CN104694372A - 一种垂直捕获裂殖酵母细胞的微流控芯片及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种垂直捕获裂殖酵母细胞的微流控芯片及方法。针对于柱状裂殖酵母细胞的应用，该微流控芯片上加工有精密的瓶颈状微结构，称之为细胞捕获陷阱；利用流体动力学原理，可在每个陷阱上垂直捕获一个细胞，即柱状裂殖酵母细胞恰好嵌入到瓶颈状陷阱的颈部狭缝结构中，使细胞以树立的形式被捕获；通过控制细胞悬浮液和细胞培养液的进样机制以及施加在流体通道上的压强，捕获后的细胞可在微流控芯片上长时间稳定地培养；该微流控芯片由全透明材料加工而成，辅以激光共聚焦显微技术，可直接监测细胞的动态生长繁殖过程，用以研究细胞周期调控、生长繁殖、凋亡等生物过程；该微流控芯片仅有一层流体通道，加工简便。

Description

一种垂直捕获裂殖酵母细胞的微流控芯片及方法
技术领域
本发明提供了一种垂直捕获裂殖酵母细胞的微流控芯片及方法。属于微流控芯片及单细胞分析技术领域。
技术背景
细胞个体差异性普遍存在于生物体中，既无法预知，又发生在少数个体上。细胞差异性对群落乃至生命体有重大影响，例如微量的循环肿瘤细胞存在于癌症患者的外周血中，却对肿瘤转移起决定性作用。目前，单细胞分析常用流式细胞仪，需检测大量细胞样品，并对所获数据进行统计学分析，从而掩盖了群落中少量细胞个体的行为和信息；此外，在多数情况下，对细胞样品的检测往往发生在当细胞流经检测仪器时的时间点上，所得数据只能反映细胞的瞬态信息，无法测得细胞生长繁殖的动态信息。
由此，动态单细胞分析要求细胞的多种特性在培养过程中被连续监测，同时，所获信息可直接对应到所监测的细胞个体上。这个单细胞培养的过程，首先需要把细胞固定在特定的位置上生长；需对微环境，特别是培养液的输送有精确控制；需利用相关高精度的技术手段读取细胞个体的动态信息。随着微流控技术在生物学、化学、和医学诊断等领域的广泛应用，基于微流控器件的单细胞操纵、培养和分析技术已经实现，且成为新一代细胞研究的重要平台。为了在微流控器件中读取细胞个体的信息，研究其特性，来自于群落的细胞需要被分离、捕获和培养，且需在细胞生长过程中有精确的环境控制，例如培养液、药物浓度、给样时间、温湿度等等。由此，基于微流控器件的单细胞分析技术的核心就是从细胞群落中分离和稳定捕获细胞个体，以供随后的细胞培养和实时监测。然而，当前的微流控单细胞分析领域，多数研究者所设计制作的微流控芯片能够捕获一定数量的单细胞，但是，捕获的均一性、精确性较低，且应用领域仅针对悬浮的哺乳动物细胞。
发明内容
鉴于上述现有技术的缺点和应用领域的缺失，本发明的目的在于提供一种针对在细胞周期调控、生长繁殖、凋亡等研究领域常用的模式细胞——柱状的裂殖酵母细胞（Schizosaccharomyces pombe）——捕获并培养该细胞个体的微流控芯片，用于稳定且均一地捕获单个裂殖酵母细胞、提供细胞培养所需微环境、集成多种检测功能、精确地监测细胞生长繁殖的动态过程，以供动态单细胞分析。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供了一种垂直捕获裂殖酵母细胞的微流控芯片及方法。其特征在于，该微流控芯片上加工有精密的瓶颈状微结构，称之为细胞捕获陷阱；利用流体动力学原理，可在每个陷阱上垂直捕获一个细胞，即柱状裂殖酵母细胞恰好嵌入到瓶颈状陷阱的颈部狭缝结构中，使细胞以树立的形式被捕获；通过控制细胞悬浮液和细胞培养液的进样机制以及施加在流体通道上的压强，捕获后的细胞可在微流控芯片上长时间稳定地培养；辅以激光共聚焦显微技术，可直接监测细胞的动态生长繁殖过程。本发明采用的技术方案如下：
一种垂直捕获裂殖酵母细胞的微流控芯片及方法，该微流控芯片包括细胞捕获陷阱、细胞培养通道、抽吸通道、细胞悬浮液入口、细胞培养液入口、抽吸口、废液出口。所述细胞捕获陷阱为一瓶颈状结构，位于所述细胞培养通道和抽吸通道之间，并连接两者；一个细胞捕获陷阱可在瓶颈状陷阱的颈部狭缝微结构处捕获一个裂殖酵母细胞；所述细胞捕获陷阱可延所述细胞培养通道集成多个陷阱，形成细胞捕获陷阱阵列，陷阱总数为大于或等于1的整数。所述细胞培养通道一端连接有所述细胞悬浮液入口和所述细胞培养液入口，另一端连接有所述废液出口。所述抽吸通道一端连接有所述抽吸口。
一种垂直捕获裂殖酵母细胞的微流控芯片及方法，包含以下操作步骤：首先将注射器中预先加载的裂殖酵母细胞悬浮液及细胞培养液分别通过所述细胞悬浮液入口及细胞培养液入口以恒定流量泵入所述细胞培养通道；然后在抽吸口施加一较低压强，该压强须小于所述细胞培养通道中液流产生的压强，此时，所述细胞培养通道中的悬浮细胞将被液流拖曳并被捕获在所述细胞捕获陷阱上；由于流体动力的存在，柱状裂殖酵母细胞会被树立在陷阱的颈部狭缝处，以达到力学平衡，从而形成垂直捕获这一独特形式；在细胞捕获之后，升高抽吸口施加的压强，但该压强依然小于所述细胞培养通道中液流产生的压强，此时，细胞培养通道中的悬浮细胞不再被很大的压强差拖曳流向细胞捕获陷阱，同时又有足够大的压强差将垂直捕获的细胞稳定地保持在陷阱的颈部狭缝上。
进一步地，所述细胞悬浮液入口与远离所述细胞捕获陷阱半侧的细胞培养通道的支路连接，所述细胞培养液入口与靠近所述细胞捕获陷阱半侧的细胞培养通道的支路连接，以实现上述细胞捕获机制。
进一步地，由于裂殖酵母细胞的直径为4~5μm、长度为7~16μm，所述细胞捕获陷阱的颈部狭缝状微结构的宽度须小于细胞直径，以防止细胞穿过狭缝，因此狭缝宽度设计为2~3μm；狭缝高度须大于细胞长度，设计为20~30μm，为细胞生长提供足够的空间；为便于加工，所述细胞培养通道和抽吸通道的高度与狭缝微结构的高度相同。
进一步地，所述微流控芯片以玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯等硬质透明材料为衬底；以SU-8光刻胶、聚二甲基硅氧烷等为流体通道和细胞捕获陷阱的加工材料；以聚二甲基硅氧烷、玻璃等为流体通道的密封键合材料。
本发明具有以下有益效果：1）该微流控芯片利用精密微结构和流体动力学原理，精确地将柱状裂殖酵母细胞树立在瓶颈式捕获陷阱的颈部狭缝上，实现单细胞的垂直捕获，该捕获模式特别适合柱状细胞，捕获的稳定性高，操作简单，可用于长时间培养，研究细胞周期调控、生长繁殖、凋亡等生物过程；2）该微流控芯片使用了透明的加工材料，辅以激光共聚焦显微镜，可精确监测细胞在垂直空间上生长繁殖的动态过程；3）该微流控芯片仅含有一层流体通道，加工方便。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对方案描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，本领域技术人员可在不付出创造性劳动的前提下，根据这些附图获得其他的附图。
图1显示为本发明的垂直捕获裂殖酵母细胞的微流控芯片的平面结构示意图。其中，101为瓶颈式细胞捕获陷阱；102为瓶颈式细胞捕获陷阱的颈部狭缝；103为细胞培养通道；104为抽吸通道；105为细胞悬浮液入口；106为细胞培养液入口；107为抽吸口；108为废液出口；109为微流控芯片的流体通道层；110为微流控芯片的衬底。
图2显示为本发明的微流控芯片的一个陷阱捕获一个裂殖酵母细胞的A-A向剖面结构示意图。其中，111为流体通道的密封键合层；112为柱状裂殖酵母细胞。
图3显示为本发明的微流控芯片的三个细胞捕获陷阱的三维结构示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过其他不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的原理下进行各种修饰或改变。
请参阅图1~图3。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以例示方式说明本发明的基本原理、组件结构、工作过程及功效，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形成及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可改变，且其组件布局型态亦可更为复杂。
如图1~图3所示，本实施例提供一种垂直捕获裂殖酵母细胞的微流控芯片及方法，该微流控芯片的基本结构包括细胞捕获陷阱101、细胞培养通道103、抽吸通道104、细胞悬浮液入口105、细胞培养液入口106、抽吸口107、废液出口108。所述细胞捕获陷阱101为一瓶颈状微结构，位于所述细胞培养通道103和抽吸通道104之间，并连接两者；一个所述细胞捕获陷阱101可在其颈部狭缝微结构102处捕获一个裂殖酵母细胞112。所述细胞培养通道103一端连接有所述细胞悬浮液入口105和所述细胞培养液入口106，另一端连接有所述废液出口108。所述抽吸通道104一端连接有所述抽吸口107。
具体使用本实施例时，所述的垂直捕获裂殖酵母细胞的微流控芯片及方法至少包括以下使用步骤：
如图1~图3所示，首先进行步骤1，将注射器中预先加载的裂殖酵母细胞悬浮液及细胞培养液分别通过所述细胞悬浮液入口105及细胞培养液入口106以恒定流量泵入所述细胞培养通道103。
接着进行步骤2，在所述抽吸口107施加一较低压强，该压强须小于所述细胞培养通道103中液流产生的压强，此时，所述细胞培养通道103中的悬浮细胞将被液流拖曳并被捕获在所述细胞捕获陷阱101上；由于流体动力的存在，所述柱状裂殖酵母细胞112会被树立在陷阱的颈部狭缝102处，以达到力学平衡，从而形成垂直捕获这一独特形式。
然后进行步骤3，在细胞捕获之后，升高所述抽吸口107施加的压强，但该压强依然小于所述细胞培养通道103中液流产生的压强，此时，所述细胞培养通道103中的悬浮细胞不再被很大的压强差拖曳流向细胞捕获陷阱101，同时又有足够大的压强差将垂直捕获的细胞稳定地保持在陷阱的颈部狭缝102上。
进一步地，所述细胞悬浮液入口105与远离所述细胞捕获陷阱101半侧的细胞培养通道103的支路连接，所述细胞培养液入口106与靠近所述细胞捕获陷阱101半侧的细胞培养通道103的支路连接，以实现上述细胞捕获机制。
进一步地，所述细胞捕获陷阱101可延所述细胞培养通道103集成多个陷阱，形成细胞捕获陷阱阵列，陷阱总数为大于或等于1的整数。在本实施例中，该微流控芯片加工有10个所述细胞捕获陷阱101。
进一步地，由于所述裂殖酵母细胞112的直径为4~5μm、长度为7~16μm，所述细胞捕获陷阱101的颈部狭缝状微结构102的宽度须小于细胞直径，以防止细胞穿过狭缝，因此所述狭缝102的宽度设计为2~3μm；所述狭缝102的高度须大于细胞长度，设计为20~30μm，为细胞生长提供足够的空间；为便于加工，所述细胞培养通道103和抽吸通道104的高度与狭缝微结构102的高度相同。在本实施例中，所述狭缝微结构102的宽度为2.5μm，所述流体通道层109的厚度为25μm。
进一步地，所述微流控芯片的衬底110可用玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯等硬质透明材料加工；所述流体通道层109可用SU-8光刻胶、聚二甲基硅氧烷等具有生物兼容性的透明材料加工；所述流体通道的密封键合层111可用聚二甲基硅氧烷、玻璃等透明材料加工。在本实施例中，微流控芯片的衬底110为玻璃，流体通道109用SU-8光刻胶加工，以聚二甲基硅氧烷作为流体通道的密封键合层111。
综上所述，本发明提供了一种垂直捕获裂殖酵母细胞的微流控芯片及方法。具有以下有益效果：1）该微流控芯片利用精密微结构和流体动力学原理，精确地将柱状裂殖酵母细胞树立在瓶颈式捕获陷阱的颈部狭缝上，实现单细胞的垂直捕获，该捕获模式特别适合柱状细胞，捕获的稳定性高，操作简单，可用于长时间培养，研究细胞周期调控、生长繁殖、凋亡等生物过程；2）该微流控芯片使用了透明的加工材料，辅以激光共聚焦显微镜，可精确监测细胞在垂直空间上生长繁殖的动态过程；3）该微流控芯片仅含有一层流体通道，加工方便。所以，本发明有效克服了现有技术中的缺点和应用领域的缺失，在基于微流控器件的单细胞分析技术领域具有高度利用价值。
上述实施例仅例示性地说明了本发明的基本原理、组件结构、工作过程及功效，而非用于限制本发明的应用。任何熟练掌握该技术的人员皆可在不违背本发明的原理下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的原理与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应视为本发明的保护范围且由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.一种垂直捕获裂殖酵母细胞的微流控芯片，其特征在于：该微流控芯片的基本结构包括细胞捕获陷阱101、细胞培养通道103、抽吸通道104、细胞悬浮液入口105、细胞培养液入口106、抽吸口107、废液出口108；所述细胞捕获陷阱101为一瓶颈状微结构，位于所述细胞培养通道103和抽吸通道104之间，并连接两者；一个所述细胞捕获陷阱101可在其颈部狭缝微结构102处捕获一个裂殖酵母细胞；所述细胞培养通道103一端连接有所述细胞悬浮液入口105和所述细胞培养液入口106，另一端连接有所述废液出口108；所述抽吸通道104一端连接有所述抽吸口107。
2.一种采用权利要求1所述的垂直捕获裂殖酵母细胞的微流控芯片的微流控方法，其特征在于，所述方法至少包括以下步骤：
首先将裂殖酵母细胞悬浮液及细胞培养液分别通过所述细胞悬浮液入口105及细胞培养液入口106以恒定流量泵入所述细胞培养通道103；
接着在所述抽吸口107施加一较低压强，该压强须小于所述细胞培养通道103中液流产生的压强，此时，所述细胞培养通道103中的悬浮细胞将被液流拖曳并被捕获在所述细胞捕获陷阱101上；由于流体动力的存在，柱状裂殖酵母细胞会被树立在陷阱的颈部狭缝102处，以达到力学平衡，从而形成垂直捕获这一独特形式；
在细胞捕获之后，升高所述抽吸口107施加的压强，但该压强依然小于所述细胞培养通道103中液流产生的压强，此时，所述细胞培养通道103中的悬浮细胞不再被很大的压强差拖曳流向细胞捕获陷阱101，同时又有足够大的压强差将垂直捕获的细胞稳定地保持在陷阱的颈部狭缝102上。
3.根据权利要求2所述的微流控方法，其特征在于：所述细胞悬浮液入口105与远离所述细胞捕获陷阱101半侧的细胞培养通道103的支路连接，所述细胞培养液入口106与靠近所述细胞捕获陷阱101半侧的细胞培养通道103的支路连接，以实现本发明所述的细胞捕获机制。
4.根据权利要求2所述的微流控方法，其特征在于：所述细胞捕获陷阱101可延所述细胞培养通道103集成多个陷阱，形成细胞捕获陷阱阵列，陷阱总数为大于或等于1的整数。
5.根据权利要求2所述的微流控方法，其特征在于：所述细胞捕获陷阱101的颈部狭缝状微结构102的宽度须小于裂殖酵母细胞的直径，设计为2~3μm；所述狭缝102的高度须大于裂殖酵母细胞的长度，设计为20~30μm；所述细胞培养通道103和抽吸通道104的高度与狭缝微结构102的高度相同。
6.根据权利要求2所述的微流控方法，其特征在于：所述微流控芯片的衬底110可用玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯等硬质透明材料加工；所述流体通道层109可用SU-8光刻胶、聚二甲基硅氧烷等具有生物兼容性的透明材料加工；所述流体通道的密封键合层111可用聚二甲基硅氧烷、玻璃等透明材料加工。
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