CN106591127A - 具有三维表面微结构的细胞培养装置及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有三维表面微结构的细胞培养装置及其制造方法。包括载片、壳体、微结构和微流道系统；壳体置于载片上，壳体底面开口并在开口周围与载片相封接形成作为细胞培养室的内腔，细胞培养室内设有微结构和微流道系统，微结构贴附在载片上，微流道系统包括进口、出口和微流道，微流道设置在微结构周围的壳体内底面或者载片上表面，进口和出口设置在微结构两侧的壳体上，进口和出口分别经各自的微流道连通细胞培养室中的微结构。本发明装置能模拟细胞分布规律的培养环境，减少细胞接触抑制，并且能进行药物筛选等生理活性检测，具有操作简单，细胞植入便捷等特点，能实现快速、高效的细胞培养。
Description
技术领域
本发明涉及用于体外进行人或动物等细胞培养的细胞培养装置。属于细胞培养技术领域，涉及细胞生物学、药物筛选以及器官芯片等相关领域。
背景技术
在人体和动物体内，细胞均具呈现出规则或不规则的三维结构排列。然而在现有的细胞培养中，多数细胞均在平板上贴壁生长，与体内的生理微结构相差很大，因此无法模拟真实细胞生长环境。
近年来，在制药、生命科学、医学、临床学等研究领域，对检疫检验、细胞治疗和组织工程等技术的需求日益增加，相关技术也得到了飞速发展。通过在体外大规模动物细胞培养，实现特定的蛋白的高水平表达，以制造单克隆抗体、干扰素，研制病毒疫苗，以及进行细胞治疗和药物筛选已成为目前研究与应用的热点。目前常用的大规模细胞培养装置主要有细胞培养皿、培养多孔板、培养瓶、培养转瓶、生物反应器、和细胞工厂等，在上述培养环境中，细胞大都以平面贴壁的方式进行生长、扩增。平面细胞培养虽然在一定程度上满足了细胞培养产业的发展需求，但是存在众多缺陷，比如细胞在这种环境下生长很容易发生拥挤，因而导致细胞间发生接触抑制。同时，细胞暴露于培养液的表面积较少，且细胞贴附表面积有限，从而限制细胞的正常生长。综上所示，常规的细胞培养装置不能提供有利于细胞生长的特殊三维结构基底，因此无法模拟体内生理微环境。
常规的细胞培养皿等方式进行的细胞培养，在培养细胞的同时难以进行药物筛选等生理检测，因此发展一种便捷、快速、低成本的细胞培养装置，是细胞生物学等领域的迫切需求。
发明内容
基于此，本发明的目的是提供一种具有三维表面微结构的细胞培养装置，可以模拟具有特殊分布规律的细胞生长环境，从而减少细胞接触抑制，并且可以进行药物筛选和生理活性检测。
为实现本发明目的，本发明采用下述技术方案得以实现：
一、一种具有三维表面微结构的细胞培养装置：
装置包括载片、壳体、微结构和微流道系统；壳体置于载片上并在连接面处封接，壳体底面开口并在开口周围与载片相封接形成作为细胞培养室的内腔，细胞培养室内设有用于细胞粘附生长的微结构和用于微结构培养液输送的微流道系统。
所述的微结构贴附在载片上，微流道系统包括进口、出口和微流道，微流道设置在微结构周围的壳体内底面或者载片上表面，进口和出口设置在微结构两侧的壳体上，进口和出口分别经各自的微流道连通细胞培养室中的微结构，微流道的进口有稳流作用，进口和出口外接管道，从而实现方便进行营养液、空气等物质交换。
所述的微流道为从进口或者出口到微结构上各微孔或者微槽的结构，进口微流道端通常设有喇叭形态的分流结构。
所述的微结构材料采用但不仅限于聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚乙二醇丙烯酸脂(PEGDA)、明胶、壳聚糖或者纤维蛋白胶等生物相容性好的材料。
所述的微结构是一维波浪形态微结构、二维阵列分布微结构或者三维空间分布微结构，尺寸通常与所培养细胞尺寸相关，高度1～10um，间距10～250um。
所述的细胞培养装置中微流道的管道直径为500um～5mm，微流体通道的有效深度为100um～2mm。
通过微结构模拟具有特殊分布规律的细胞生长环境，从而减少细胞接触抑制。
二、一种具有三维表面微结构的细胞培养装置的制造方法，包括以下步骤：
1)用计算机辅助设计软件设计绘制所述细胞培养装置中载片或者壳体上设置的微流道图形，通过微加工在载片的上表面或者壳体内腔的内底面加工制成微流道，并在壳体上表面两侧分别开设与内腔相通的进口和出口；
2)用计算机辅助设计软件设计绘制所述微结构上所需的细胞培养结构图形，通过快速成形方法加工制造微结构；
3)将微结构粘附在载片上表面，利用两层粘性薄膜，将壳体和载片对齐后加压粘合，制成细胞培养装置。
所述的微加工采用但不仅限于数控铣刻、激光刻蚀、热压成形、化学腐蚀、光刻、浇注。
所述的快速成形方法采用包括但不仅限于光固化、3D打印、声表面波无模成形、掩模浇注。
本发明具有的有益效果是：
本发明的具有三维表面微结构的细胞培养装置，其三维表面微结构模拟了体内的细胞生长三维空间微环境，因此可以为细胞粘附提供更大的表面积，同时减少细胞接触抑制，便于细胞之间、细胞与细胞外基质之间的交互作用以及代谢产物的排出，保障了细胞保持原有的分化和功能表达。
同时该细胞培养装置具有多个微流体通道，方便进行营养物质和空气的输送，实现细胞物质交换过程，以及进行粘附力检测及药物筛选等。
附图说明
图1是本发明的整体装置示意图。
图2是本发明的整体装置正截面示意图。
图3是本发明的一维分布表面微结构上细胞分布示意图。
图4是本发明的二维分布表面微结构上细胞分布示意图。
图5是本发明的三维分布表面微结构上细胞分布示意图。
图6是本发明的工作示意图。
图中：1.进口；2.微流道系统；3.壳体；4.微结构；5.出口；6.载片；7.细胞培养室；8.细胞。
具体实施方式
以下结合具体实施例对上述方案进行进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限制本发明的范围。
如图1所示，本发明包括载片6、壳体3、微结构4和微流道系统2；壳体3置于载片6上并在连接面处封接，壳体3底面开口并在开口周围与载片6相封接形成作为细胞培养室7的内腔，细胞培养室7内设有用于细胞8粘附生长的微结构4和用于微结构4培养液输送的微流道系统2。
如图2所示，微结构4贴附在载片上，微流道系统2包括进口1、出口5和微流道，微流道设置在微结构4周围的壳体3内底面或者载片6上表面，进口1和出口5设置在微结构4两侧的壳体3上，进口1和出口5分别经各自的微流道连通细胞培养室7中的微结构4，微流道的进口1有稳流作用，进口1和出口5外接管道，微结构4上粘附细胞8，从而实现方便进行营养液、空气等物质交换。
微结构4是一维波浪形态微结构、二维阵列分布微结构或者三维空间分布微结构，分别如图3-4所示，尺寸通常与所培养细胞尺寸相关，高度1～10um，间距10～250um。
具体实施的细胞培养装置中微流道的管道直径为500um～5mm，微流体通道的有效深度为100um～2mm。
如图6所示，本发明的实施例及其实施过程如下：
步骤一：聚乙二醇丙烯酸脂(PEGDA)微波纹/点阵表面微结构的制造
用计算机辅助设计软件设计和绘制微结构的3D模型，接着将该模型3D数据进行分层，并将每层图形数据转化成3D打印，输入到3D打印机，利用紫外光固化式3D打印机进行制造，完成三维表面微结构的制造。
具体实施的三维表面微结构采用二维阵列分布微结构，形态是表面凹凸阵列分布，类似大肠表面的褶皱形貌，尺寸是10mm×10mm，整体厚度100～500um，微结构表面幅值8um，间距100um。
步骤二：聚二甲基硅氧气烷(PDMS)壳体的制造
用计算机辅助设计软件设计和绘制壳体的结构和微流道图形，利用数控加工系统制造铝合金的壳体模具，用蒸馏水清洗模具，并用乙醇擦拭表面残留的污渍。具体实施的微流道的形态是进口呈喇叭形态，设有分流结构，各分流出口间距为100um，均匀分布在微结构进口侧；微流道出口也呈喇叭形态，开口宽度为10mm。
采用倒模发制造PDMS壳体，并用氧处理PDMS表面，使其具有更高的表面能，然后将壳体和粘附好微结构的载片对齐，通过加压实现键合，获得细胞培养装置。
步骤三：大肠细胞的植入、培养，及药物活性检测
具体实施采用大肠细胞，控制注射泵流速，使得细胞和培养液混合溶液缓慢流经微流道并进入细胞培养室，使其均匀分布在仿大肠三维凝胶表面微结构上，完成细胞的植入。培养一段时间，待其贴壁或固定生长后，进行培养基的循环流动培养，如图5所示。
待细胞进入稳定期，开始通过培养装置入口通入检测药物溶液，药物溶液通过微流道进入培养室和细胞进行充分接触，在出口处收集相互作用后的药物及代谢产物，进一步可以进行药物筛选等生理活性检测。
由此可见，本发明装置能模拟细胞分布规律的培养环境，减少细胞接触抑制，具有操作简单，细胞植入便捷，实现了快速、高效的细胞培养。
上述的实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明内容，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换和修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种具有三维表面微结构的细胞培养装置，其特征在于：包括载片(6)、壳体(3)、微结构(4)和微流道系统(2)；壳体(3)置于载片(6)上，壳体(3)底面开口并在开口周围与载片(6)相封接形成作为细胞培养室(7)的内腔，细胞培养室(7)内设有用于细胞粘附生长的微结构(4)和用于微结构(4)培养液输送的微流道系统(2)。
2.根据权利要求1所述的一种具有三维表面微结构的细胞培养装置，其特征在于：所述的微结构(4)贴附在载片上，微流道系统(2)包括进口(1)、出口(5)和微流道，微流道设置在微结构(4)周围的壳体(3)内底面或者载片(6)上表面，进口(1)和出口(5)设置在微结构(4)两侧的壳体(3)上，进口(1)和出口(5)分别经各自的微流道连通细胞培养室(7)中的微结构(4)。
3.根据权利要求1所述的一种具有三维表面微结构的细胞培养装置，其特征在于：所述的微流道为从进口(1)或者出口(5)到微结构(4)上各微孔或者微槽的结构。
4.根据权利要求1所述的一种具有三维表面微结构的细胞培养装置，其特征在于：所述的微结构(4)材料采用但不仅限于聚二甲基硅氧烷、聚乙二醇丙烯酸脂、明胶、壳聚糖或者纤维蛋白胶等生物相容性好的材料。
5.根据权利要求1所述的一种具有三维表面微结构的细胞培养装置，其特征在于：所述的微结构(4)是一维波浪形态微结构、二维阵列分布微结构或者三维空间分布微结构。
6.根据权利要求1所述的一种具有三维表面微结构的细胞培养装置，其特征在于：所述的细胞培养装置中微流道的管道直径为500um～5mm，微流体通道的有效深度为100um～2mm。
7.根据权利要求1所述的一种具有三维表面微结构的细胞培养装置，其特征在于：通过微结构(4)模拟具有特殊分布规律的细胞生长环境，从而减少细胞接触抑制。
8.应用于权利要求1-6任一所述装置的一种具有三维表面微结构的细胞培养装置的制造方法，其特征是方法包括以下步骤：
(1)用计算机辅助设计软件设计绘制所述细胞培养装置中载片或者壳体上设置的微流道图形，通过微加工在载片的上表面或者壳体内腔的内底面加工制成微流道，并在壳体上表面两侧分别开设与内腔相通的进口和出口；
(2)用计算机辅助设计软件设计绘制所述微结构上所需的细胞培养结构图形，通过快速成形方法加工制造微结构；
(3)将微结构粘附在载片上表面，利用两层粘性薄膜，将壳体和载片对齐后加压粘合，制成细胞培养装置。
9.根据权利要求8所述的一种具有三维表面微结构的细胞培养装置的制造方法，其特征在于：所述的微加工采用但不仅限于数控铣刻、激光刻蚀、热压成形、化学腐蚀、光刻、浇注。
10.根据权利要求8所述的一种具有三维表面微结构的细胞培养装置的制造方法，其特征在于：所述的快速成形方法采用包括但不仅限于光固化、3D打印、声表面波无模成形、掩模浇注。
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