CN107858289B - 一种细胞划痕芯片、装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种细胞划痕芯片、装置及方法。该细胞划痕装置包括信号发生器、图像生成装置和细胞划痕芯片；细胞划痕芯片包括上层玻璃和下层玻璃；上层玻璃和下层玻璃均为导电玻璃；上层玻璃的边缘与下层玻璃的边缘密封连接；上层玻璃上开设两个通孔，分别用于溶液的进入与排出；下层玻璃上表面沉积有氢化非晶硅；信号发生器连接在上层玻璃和下层玻璃上，用于对上层玻璃和下层玻璃施加交流电；图像生成装置用于产生图案并将图案投影到下层玻璃的下表面。本发明的细胞划痕芯片、装置及方法，可以随意改变划痕的图案，不受细胞培养装置的图案的限制，使用方便，成本低。
Description
技术领域
本发明涉及细胞划痕技术领域，特别是涉及一种细胞划痕芯片、装置及方法。
背景技术
癌症是临床上常见的多发病，作为全球的一个公共卫生问题，严重危害了人类的生命和健康，其发病率及其死亡率呈逐年上升趋势。癌症最主要的特征以及治疗的难点在于癌细胞的转移，也就是癌细胞从其原发部位脱落进入血管或淋巴管或体腔，随着血液循环系统或是淋巴循环系统侵入到身体的另一部位或器官，形成新的癌组织。细胞的迁移能力是衡量癌细胞转移能力的主要指标之一，而细胞划痕方法是研究癌细胞迁移能力的最有效方法之一。近年来，随着癌细胞转移机制研究的深入，人们发现癌细胞的迁移能力不仅具有种类差异性，还会受到其生长环境物理因素的影响，因此研究细胞划痕的形状、尺寸、重复划痕次数对细胞迁移能力的影响也成为细胞生物学的研究热点之一，这也对现有的细胞划痕方法提出了新的要求。
现有的划痕方法有微流控划痕方法和基于模版的划痕方法等。微流控划痕方法是通过设计一个“Y”型微通道，在入口处通入胰酶，在微通道内消化细胞，实现细胞划痕，这种方法划痕图案单一，形成的划痕图案只能是微通道的形状，若要形成指定图案的划痕，需要制作包含有指定形状微通道的培养皿。基于模版的划痕方法是利用微加工技术加工出具有一定图案的模版，利用模版来实现细胞的图形化生长用于模仿细胞划痕实验。上述的划痕方法形成的划痕图案较为单一，当需要形成具有特定划痕的图案时必须先完成特定图案的培养装置的制作，成本较高，不能随意变换划痕图案。
发明内容
本发明的目的是提供一种细胞划痕芯片、装置及方法，可以随意改变划痕的图案，不受细胞培养装置的图案的限制，使用方便，节约成本。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种细胞划痕芯片，包括：上层玻璃和下层玻璃；所述上层玻璃和下层玻璃均为导电玻璃；所述上层玻璃的边缘与所述下层玻璃的边缘密封连接；所述上层玻璃上开设两个通孔，用于溶液的进入与排出；所述下层玻璃上表面沉积有氢化非晶硅。
可选的，所述上层玻璃的边缘与所述下层玻璃的边缘通过双面胶密封连接。
本发明还公开了一种细胞划痕装置，包括信号发生器、图像生成装置和细胞划痕芯片；
所述细胞划痕芯片包括上层玻璃和下层玻璃；所述上层玻璃和下层玻璃均为导电玻璃；所述上层玻璃的边缘与所述下层玻璃的边缘密封连接；所述上层玻璃上开设两个通孔，分别用于溶液的进入与排出；所述下层玻璃上表面沉积有氢化非晶硅；
所述信号发生器连接在所述上层玻璃和所述下层玻璃上，用于对所述上层玻璃和所述下层玻璃施加交流电；所述图像生成装置用于产生图案并将所述图案投影到所述下层玻璃的下表面。
可选的，所述图像生成装置包括聚光透镜、投影仪和第一计算机；所述投影仪的放映镜头正对所述下层玻璃的下表面；所述聚光透镜安装在所述投影仪的放映镜头上；所述第一计算机与所述投影仪电连接。
可选的，该细胞划痕装置还包括图像观察装置，所述图像观察装置包括显微镜、CCD摄像头和第二计算机；所述显微镜的物镜位于所述上层玻璃的正上方，所述CCD摄像头安装于所述显微镜的目镜上；所述第二计算机与所述CCD摄像头电连接。
可选的，该细胞划痕装置还包括三维移动平台；所述三维移动平台用于承载所述细胞划痕芯片；所述三维移动平台上集成有温控系统；所述三维移动平台和所述温控系统均与所述第一计算机电连接。
可选的，该细胞划痕装置还包括微泵；所述微泵一端与溶液连接，另一端与所述上层玻璃上的溶液入口连接。
本发明还公开一种细胞划痕方法，应用于上述的细胞划痕装置；所述细胞划痕方法包括：
通过所述上层玻璃的溶液入口向所述细胞划痕芯片中通入含有完全培养基细胞溶液；
将所述细胞划痕芯片中的温度调整为37摄氏度；
每三个小时更换一次培养基，直到细胞贴壁长满所述下层玻璃；
利用等渗溶液将培养基冲走；
对所述上层玻璃和所述下层玻璃施加交流电；
利用所述图像生成装置生成预设图案，并投影到所述下层玻璃的预设位置，使投影区域的细胞裂解，形成细胞划痕区域；
移动所述细胞划痕芯片并改变所述预设图案进行投影，形成多个细胞划痕区域。
可选的，在所述移动所述细胞划痕芯片并改变所述预设图案进行投影，形成多个细胞划痕区域之后，还包括：
观察细胞向细胞划痕区域的迁移行为。
可选的，所述等渗溶液为包含有5％的葡萄糖溶液的溶液，所述预设图案的光斑强度为3.2W/cm2，所述交流电的电压幅值为24V，频率为8.5kHz。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的一种细胞划痕芯片、装置及方法，通过在导电玻璃上沉积氢化非晶硅制作细胞培养芯片，使得芯片在通电后，利用氢化非晶硅在光照下电导率升高的原理，使光照区域和非光照区域的细胞和溶液具有不同的分压电压，进而形成非均匀电场使得细胞裂解。本发明的细胞划痕芯片、装置及方法可以通过控制光图案来确定划痕的图案，使得划痕图案不受培养装置的图案的限制，在需要形成特定图案的划痕时，无需制作具有特定图案的培养装置，使用方便，节约成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，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，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明细胞划痕芯片实施例的芯片结构图；
图2为本发明细胞划痕装置实施例的装置结构图；
图3为本发明细胞划痕装置实施例中采用该细胞划痕装置进行划痕实验的实验步骤示意图；
图4为本发明细胞划痕方法实施例的方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明细胞划痕芯片实施例的芯片结构图。
参见图1，该细胞划痕芯片1，包括：上层玻璃2和下层玻璃3；所述上层玻璃和下层玻璃均为导电玻璃；所述上层玻璃的边缘与所述下层玻璃的边缘密封连接；所述上层玻璃上开设两个通孔，分别为溶液入口4和溶液出口5，用于溶液的进入与排出；所述下层玻璃上表面沉积有氢化非晶硅6。
所述上层玻璃的边缘与所述下层玻璃的边缘通过双面胶20密封连接。
图2为本发明细胞划痕装置实施例的装置结构图。
本发明提供的细胞划痕装置主要利用非均匀电场能够在细胞膜表面诱导产生跨膜电势的原理，当细胞膜的跨膜电压大于1V时，细胞膜则可发生不可逆的电穿孔，用于实现细胞的裂解。利用非均匀电场诱导细胞膜产生跨膜电压的原理可由下述公式描述：
其中τ＝aCmember(ρint+ρext/2)
跨膜电压；
a：细胞半径；
Eappl：电场强度；
θ：电场线垂直方向与细胞之间的夹角；
ω：交流电角频率；
Cmember：细胞膜电容；
ρint：细胞内部介质电导率
ρext：细胞外部介质电导率；
当跨膜电压高于1V，发生细胞膜的不可逆电穿孔，随后发生裂解。
要实现原位动态化的细胞裂解，其关键在于能够程序化地控制非均匀电场的区域和大小。本发明中利用光敏材料氢化非晶硅能够在光照的作用下产生大量电子空穴对，电导率能有几个数量升高的特点，构建了一套可用于实现细胞连续培养、原位动态化细胞划痕、细胞迁移观察的装置。该装置的核心部分是细胞划痕芯片，是由以沉积有氢化非晶硅的导电玻璃为材料的上层玻璃、细胞生长腔室以及以导电玻璃为材料的下层玻璃组成的三明治结构。在实现细胞原位动态化划痕时，在上层玻璃和下层玻璃上施加一定频率的交流电压，同时在指定裂解的细胞区域照射光斑。其原理是由于光照原因使得局部照射的氢化非晶硅的电导率升高且远远高于其周围无光照射的区域，使得光照区域的细胞和溶液与无光照区域的细胞和溶液具有不同的分压电压，进而形成了非均匀电场使得细胞裂解。由于可以程序化动态化地改变光斑的位置和大小，因此可以程序化动态化地改变非均匀电场的区域，进而实现原位动态化的细胞划痕。
参见图2，该细胞划痕装置，具体包括信号发生器7、图像生成装置8、图像观察装置9、三维移动平台10、微泵11和细胞划痕芯片1。
所述细胞划痕芯片1包括上层玻璃2和下层玻璃3；所述上层玻璃和下层玻璃均为导电玻璃；所述上层玻璃的边缘与所述下层玻璃的边缘密封连接；所述上层玻璃上开设两个通孔，分别为溶液入口4和溶液出口5，分别用于溶液的进入与排出；所述下层玻璃上表面沉积有氢化非晶硅6。
所述信号发生器7一端与所述上层玻璃2电连接，另一端与所述下层玻璃3电连接，用于对所述上层玻璃2和所述下层玻璃3施加交流电；所述图像生成装置8用于产生图案并将所述图案投影到所述下层玻璃3的下表面。
所述图像生成装置8包括聚光透镜12、投影仪13和第一计算机14；所述投影仪13的放映镜头正对所述下层玻璃3的下表面；所述聚光透镜12安装在所述投影仪13的放映镜头上；所述第一计算机14与所述投影仪13电连接。
所述图像观察装置9包括显微镜15、CCD摄像头16和第二计算机17；所述显微镜15的物镜位于所述上层玻璃2的正上方，所述CCD摄像头16安装于所述显微镜15的目镜上；所述第二计算机17与所述CCD摄像头16电连接。
所述三维移动平台10用于承载所述细胞划痕芯片1；所述三维移动平台上集成有温控系统(图中未示出)；所述三维移动平台10和所述温控系统均与所述第一计算机14电连接。所述温控系统用于控制所述细胞划痕芯片1内的温度。所述三维移动平台10用于调整所述细胞划痕芯片1的位置，使图像生成装置8的光斑照射到所述细胞划痕芯片1的指定位置上。
所述微泵11一端与溶液18连接，另一端与所述上层玻璃2上的溶液入口4连接。所述微泵11通过微流控管道19向所述溶液入口4注入溶液18。
图3为本发明细胞划痕装置实施例中采用该细胞划痕装置进行划痕实验的实验步骤示意图。
参见图3，本发明中利用该细胞划痕装置或细胞划痕芯片进行划痕实验的实验步骤为：
A：利用微泵11，将含有完全培养基的细胞溶液注入细胞划痕芯片1中，使细胞悬浮在细胞划痕芯片1内。
B：将细胞划痕芯片1放在具有温控系统的三维移动平台10上，将培养条件设置为温度37℃、二氧化碳浓度5％，并定期更换培养基等待细胞贴在细胞划痕芯片1底部。需要经过约24小时，细胞才会贴满细胞划痕芯片1底部。
C：利用微泵11，将等渗溶液(5％葡萄糖+0.2％牛血清白蛋白)注入到细胞划痕芯片1中，用于冲洗掉细胞划痕芯片1中的完全培养基；所述等渗溶液通过的时间为30秒。
D：利用图像生成装置8将设计的图案投影到细胞划痕芯片1上，设置光强3.2W/cm2，波形发生器输出电压为24V，频率为8.5kHz，诱导图案照射区域的细胞裂解。
E：控制三维移动平台10移动从而改变照射区域，改变设计图案从而改变划痕图案，实现多区域多图案的细胞划痕。
F：通入细胞完全培养基，将细胞划痕芯片1中的细胞裂解碎片冲走；
G：继续对细胞进行动态培养，利用图像观察装置9实时采集图像，观察、记录、分析细胞迁移过程。
本发明提供的一种细胞划痕芯片和装置，通过在导电玻璃上沉积氢化非晶硅制作细胞培养芯片，使得芯片在通电后，利用氢化非晶硅在光照下电导率升高的原理，使光照区域和非光照区域的细胞和溶液具有不同的分压电压，进而形成非均匀电场使得细胞裂解。本发明的细胞划痕芯片和装置可以通过控制光图案来确定划痕的图案，使得划痕图案不受培养装置的图案的限制，在需要形成特定图案的划痕时，无需制作具有特定图案的培养装置，使用方便，节约成本。
图4为本发明细胞划痕方法实施例的方法流程图。
该细胞划痕方法，应用于上述的细胞划痕装置。参见图4，该细胞划痕方法包括：
步骤401：通过所述上层玻璃的溶液入口向所述细胞划痕芯片中通入含有完全培养基细胞溶液。
步骤402：将所述细胞划痕芯片中的温度调整为37摄氏度。
步骤403：每三个小时更换一次培养基，直到细胞贴壁长满所述下层玻璃。
步骤404：利用等渗溶液将培养基冲走。
步骤405：对所述上层玻璃和所述下层玻璃施加交流电。
步骤406：利用所述图像生成装置生成预设图案，并投影到所述下层玻璃的预设位置，使投影区域的细胞裂解，形成细胞划痕区域。
步骤407：移动所述细胞划痕芯片并改变所述预设图案进行投影，形成多个细胞划痕区域。
步骤408：观察细胞向细胞划痕区域的迁移行为。
所述等渗溶液为包含有5％的葡萄糖溶液的溶液，所述预设图案的光斑强度为3.2W/cm2，所述交流电的电压幅值为24V，频率为8.5kHz；所述等渗溶液通过的时间为30秒。
本发明提供的一种细胞划痕方法，利用沉积有氢化非晶硅的导电玻璃作为细胞培养芯片，使得芯片在通电后，利用氢化非晶硅在光照下电导率升高的原理，使光照区域和非光照区域的细胞和溶液具有不同的分压电压，进而形成非均匀电场使得细胞裂解。本发明的细胞划痕方法可以通过控制光图案来确定划痕的图案，使得划痕图案不受培养装置的图案的限制，在需要形成特定图案的划痕时，无需制作具有特定图案的培养装置，使用方便，节约成本。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种细胞划痕芯片，其特征在于，包括：上层玻璃和下层玻璃；所述上层玻璃和下层玻璃均为导电玻璃；所述上层玻璃的边缘与所述下层玻璃的边缘密封连接；所述上层玻璃上开设两个通孔，用于溶液的进入与排出；所述下层玻璃上表面沉积有氢化非晶硅；
在所述上层玻璃之间与所述下层玻璃之间施加交流电使上层玻璃与下层玻璃之间产生非均匀电场，所述交流电的电压幅值为24V，频率为8.5kHz。
2.根据权利要求1所述的一种细胞划痕芯片，其特征在于，所述上层玻璃的边缘与所述下层玻璃的边缘通过双面胶密封连接。
3.一种细胞划痕装置，其特征在于，包括信号发生器、图像生成装置和细胞划痕芯片；
所述细胞划痕芯片包括上层玻璃和下层玻璃；所述上层玻璃和下层玻璃均为导电玻璃；所述上层玻璃的边缘与所述下层玻璃的边缘密封连接；所述上层玻璃上开设两个通孔，分别用于溶液的进入与排出；所述下层玻璃上表面沉积有氢化非晶硅；
所述信号发生器连接在所述上层玻璃和所述下层玻璃上，用于对所述上层玻璃和所述下层玻璃施加交流电；所述图像生成装置用于产生图案并将所述图案投影到所述下层玻璃的下表面；
所述交流电的电压幅值为24V，频率为8.5kHz。
4.根据权利要求3所述的一种细胞划痕装置，其特征在于，所述图像生成装置包括聚光透镜、投影仪和第一计算机；所述投影仪的放映镜头正对所述下层玻璃的下表面；所述聚光透镜安装在所述投影仪的放映镜头上；所述第一计算机与所述投影仪电连接。
5.根据权利要求3所述的一种细胞划痕装置，其特征在于，还包括图像观察装置，所述图像观察装置包括显微镜、CCD摄像头和第二计算机；所述显微镜的物镜位于所述上层玻璃的正上方，所述CCD摄像头安装于所述显微镜的目镜上；所述第二计算机与所述CCD摄像头电连接。
6.根据权利要求4所述的一种细胞划痕装置，其特征在于，还包括三维移动平台；所述三维移动平台用于承载所述细胞划痕芯片；所述三维移动平台上集成有温控系统；所述三维移动平台和所述温控系统均与所述第一计算机电连接。
7.根据权利要求3所述的一种细胞划痕装置，其特征在于，还包括微泵；所述微泵一端与溶液连接，另一端与所述上层玻璃上的溶液入口连接。
8.一种细胞划痕方法，其特征在于，应用于如权利要求3-7中任意一项所述的细胞划痕装置；所述细胞划痕方法用于非诊断治疗目的；所述细胞划痕方法包括：
通过所述上层玻璃的溶液入口向所述细胞划痕芯片中通入含有完全培养基细胞溶液；
将所述细胞划痕芯片中的温度调整为37摄氏度；
每三个小时更换一次培养基，直到细胞贴壁长满所述下层玻璃；
利用等渗溶液将培养基冲走；
对所述上层玻璃和所述下层玻璃施加交流电；
利用所述图像生成装置生成预设图案，并投影到所述下层玻璃的预设位置，使投影区域的细胞裂解，形成细胞划痕区域；
移动所述细胞划痕芯片并改变所述预设图案进行投影，形成多个细胞划痕区域。
9.根据权利要求8所述的一种细胞划痕方法，其特征在于，在所述移动所述细胞划痕芯片并改变所述预设图案进行投影，形成多个细胞划痕区域之后，还包括：
观察细胞向细胞划痕区域的迁移行为。
10.根据权利要求8所述的一种细胞划痕方法，其特征在于，所述等渗溶液为包含有5％的葡萄糖溶液的溶液，所述预设图案的光斑强度为3.2W/cm2，所述交流电的电压幅值为24V，频率为8.5kHz。
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