CN106148165B - 用于细胞微注射的微流控芯片、注射系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于细胞微注射的微流控芯片、注射系统及其工作方法，本微流控芯片第一、第二和第三端口，以及微注射针；待注射细胞适于从所述第一端口进入注射微流道，且通过第二端口产生负压使待注射细胞撞击微注射针的针尖，即针尖刺入待注射细胞，以完成注射；以及在完成注射后，所述第二端口产生正压，使已注射细胞从第三端口排出；本发明的微流控芯片在PDMS上制作微流道，其成本相对低廉，且本发明结构简单，便于制作，这将大大降低设备的复杂程度和成本，并且利用微流控芯片构成的注射系统及其工作方法也同样具有控制简单，注射效率高的优点。

Description

用于细胞微注射的微流控芯片、注射系统及其工作方法

技术领域

本发明属于细胞生物学研究技术领域，具体是一种用于细胞微注射的实验装置。

背景技术

显微注射技术是在显微镜视野内将被注射细胞调整固定后，利用微注射针将外源基因或其他物质注入细胞内的一种技术，是现代生物工程的重要技术手段之一，现有的显微注射装置，包括具有移动控制旋钮的移动部件，与移动部件相连的持针器和注射针、通过螺纹连接将持针器和注射针相连的压电陶瓷。这种装置虽然可以明显提高有效注射率，减少注射针对细胞膜的损伤，但是其也存在设备复杂，操作难度程度大，成本较高，效率和自动化程度低等问题，针对以上问题有必要提出进一步的解决方案。此外微流控技术工艺成熟，制作成本相对低廉，因此本文提出一种基于微流控技术的细胞微注射装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种微流控芯片、注射系统及其工作方法，以解决细胞快速、准确注射的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种微流控芯片，包括：第一、第二和第三端口，以及微注射针；待注射细胞适于从所述第一端口进入注射微流道，且通过第二端口产生负压使待注射细胞撞击微注射针的针尖，即针尖刺入待注射细胞，以完成注射；以及在完成注射后，所述第二端口产生正压，使已注射细胞从第三端口排出。

进一步，所述注射微流道具有倾角，且所述第一端口适于垂直接入注射微流道；待注射细胞进入注射微流道后，第二端口产生的负压使待注射细胞倾斜向上移动且撞击位于注射微流道末端的所述针尖，该针尖四周设有过液间隙，所述注射微流道通过过液间隙与第二端口对应的微流道联通。

进一步，所述注射微流道的倾角为30-60°。

进一步，当微注射针注入外源物质后，通过正压将已注射细胞从针尖退出，从注射微流道内倾斜向下移动，从第三端口排出。

第二方面，本发明还提供了一种注射系统。

所述注射系统包括所述的微流控芯片，以及分别连接第一、第二端口的第一、第二微流泵；适于将外源物质输入微注射针的精密微流泵；安装于第三端口的微阀；以及所述第一微流泵、第二微流泵、精密微流泵和微阀均有控制模块控制。

进一步，在注射时，所述控制模块关闭微阀，打开第一微流泵，使待注射细胞适于从所述第一端口进入注射微流道后，关闭第一微流泵；所述控制模块再控制第二微流泵产生负压使待注射细胞撞击微注射针的针尖，使针尖刺入待注射细胞，启动精密微流泵将外源物质注入待注射细胞内后关闭，以完成注射；以及在完成注射后，所述控制模块打开微阀，且控制所述第二微流泵产生正压，通过正压将已注射细胞从针尖退出后，从第三端口排出。

第三方面，本发明还提供了一种注射系统的工作方法，包括如下步骤：

步骤S1，加入待注射细胞；

步骤S2，进行注射；以及

步骤S3，将已注射细胞排出。

进一步，所述注射系统为权利要求5所述的注射系统；

所述步骤S1中加入待注射细胞的方法包括：

所述控制模块关闭微阀，打开第一微流泵，使待注射细胞适于从所述第一端口进入注射微流道后，关闭第一微流泵。

进一步，所述步骤S2中进行注射的方法，即

所述控制模块控制第二微流泵产生负压使待注射细胞撞击微注射针的针尖，使针尖刺入待注射细胞，启动精密微流泵将外源物质注入待注射细胞内后关闭，以完成注射。

进一步，所述步骤S3中将已注射细胞排出的方法包括：

在完成注射后，所述控制模块打开微阀，且控制所述第二微流泵产生正压，通过正压将已注射细胞从针尖退出后，从第三端口排出。

本发明的有益效果是，本发明的微流控芯片在PDMS上制作微流道，其成本相对低廉，且本发明结构简单，便于制作，这将大大降低设备的复杂程度和成本，并且利用微流控芯片构成的注射系统及其工作方法也同样具有控制简单，注射效率高的优点。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的微流控芯片的立体图；

图2是本发明的微流控芯片中相应微流道结构剖视图；

图3是显微注射区域局部放大图；

图4是本发明的微流控芯片中相应微流道结构三维模型；

图5是PDMS基板三维结构模型

图中：

第一端口100、第一端口对应的微流道110；

第二端口200、第二端口对应的微流道210；

第三端口300、第三端口对应的微流道310；

注射微流道400、过液间隙410；

微注射针2、针尖21；

PDMS块3；

PDMS基板4。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

实施例1

如图1至图5所示，本发明的一种微流控芯片，包括：第一、第二和第三端口，以及微注射针；待注射细胞适于从所述第一端口100进入注射微流道400，且通过第二端口200产生负压使待注射细胞撞击微注射针2的针尖21，即针尖21刺入待注射细胞，以完成注射；以及在完成注射后，所述第二端口200产生正压，使已注射细胞从第三端口300排出。

第三端口对应的微流道位于的注射微流道延长方向。

所述微流控芯片的本体例如但不限于采用聚二甲基硅氧烷：(Polydimethylsioxane)简称PDMS，是一种高分子有机硅化合物。具有光学透明。

具体的，本微流控芯片包含刻有微流道的PDMS块3(如图4所示)，一块PDMS基板4(如图5所示)，所述微注射针嵌入含有微流道的PDMS块内，PDMS基板和PDMS块键合在一起，故该微流控芯片内部密封，其仅能通过相应微流道的外部端口(第一、第二和第三端口和微注射针的端口)与外界联通。

为便于加工制作，第一、第二和第三端口微注射针的端口用打孔器做圆形处理，以便连接；且第一、第二和第三端口对应的微流道(110、210、310)的截面形状为矩形；微流道的尺寸可以根据要注射细胞的尺寸在一定的比例范围内变动；把细胞看成近似球形其直径为d，则各微流道的宽度为D，且有d<D<1.8d，深度均为H且有d<H<2d，这样可以使细胞一个一个依次通过微流道而不产生“并排”移动，方便后续操作。PDMS的透明特征便于在显微镜下观察流道内细胞的运动状态，以方便对细胞进行显微注射操作。

作为本微流控芯片的多种实施方式的一种，所述注射微流道具有倾角，且所述第一端口适于垂直接入注射微流道400，使待注射细胞从微流控芯片上端的第一端口垂直进入；待注射细胞进入注射微流道后，第二端口产生的负压使待注射细胞倾斜向上移动且撞击位于注射微流道末端的所述针尖，该针尖四周设有过液间隙410，所述注射微流道400通过过液间隙410与第二端口对应的微流道210联通。

进一步，所述过液间隙的间隙宽度小于细胞直径，使细胞无法穿过，仅适于流体流动。

可选的，所述注射微流道的倾角为30-60°，优选为45°。

当微注射针注入外源物质后，通过正压将已注射细胞从针尖退出，从注射微流道内倾斜向下移动，从第三端口排出。

所述注射微流道采用倾角设计，特别适合已注射细胞从针尖退出后，通过重力作为辅助协同正压将已注射细胞从第三端口排出至培养皿。

实施例2

在实施例1基础上，本实施例2提供了一种微流控芯片的注射系统，包括如实施例1所述的微流控芯片，以及

分别连接第一、第二端口的第一、第二微流泵；

适于将外源物质输入微注射针的精密微流泵；

安装于第三端口的微阀；以及

所述第一微流泵、第二微流泵、精密微流泵和微阀均有控制模块控制。

其中，所述第二微流泵适于从第二端口抽出芯片内部流体，以产生正压，或将流体从第二端口注入芯片内部，以产生负压。所述第三端口通过微阀连接培养皿。所述控制模块例如但不限于采用处理器模块及微流泵、微阀的驱动电路。通过精密微流泵适于精确控制外源物质的注入量。

在注射时，所述控制模块关闭微阀，打开第一微流泵，使待注射细胞适于从所述第一端口进入注射微流道后，关闭第一微流泵；所述控制模块再控制第二微流泵产生负压使待注射细胞撞击微注射针的针尖，使针尖刺入待注射细胞，启动精密微流泵将外源物质注入待注射细胞内后关闭，以完成注射；以及在完成注射后，所述控制模块打开微阀，且控制所述第二微流泵产生正压，通过正压将已注射细胞从针尖退出后，从第三端口排出。

实施例3

在实施例2基础上，本实施例3提供了一种注射系统的工作方法，包括如下步骤：

步骤S1，加入待注射细胞；

步骤S2，进行注射；以及

步骤S3，将已注射细胞排出。

所述注射系统为实施例2所述的注射系统。

在步骤S1加入待注射细胞之前，先用细胞培养液清洗微流控芯片内相应微流道，而后使各微流道内充满细胞培养液(流体)。

所述步骤S1中加入待注射细胞的方法包括：

所述控制模块关闭微阀，打开第一微流泵，使待注射细胞适于从所述第一端口进入注射微流道后，关闭第一微流泵。

所述步骤S2中进行注射的方法，即所述控制模块控制第二微流泵产生负压使待注射细胞撞击微注射针的针尖，使针尖刺入待注射细胞，启动精密微流泵将外源物质注入待注射细胞内后关闭，以完成注射。

所述步骤S3中将已注射细胞排出的方法包括：在完成注射后，所述控制模块打开微阀，且控制所述第二微流泵产生正压，通过正压将已注射细胞从针尖退出后，从第三端口排出。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (4)

1.一种微流控芯片，其特征在于，包括：第一、第二和第三端口，以及微注射针；

待注射细胞适于从所述第一端口进入注射微流道，且通过第二端口产生负压使待注射细胞撞击微注射针的针尖，即针尖刺入待注射细胞，以完成注射；以及

在完成注射后，所述第二端口产生正压，使已注射细胞从第三端口排出；

所述注射微流道具有倾角，且所述第一端口适于垂直接入注射微流道,使待注射细胞从微流控芯片上端的第一端口垂直进入；

待注射细胞进入注射微流道后，第二端口产生的负压使待注射细胞倾斜向上移动且撞击位于注射微流道末端的所述针尖，该针尖四周设有过液间隙宽度小于细胞直径,使细胞无法穿过，仅适于流体流动；所述注射微流道通过过液间隙与第二端口对应的微流道联通；以及

第三端口对应的微流道位于的注射微流道延长方向；

所述注射微流道的倾角为30-60°；

当微注射针注入外源物质后，通过正压将已注射细胞从针尖退出，从注射微流道内倾斜向下移动，从第三端口排出。

2.一种注射系统，其特征在于，包括如权利要求1所述的微流控芯片，以及

分别连接第一、第二端口的第一、第二微流泵；

适于将外源物质输入微注射针的精密微流泵；

安装于第三端口的微阀；以及

所述第一微流泵、第二微流泵、精密微流泵和微阀均有控制模块控制。

3.根据权利要求2所述的注射系统，其特征在于，

在注射时，所述控制模块关闭微阀，打开第一微流泵，使待注射细胞适于从所述第一端口进入注射微流道后，关闭第一微流泵；

所述控制模块再控制第二微流泵产生负压使待注射细胞撞击微注射针的针尖，使针尖刺入待注射细胞，启动精密微流泵将外源物质注入待注射细胞内后关闭，以完成注射；以及

在完成注射后，所述控制模块打开微阀，且控制所述第二微流泵产生正压，通过正压将已注射细胞从针尖退出后，从第三端口排出。

4.一种如权利要求2所述的注射系统的工作方法，包括如下步骤：

步骤S1，加入待注射细胞；

步骤S2，进行注射；以及

步骤S3，将已注射细胞排出；

所述步骤S1中加入待注射细胞的方法包括：

所述控制模块关闭微阀，打开第一微流泵，使待注射细胞适于从所述第一端口进入注射微流道后，关闭第一微流泵；

所述步骤S2中进行注射的方法，即

所述控制模块控制第二微流泵产生负压使待注射细胞撞击微注射针的针尖，使针尖刺入待注射细胞，启动精密微流泵将外源物质注入待注射细胞内后关闭，以完成注射；

所述步骤S3中将已注射细胞排出的方法包括：

在完成注射后，所述控制模块打开微阀，且控制所述第二微流泵产生正压，通过正压将已注射细胞从针尖退出后，从第三端口排出。