺寸为1mm，在微支路交错处、且与细胞培养层掩膜上的圆对应的位置设有直径为1.5mm的圆。矩形与网状线路的另一端连接，矩形的长为16mm，宽为11mm，该矩形与位于细胞培养层掩膜上的矩形相对应。微通道层掩膜上的网状线路和矩形部分为不透光，其余部分为透光。

配制水凝胶材料：按体积比为PEGDA：HEMA=(1.5~2.33)：1的比例加入PEGDA和HEMA, 形成PEGDA和HEMA混合物。加入NVP，NVP的体积为PEGDA和HEMA混合物体积的10%~15%，得到预聚物。在避光条件下加入光引发剂，光引发剂的质量为预聚物质量的0.3%，采用超声振荡，将混合物振荡均匀无气泡，静置，得到水凝胶材料。上述各材料的加入时间和顺序没有限制，在加入光引发剂时，需要采取避光措施。其中，PEGDA为聚乙二醇双丙烯酸酯,HEMA为甲基丙烯酸羟乙酯，NVP为N-乙烯基吡咯烷酮，光引发剂采用Irgacure2959光引发剂。

PEGDA（聚乙二醇双丙烯酸酯）在光引发剂和紫外光作用下能在室温下迅速聚合成聚乙二醇双丙烯酸酯水凝胶。HEMA（甲基丙烯酸羟乙酯），可有效地进一步提高芯片表面的亲水性，能够明显改善聚乙二醇双丙烯酸酯水凝胶材料的细胞亲和性。NVP（N-乙烯基吡咯烷酮）有较好固化特性，增加水凝胶芯片的韧性。Irgacure2959是一种水溶性光引发剂，生物相容性好。采用如上配方制成的水凝胶材料，具有良好的生物相容性、细胞粘附力、易得性、低消耗性，制成的水凝胶芯片进一步的模拟人体内部组织环境，为下一步的肺癌细胞代谢液标志物检测打下基础。

制备细胞培养层：将细胞培养层掩膜置于玻璃基片之上，细胞培养层掩膜距离玻璃基片1mm；将玻璃基片与细胞培养层掩膜四周封闭，其内形成一水凝胶灌注腔体，得到细胞培养层模具。在避光条件下采用注射器往细胞培养层模具腔体内注入水凝胶材料，使水凝胶材料完全填充满腔体。然后将细胞培养层模具整体置于一密闭空间内，采用紫外灯垂直照射细胞培养层掩膜表面30分钟，使水凝胶材料固化，在固化过程中始终充氮气保护。待水凝胶固化成型后，去掉细胞培养层掩摸，得到细胞培养层6。

被细胞培养层掩膜不透光部位覆盖的位置由于无法接收到紫外线的照射而形成凹孔或凹槽。本实施例中，与细胞培养层掩膜上的圆对应的位置形成凹孔，该凹孔为细胞培养室1，与细胞培养层掩膜上的矩形对应位置形成凹槽，该凹槽为代谢物收集池a部2。采用本发明水凝胶材料的配比、厚度以及紫外线照射时间，可保证固化而成的细胞培养层上形成预期的凹孔或凹槽而不被洞穿，以利于后期的细胞培养及代谢液的收集。固化而成的细胞培养层厚度为1mm，采用该厚度，既节约材料，又能保证芯片的韧性，使芯片不容易裂解。紫外灯可采用氮气填充便携式紫外灯，其可在氮气存在的情况下，进行紫外光照，氮气为惰性气体，其可隔绝氧气，防止因氧气的参与而发生氧阻聚。

制备微通道层：将微通道层掩膜置于制得的细胞培养层6之上，微通道层掩膜距离细胞培养层1mm，微通道层掩膜上的圆与细胞培养层上的凹孔相重合，微通道层上的矩形与细胞培养层上的凹槽相重合；将细胞培养层与微通道层掩膜四周封闭，其内形成一水凝胶灌注腔体，得到微通道层模具。在避光条件下采用注射器往微通道层模具腔体内注入水凝胶材料，使水凝胶材料完全填充满腔体。然后将微通道层模具整体置于一密闭空间内，采用紫外灯垂直照射细胞培养层掩膜表面10~20分钟，使水凝胶材料固化，在固化过程中始终充氮气保护。待水凝胶固化成型后，去掉微通道层掩摸，得到微通道层7。

被微通道层掩膜不透光部位覆盖的位置由于无法接收紫外线的照射而形成洞穿的孔或槽。本实施例中，与微通道层掩膜上的网状线路对应的位置形成流体微通道3，与微通道层掩膜上的矩形对应的位置形成代谢物收集池b部5，该代谢物收集池b部5与代谢物收集池a部2结合形成代谢物收集池，该代谢物收集池与流体微通道3相连通，与微通道层掩膜上的圆对应的位置形成细胞捕获孔5。

洗脱及制备封盖层：将制得的微通道层置于PBS缓冲液中进行洗脱，去除未反应完全的水凝胶材料，再用PDMS封盖，形成封盖层8。在PDMS封盖层8上开设有通孔12和检测窗口10，检测窗口10对应于代谢液收集池位置，该检测窗口10为镂空结构。在检测窗口10上设有可覆盖该检测窗口的门9，该门9与封盖层8滑动配合，可通过推拉方式打开或关闭检测窗口10。在门9上设有通气孔12和泵孔13。至此，完成微流控芯片的制备。

由本发明方法制得的微流控芯片为三层结构，底层为设置有多个细胞培养室1的细胞培养层，为细胞提供三维生长环境，最多可同时培养60组细胞样本；将每个细胞培养室1的直径设置为1.5mm，可在同等厚度的情况下，大大增加细胞培养室1的体积，有利于细胞贴壁，有利于细胞触角、鞭毛立体生长。中间层为微通道层，其上设置有模拟人体肺部组织结构的流体微通道，可通过流体微通道进样口注入细胞悬浮液或培养液，细胞悬浮液或培养液通过流体微通道的分流作用均匀的充满每个细胞培养室，该流体微通道完全模拟人体肺部组织结构，为细胞提供更接近于人体的生长环境，其代谢产物非常接近于人体细胞的代谢产物，使检测数据更加贴近于人体真实情况，为后续的分析工作提供更准确的科学依据，以利于对肺癌的早期诊断。代谢液收集池可收集多余的细胞悬浮液和细胞代谢液，由于本微流控芯片可同时培养60组肺癌细胞，每组肺癌细胞生长环境完全相同，加之代谢液体收集池积较大，由代谢液收集池收集的细胞代谢液体积完全满足检测需要，可直接采用卟啉传感器可视阵列芯片或其他检测仪器对代谢液收集池中的细胞代谢液进行实时检测。

以下以具体配方为例，对水凝胶材料的配方加以说明：

配方1：预聚物包括PEGDA、HEMA和NVP，其中，PEGDA为1.8ml，HEMA为1.2ml，NVP为0.3ml，预聚物的总质量为3.5g，加入Irgacure2959，其质量为0.0140g，搅拌均匀。采用该配方水凝胶材料制成的微流控芯片生物相容性好、细胞粘附力强、消耗材料较少，容胀率小，具有较好的韧性，可重复使用5次以上。

配方2：预聚物包括PEGDA、HEMA和NVP，其中，PEGDA为2.1ml，HEMA为0.9ml，NVP为0.3ml，预聚物的总质量为3.4g，加入Irgacure2959同，其质量为0.0135g，搅拌均匀。采用该配方水凝胶材料制成的微流控芯片生物相容性好、细胞粘附力强、消耗材料较少，容胀率小，具有较好的韧性，可重复使用5次以上。

配方3：预聚物包括PEGDA和HEMA，其中，PEGDA为2ml，HEMA为2ml，预聚物的总质量为3.3g，加入Irgacure2959，其质量为0.012g，搅拌均匀。采用该配方水凝胶材料制成的微流控芯片生物较为柔软，容胀率大，吸水速率快，放进水里30min发生降解，仅能使用一次。

配方4：预聚物包括PEGDA、HEMA和NVP，其中，PEGDA为2.1ml，HEMA为0.7ml，NVP为0.6ml，预聚物的总质量为3.84g，加入Irgacure2959，其质量为0.016g，搅拌均匀。采用该配方水凝胶材料制成的微流控芯片硬度较高，生物相容性差，无法使用。

由上述配方可看出，由配方1和配方2的水凝胶材料制成的微流控芯片性能最优，更能模拟人体组织环境，更利于细胞的培养。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.用于培养及检测肺癌细胞的微流控芯片制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

制备掩膜：采用绘图软件分别绘制细胞培养层和微通道层掩膜图，并采用菲林胶片打印该掩膜图，制得细胞培养层掩膜和微通道层掩膜；

其中，细胞培养层掩膜上设有按矩阵排列的60个圆，每排12个，共5排，每个圆的直径为1.5mm；靠近矩阵圆的一端设有一矩形，矩形的长为16mm，宽为11mm；细胞培养层掩膜上的圆和矩形均不透光，其余部分为透光；

微通道层掩膜包括网状线路和矩形，网状线路的一端为横向尺寸为2.5mm的长方形，长方形的一端分化为两条最大横向尺寸为5mm的第一支路，每条第一支路再分化形成第二支路，第二支路再分化形成纵横交错的网状结构的微支路，微支路的横向尺寸为1mm，在微支路交错处、且与细胞培养层掩膜上的圆对应的位置设有直径为1.5mm的圆；矩形与网状线路的另一端连接，矩形的长为16mm，宽为11mm，该矩形与位于细胞培养层掩膜上的矩形相对应；微通道层掩膜上的网状线路和矩形部分为不透光，其余部分为透光；

配制水凝胶材料：加入PEGDA和HEMA, 形成PEGDA和HEMA混合物；加入NVP，得到预聚物；在避光条件下加入光引发剂；采用超声振荡，将混合物振荡均匀无气泡，静置，得到水凝胶材料；所述水凝胶材料中，PEGDA与HEMA的体积比为1.5：1,NVP的体积为PEGDA与HEMA总体积的10%，光引发剂的质量为预聚物质量的0.4%；或者，所述水凝胶材料中，PEGDA与HEMA的体积比为2.3：1, NVP的体积为PEGDA与HEMA总体积的15%，光引发剂的质量为预聚物质量的0.3%；

制备细胞培养层：将细胞培养层掩膜置于玻璃基片之上，细胞培养层掩膜距离玻璃基片1mm；将玻璃基片与细胞培养层掩膜四周封闭，其内形成一水凝胶灌注腔体，得到细胞培养层模具；在避光条件下采用注射器往细胞培养层模具腔体内注入水凝胶材料，使水凝胶材料完全填充满腔体；然后将细胞培养层模具整体置于一密闭空间内，采用紫外灯垂直照射细胞培养层掩膜表面30分钟，使水凝胶材料固化，在固化过程中始终充氮气保护；待水凝胶固化成型后，去掉细胞培养层掩摸，得到细胞培养层；

制备微通道层：将微通道层掩膜置于制得的细胞培养层之上，微通道层掩膜距离细胞培养层1mm；将细胞培养层与微通道层掩膜四周封闭，其内形成一水凝胶灌注腔体，得到微通道层模具；在避光条件下采用注射器往微通道层模具腔体内注入水凝胶材料，使水凝胶材料完全填充满腔体;然后将微通道层模具整体置于一密闭空间内，采用紫外灯垂直照射细胞培养层掩膜表面10~20分钟，使水凝胶材料固化，在固化过程中始终充氮气保护;待水凝胶固化成型后，去掉微通道层掩摸，得到微通道层；

洗脱及制备封盖层：将制得的微通道层置于PBS缓冲液中进行洗脱，去除未反应完全的水凝胶材料，再用PDMS封盖，形成封盖层；完成微流控芯片的制备。