CN107955775A - 一种仿生多能生物界面体系的微流控芯片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种仿生多能生物界面体系的微流控芯片及其制备方法，该微流控芯片主要由顶层芯片、多孔滤膜、底层芯片组成，多孔滤膜通过不可逆封接顶层芯片的下表面，封有顶层芯片的多孔滤膜下表面通过PDMS与底层芯片的上表面粘合封接；该制备方法制得的微流控芯片具有多界面构造，可以模拟构建多种生物界面，可应用于细胞共培养、构建细胞屏障、药物的ADME研究、细胞迁移等研究。

Description

一种仿生多能生物界面体系的微流控芯片及其制备方法
技术领域
本发明涉及微流控芯片制备的领域，具体涉及一种仿生多能生物界面体系的微流控芯片及其制备方法。
背景技术
动物实验在现代医学与生物学中占据了极为重要的位置，但是经费以及动物伦理也成了难以回避的问题。结合微流控技术与生物科学技术，创造出了一种“器官芯片”，能够用微芯片复制人体器官的功能，使医学实验变得更为简便。构建器官芯片，尤其整合多器官芯片再现人体复杂的体内环境及其器官间的相互作用是未来科学的大势所趋，这就需要构建多层次的生物界面来实现。
Transwell实验技术，传统方法是将Transwell小室放入培养板中，小室内称上室，培养板内称下室，上室内盛装上层培养液，下室内盛装下层培养液，上下层培养液以聚碳酸酯膜相隔。我们将细胞种在上室内，由于聚碳酸酯膜有通透性，下层培养液中的成分可以影响到上室内的细胞，从而可以研究下层培养液中的成分对细胞生长、运动等的影响。这是一种单层次的生物界面，并且Transwell实验仅能进行简单地静态实验，不能实现复杂的实验设计，限制了它的应用。
微流控芯片实验室又称芯片实验室或微流控芯片，指的是把生物和化学等领域中所涉及的样品制备、反应、分离、检测、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。微流控芯片技术作为一门迅速发展起来的科学技术，已经在生物医学领域展现了其独特的优势，更因其同细胞尺寸匹配、环境同生理环境相近、在时间和空间维度上能够提供更为精确的操控，易于通过灵活设计实现多种细胞功能研究等特点而成为新一代生物仿生和细胞研究的重要平台。但微流控芯片又难以实现Transwell实验的功能，在药物ADME研究、细胞迁移等研究中受到了极大的限制。
目前，利用微流控技术构建多层次的生物界面进行多细胞、多器官水平的相关研究分析还处于空白阶段，如能实现在生物学研究及医药研发中具有极大的应用前景。
发明内容
本发明提供的一种仿生多能生物界面体系的微流控芯片及其制备方法，制得的微流控芯片具有多层次的生物界面，可应用于细胞共培养、构建生物屏障，药物的ADME研究、细胞迁移等生物学研究。
一种仿生多能生物界面体系的微流控芯片，该微流控芯片主要由顶层芯片、多孔滤膜、底层芯片组成，多孔滤膜通过不可逆封接顶层芯片的下表面，封有顶层芯片的多孔滤膜下表面通过PDMS与底层芯片的上表面粘合封接；
所述顶层芯片由顶层芯片主通道和顶层芯片主通道入口连接而成；
所述底层芯片由左侧主通道、右侧主通道、胶原通道、胶原通道入口、底层芯片左侧主通道入口以及底层芯片右侧主通道入口组成，胶原通道左连左侧主通道，右连右侧主通道；
所述顶层芯片主通道通过多孔滤膜下连底层芯片左侧主通道；底层芯片左侧主通道通过多孔滤膜上连顶层芯片主通道，右连胶原通道；
多孔滤膜的上表面与下表面，底层芯片两个主通道的两个表面，胶原通道左、右两个侧面，都可以接种细胞，以实现相应的生物界面构建。
孔滤膜的两个表面以及胶原通道的两个侧面因为具有通透性，可以模拟构建屏障、通透功能。
所述底层芯片的左侧主通道为直线形、弯线形或其他结构，所述底层芯片的右侧主通道为直线形、弯线形或其他结构，所述底层芯片细胞胶原通道为“丰”字形，在胶原通道中间的位置上为胶原通道连通结构，胶原通道通过胶原通道连通结构与左侧通道和右侧通道相连接，胶原通道连通结构的数量为1～10个。
所述底层芯片是由高度不同的两部分组成，左侧主通道、右侧主通道高度为200-500μm，胶原通道高度为80-200μm，主通道高度：胶原通道高度为1～3:1。
一种仿生多能生物界面体系的微流控芯片的制备方法，按照以下步骤进行：
多孔滤膜置于玻片上紫外活化1小时，硅烷化处理30分钟，与顶层芯片一同进行氧等离子封接，置80度烘箱，30分钟；
使用单体与引发剂比例为20:1的PDMS聚合物，在玻片上甩10um-50um厚，底层芯片上表面蘸取薄PDMS后，与封接有顶层芯片的多孔滤膜对齐粘合，80度，30分钟固化完全。
一种仿生多能生物界面体系的微流控芯片的应用，该芯片可用于细胞共培养、构建生物屏障，药物的ADME研究、细胞迁移等生物学研究。
本发明提供的一种仿生多能生物界面体系的微流控芯片的应用，多孔滤膜的上表面与下表面，底层芯片两个通道的两个表面，胶原通道的两个侧面，都可以接种细胞，以实现相应的生物界面构建。可以建立如肝、肾、肠、血管、血脑屏障，胎盘屏障等生物界面。
本发明提供的一种仿生多能生物界面体系的微流控芯片的应用，在胶原通道侧面接种细胞时，需要侧立培养以实现细胞在胶原界面的贴附生长。
本发明提供的一种仿生多能生物界面体系的微流控芯片，芯片可以根据实验设计制成不同形状、结构的通道。微流控芯片具有多界面构造，可以模拟构建多种生物界面，可应用于细胞共培养、构建细胞屏障、药物的ADME研究、细胞迁移等研究。
附图说明
图1本发明多能生物界面体系的微流控芯片制作流程图；
图2本发明微流控芯片示意图；a底层芯片胶原通道结构示意图；b底层芯片主通道结构示意图；c底层芯片俯视示意图；d顶层肝芯片结构示意图；e芯片整体结构俯视示意图；f芯片横截面示意图；g芯片实物示意图；
其中：1顶层芯片主通道，2多孔滤膜，3底层芯片左侧主通道，4底层芯片右侧主通道，5胶原通道，6胶原通道入口，7胶原通道连通结构，8底层芯片左侧主通道入口，9底层芯片右侧主通道入口，10顶层芯片主通道入口；
图3本发明微流控芯片效果图；a加入染料1小时效果图；b加入染料2小时效果图；c加入染料4小时效果图。
具体实施方式
下面的实施例将对本发明予以进一步的说明，但并不因此而限制本发明。
实施例1
芯片示意
一种仿生多能生物界面体系的微流控芯片如图2所示，该微流控芯片主要由顶层芯片、多孔滤膜、底层芯片组成，多孔滤膜通过不可逆封接顶层芯片的下表面，封有顶层芯片的多孔滤膜下表面通过PDMS与底层芯片的上表面粘合封接；
所述顶层芯片由顶层芯片主通道1和顶层芯片主通道入口10连接而成；
所述底层芯片由左侧主通道3、右侧主通道4、胶原通道5、胶原通道入口6、底层芯片左侧主通道入口8以及底层芯片右侧主通道入口9组成，胶原通道5左连左侧主通道3，右连右侧主通道4；
所述顶层芯片主通道1通过多孔滤膜2下连底层芯片左侧主通道3；底层芯片左侧主通道3通过多孔滤膜2上连顶层芯片主通道1，右连胶原通道5；
所述底层芯片的左侧主通道3为直线形，所述底层芯片的右侧主通道4为直线形，所述底层芯片细胞胶原通道5为“丰”字形，在胶原通道中间的位置上为胶原通道连通结构7，胶原通道通过胶原通道连通结构7与左侧通道3和右侧通道4相连接，胶原通道连通结构的数量为3个。
所述底层芯片是由高度不同的两部分组成，左侧主通道3、右侧主通道4高度为300μm，胶原通道5高度为100μm。
制作方法如图1所示。多孔滤膜2置于玻片上紫外活化1小时，硅烷化处理30分钟，与顶层芯片一同进行氧等离子封接，置80度烘箱，30分钟。使用单体与引发剂比例为20:1的PDMS聚合物，在玻片上甩10um-50um厚，底层芯片上表面蘸取薄PDMS后，与封接有顶层芯片的多孔滤膜2对齐粘合，80度，30分钟固化完全。使用绿色染料灌注胶原通道5，待染料固化后，使用黄色染料灌注底层芯片左侧主通道3，蓝色染料灌注底层芯片右侧主通道4，待染料固化后，使用红色染料灌注顶层芯片通道1。顶层芯片通道1通过多孔滤膜与底层芯片左侧主通道3相连通，底层芯片左侧主通道3通过胶原通道5与底层芯片右侧主通道4相连通。在多孔滤膜2的上下两个表面，底层芯片左侧主通道3表面，底层芯片右侧主通道3表面，胶原通道5两个侧面都可以接种细胞形成生物界面。
实施例2
芯片通透效果
制作微流控芯片，于胶原通道5灌注胶原，待固化后，在各个通道灌注PBS缓冲液，在顶层芯片通道1加入红色染料，照相，如图3a所示；加入染料静置2小时后拍照，红色染料已渗透至底层芯片左侧主通道3，如图3b所示；加入染料静置4小时后拍照，红色染料已充满底层芯片左侧主通道3，大量渗透至底层芯片右侧主通道4，如图3c所示。体系具有较好的通透性，具备形成较好的生物界面的功能。

Claims (6)

1.一种仿生多能生物界面体系的微流控芯片，其特征在于：该微流控芯片主要由顶层芯片、多孔滤膜、底层芯片组成，多孔滤膜通过不可逆封接顶层芯片的下表面，封有顶层芯片的多孔滤膜下表面通过PDMS与底层芯片的上表面粘合封接；
所述顶层芯片由顶层芯片主通道(1)和顶层芯片主通道入口(10)连接而成；
所述底层芯片由左侧主通道(3)、右侧主通道(4)、胶原通道(5)、胶原通道入口(6)、底层芯片左侧主通道入口(8)以及底层芯片右侧主通道入口(9)组成，胶原通道(5)左连左侧主通道(3)，右连右侧主通道(4)；
所述顶层芯片主通道(1)通过多孔滤膜(2)下连底层芯片左侧主通道(3)；底层芯片左侧主通道(3)通过多孔滤膜(2)上连顶层芯片主通道(1)，右连胶原通道(5)；
多孔滤膜的上表面与下表面，底层芯片两个主通道的两个表面，胶原通道左、右两个侧面，都可以接种细胞，以实现相应的生物界面构建。其中，多孔滤膜的两个表面以及胶原通道的两个侧面都可以模拟构建屏障、通透功能。
2.按照权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于：所述底层芯片的左侧主通道(3)为直线形、弯线形或其他结构，所述底层芯片的右侧主通道(4)为直线形、弯线形或其他结构，所述底层芯片细胞胶原通道(5)为“丰”字形，在胶原通道中间的位置上为胶原通道连通结构(7)，胶原通道通过胶原通道连通结构(7)与左侧通道(3)和右侧通道(4)相连接，胶原通道连通结构的数量为1～10个。
3.按照权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于：所述底层芯片是由高度不同的两部分组成，左侧主通道(3)、右侧主通道(4)高度为200-500μm，胶原通道(5)高度为80-200μm，主通道高度：胶原通道高度为1～3:1。
4.按照权利要求1所述的一种仿生多能生物界面体系的微流控芯片的制备方法，其特征在于按照以下步骤进行：
多孔滤膜置于玻片上紫外活化1小时，硅烷化处理30分钟，与顶层芯片一同进行氧等离子封接，置80度烘箱，30分钟；
使用单体与引发剂比例为20:1的PDMS聚合物，在玻片上甩10um-50um厚，底层芯片上表面蘸取薄PDMS后，与封接有顶层芯片的多孔滤膜对齐粘合，80度，30分钟固化完全。
5.按照权利要求1所述的一种仿生多能生物界面体系的微流控芯片的应用，其特征在于该芯片可用于细胞共培养、构建生物屏障，药物的ADME研究、细胞迁移等生物学研究。
6.按照权利要求5所述的一种仿生多能生物界面体系的微流控芯片的应用，其特征在于在胶原通道侧面接种细胞时，需要侧立培养以实现细胞在胶原界面的贴附生长。
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