CN108537333B - 一种集成微流控神经网络芯片及仿生实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成微流控神经网络芯片及仿生实现方法，所述芯片的流动层设有微腔阵列、连接管道网络、两组传输管道网络以及出入口；两组传输管道网络分别位于微腔阵列上下端并与微腔阵列连通，控制层包括传输阀、连接阀、进气管道以及进气入口，连接阀设于相邻两组微腔之间的连接管道正下方，两个出入口传输管道对应的传输阀分别位于出口侧、入口侧；任意两组微腔之间，与任一组微腔连通的每个微腔传输管道上的传输阀中至少存在一个传输阀与另一组微腔的微腔传输管道上的所有传输阀均不是连通同一进气入口。基于上述结构的芯片可实现阵列化细胞定位接种、神经网络仿生构建、单组微腔区域的神经细胞与神经网络的生化刺激处理及样本回收操作。

Description

一种集成微流控神经网络芯片及仿生实现方法

技术领域

本发明属于微流控芯片技术领域，具体涉及一种集成微流控神经网络芯片及仿生实现方法。

背景技术

大脑作为神经系统的中枢，是脊椎动物最复杂的器官。深入开展大脑神经研究，是揭示大脑奥秘、了解生理和病理环境下神经相关细胞功能作用与机理，进而合理进行神经临床治疗的关键性前提。神经细胞活动是一个实时动态的生命过程，包括基于神经网络的机体功能调控等生理过程以及脑疾病诱发神经损伤等病理过程。常规体内研究模式直接使用动物体作为研究对象，能够获得更加真实可靠的、更能体现动物机体内细胞功能与行为活动的试验信息。尽管如此，常规体内研究模式往往无法很好地实现对细胞活动的实时观察与分析，缺乏有效的动态监测能力。传统的体外神经细胞培养技术，尤其是神经元的培养，实现了神经细胞对诸多刺激的应答性研究。然而，这些经典的神经生物学研究方法还是处于一种宏观界面的操作水平，很难实现对神经细胞网络的精确定位操作控制与分析。因此，开发具有替代性的微观界面研究方法，实现快捷、实时动态、高度精确的神经细胞与神经网络仿生操作及分析，对于大脑神经探索研究是至关重要的，并将有助于改善目前这种神经细胞生命探索进度仍不尽如人意的研究局面。

微流控芯片技术，是一种微流体界面精确操作技术。微流控芯片的特点在于，它可以实现常规实验室诸多基本功能的微型化和集成化；尤其是微流控芯片技术能够完成在微米级尺度下对细胞的时间与空间控制。目前，基于微流控芯片技术建立的各种神经芯片系统多为单管道或双管道芯片结构，仅仅能够开展小范围的神经细胞培养和神经血管界面相关研究，而不能完成芯片内脑仿生式神经网络的时间与空间精确控制性操作与分析研究。因此，开发一种基于体外神经网络仿生构建的集成微流控芯片系统有利于推动体外神经生物学研究的微型化与仿生化发展。

发明内容

本发明的目的是提供一种集成微流控神经网络芯片及仿生实现方法，可以通过操作神经网络芯片实现体外神经网络仿生，且操作简单、快捷。

一种集成微流控神经网络芯片，其特征在于：包括流动层和控制层；

其中，所述流动层设有微腔阵列、连接管道网络、两组传输管道网络以及出入口；

所述微腔阵列设有n组微腔，每组微腔设有m列微腔，每列微腔设有3个以上微腔，所述连接管道网络的管道连通相邻微腔，所述两组传输管道网络分别位于所述微腔阵列上下端并与微腔阵列连通，每组传输管道网络包括一个出入口传输管道以及与出入口传输管道连通的Q个微腔传输管道，每组微腔的上下端均与至少一个微腔传输管道连通，每个出入口传输管道连接至少一个入口和至少一个出口；

所述控制层包括传输阀、连接阀、进气管道以及进气入口，不同组的传输阀和连接阀均通过不同进气管道连通不同进气入口；

其中，连接阀设于相邻两组微腔之间的连接管道正下方，每个微腔传输管道以及两个出入口传输管道正下方均对应设有至少一个所述传输阀，所述两个出入口传输管道对应的传输阀分别位于出口侧、入口侧；在任意两组微腔之间，与任一组微腔连通的每个微腔传输管道上的传输阀中至少存在一个传输阀与另一组微腔的微腔传输管道上的每个传输阀均不处于同一组传输阀中。

本发明的连接管道网络设于微腔阵列中，用于连通相邻微腔，相邻微腔包括左右相邻以及对角相邻。本发明的传输管道网络分布于微腔阵列的上下端，微腔阵列中的微腔通过传输管道网络与芯片流动层的出入口连通。本发明中的传输阀与流动层的传输管道自下而上重叠对应，连接阀与流动层中各微腔阵列组间的连接管道自下而上重叠对应，其中，传输阀以及连接阀均是通过对应进气入口进行开启或关闭的操作。本发明通过巧妙地设置连接阀与传输阀在芯片中定位实现多功能的仿生需要。

1、两个出入口传输管道对应的传输阀分别位于出口侧、入口侧，即一个出入口传输管道的出口侧对应一个传输阀，另一个出入口传输管道的入口侧对应一个传输阀，则同时开启两个出入口传输管道对应的传输阀时，使得微腔阵列上端和下端分别保留一个出口端或入口端，进而从入口注入溶液时，溶液将流向微腔阵列中的微腔，再从出口流出。

2、在任意两组微腔之间，与一组微腔连通的每个微腔传输管道上的传输阀中至少存在一个传输阀与另一组微腔的微腔传输管道上的每个传输阀均不处于同一组传输阀中。本发明中每组传输阀和每组连接阀均通过进气管道连通一个进气入口，不同组的传输阀或连接阀对应的进气入口不同，故基于上述结构可以实现对单组微腔进行研究时，通过进气入口将待研究的单组微腔所连通的微腔传输管道上的传输阀关闭，而再通过进气入口开启其他各组微腔的微腔连通管道上的至少一个传输阀，进而关闭了其他各组微腔的流通路径，仅仅保留待研究的单组微腔的流通路径。

3、连接阀设于相邻两组微腔之间的连接管道下方，可以有效地隔绝相邻各组微腔之间的流通，以便对单组微腔中的细胞进行研究分析。

本发明的集成微流控神经网络芯片通过微腔阵列、连接管道网络以及传输管道网络构成一个阵列网络，满足神经网络研究需要，即可以实现阵列化细胞定位接种、神经网络仿生构建、单组微腔区域的神经细胞与神经网络的生化刺激处理及样本回收操作。其中，通过在进气口施加外源气压可以使对应的连通的传输阀或连通阀开启，进而关闭对应的管道，因此，本发明基于连接管道网络、传输管道网络、传输阀以及连接阀的巧妙设置可以控制不同的连接管道、传输管道导通或不导通，进而可以实现针对微腔阵列中特定区域灌注溶液以实现仿生操作。

进一步优选，相邻两组微腔之间的所有传输阀构成一组连接阀，所述连接阀的组数为n-1，每组连接阀通过一个进气管道与一个进气入口连通。

进一步优选，所述微腔和所述传输管道网络中传输管道的高度均为15-100μm，所述连接管道网络中管道的高度为1-10μm，所述传输阀和连接阀的管道高度为20-50μm。

进一步优选，每组微腔的上下端均连通一个微腔传输管道，每组传输管道网络中微腔传输管道的数量Q等于n，每个微腔传输管道上设有m个管道细分支，每个管道细分支连通一组微腔中的一列微腔。

进一步优选，所述微腔阵列中微腔组数n的取值范围为[3，10]，每组微腔的列数m的取值范围为[1，6]。

本发明中流动层的出、入口数量的取值范围均为[2，6]，例如将出入口传输管道的出口分岔为多个出口，以便灌注不同的溶液。

进一步优选，所述控制层中传输阀的组数的取值范围为[5，10]，每组传输阀上传输阀的数量的取值范围为[1，5]。

本发明中所述芯片的制备材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，与涂有PDMS聚合物的玻璃或透明塑料材料进行不可逆封接，从而确保所使用微流控芯片质量以及芯片内各个微功能单元的完整性。

另一方面，本发明还提供一种应用上述所述芯片的仿生实现方法，包括如下步骤：

S1：往与两个出入口传输管道上的传输阀连通的进气入口施加外源气压，使两个出入口传输管道上对应的传输阀开启，关闭所有连接阀以及微腔传输管道对应的传输阀；

S2：注入含细胞黏附物的溶液，使含细胞黏附物的溶液进入微腔阵列以完成对微腔内表面进行细胞黏附修饰；

其中，含细胞黏附物的溶液的流速的取值范围为[3，25]μL/min；

S3：再灌注新鲜细胞培养液，清洗微腔；

S4：灌注神经细胞悬液，使神经细胞进入不同阵列组的微腔，并黏附于微腔内表面；

其中，神经细胞悬液的细胞密度的取值范围为[2×10⁵-1×10⁷]个/mL；

S5：开启微腔传输管道对应的所有传输阀，关闭两个出入口传输管道上对应的传输阀，再灌注新鲜细胞培养液，清洗管道，实现神经细胞的定位接种。

S1的目的是使得微腔阵列上端和下端分别保留一个出口端或入口端，以及流动层中的管道流通是通畅的，进而从入口注入溶液时，溶液将流向微腔阵列中的微腔，再从出口流出。S5的目的是使微腔阵列中所有的微腔传输管道不导通，并使出入口传输管道导通，进而可以清洗出入口传输管道。

所述细胞黏附物为多聚赖氨酸、胶原蛋白、纤维连接蛋白、层粘连蛋白、基质胶及其它已知的细胞黏附蛋白或促细胞黏附聚合物。

进一步优选，还包括执行步骤S6-S7以完成神经网络仿生构建；

S6：开启两个出入口传输管道上对应的传输阀，并关闭所有连接阀以及微腔传输管道对应的传输阀；

S7：灌注新鲜细胞培养液，进行5-30天的细胞培养，使神经细胞突起生成并与其他神经细胞相互连接，形成神经网络以实现神经网络仿生构建。

S6的目的是微腔阵列中的连接管道以及微腔传输管道是保持畅通。

进一步优选，还包括对单组微腔中的神经细胞和神经网络进行生化处理，执行过程如下：

S8：关闭与待处理的单组微腔连通的微腔传输管道上的传输阀，并开启剩余各组微腔所连通的每个微腔传输管道上对应的至少一个传输阀，以及开启两个出入口传输管道上的传输阀，和开启待处理的单组微腔相邻两侧的连接阀；

S9：灌注生化刺激物处理所述待处理单组微腔区域内的神经细胞及神经网络，并进行实时在线分析。

S8的目的是使流动层中与该待处理的单组微腔连通的微腔传输管道保持畅通，使与其他各组微腔连通的微腔传输管道不导通，以及使该待处理的单组微腔与其他组微腔之间的连通管道是不导通。所述生化刺激物为各种哺乳动物体内存在或体外来源的细胞因子、生长因子、蛋白质、核酸、无机化合物、人工合成药物和天然提取化合物。

进一步优选，还包括对单组微腔中的神经细胞进行回收，执行过程如下：

S10：关闭与待处理的单组微腔连通的微腔传输管道上的传输阀，并开启剩余各组微腔所连通的每个微腔传输管道上对应的至少一个传输阀以及开启两个出入口传输管道上的传输阀，和开启待处理的单组微腔相邻两侧的连接阀；

S11：灌注缓冲液，使待处理的单组微腔中的神经细胞随缓冲液流出微腔；

其中，缓冲液的流速范围为[10，35]μL/min。

有益效果

与现有技术相比，本发明的优点有：本发明的集成微流控神经网络芯片通过微腔阵列、连接管道网络以及传输管道网络构成一个阵列网络，满足神经网络研究需求，可以实现阵列化细胞定位接种、神经网络仿生构建、单组微腔区域的神经细胞与神经网络的生化刺激处理及样本回收操作。相对于以往微流控神经细胞芯片，具有更好的神经网络体外仿生效果，且其在神经细胞和神经网络微型化操作方法方面具有更好的时间与空间控制性及灵活性，同时具有操作简单快捷、高效等特点，能够广泛用于各种脑神经网络相关的体外细胞操作与分析应用。其中，通过在进气口施加外源气压可以使对应的连通的传输阀或连通阀开启，进而关闭对应的管道，本发明基于连接管道网络、传输管道网络、传输阀以及连接阀的巧妙设置可以控制不同的连接管道、传输管道导通或不导通，进而可以实现针对微腔阵列中特定区域灌注溶液以实现仿生操作。

附图说明

图1为本发明集成微流控神经网络芯片的流动层和控制层平面结构示意图，其中1为流动层的主入口，2为流动层的副入口，3为流动层的副出口，4为流动层的主出口，5和6为传输管道网络，7和8为控制层中2个单传输微阀组对应的进气入口，9为控制层中6个多传输微阀组对应的6个进气入口，10为控制层中连接微阀对应的进气入口，11为流动层的一组微腔，12为单组连接微阀，13为微腔，14为连接管道，15为连接微阀。

图2为本发明集成微流控神经网络芯片内阵列化细胞定位接种与神经网络仿生构建过程中样品灌注示意图，其中211为进样入口，212为关闭状态的副入口，221为关闭状态的副出口，222为进样出口，231和232分别为开启状态的2个单传输微阀组，233、234、235、236、237和238分别为关闭状态的6个多传输微阀组，241、242、243、244、245、246和247分别为关闭状态的单组连接微阀。

图3为本发明集成微流控神经网络芯片内神经细胞接种示意图，其中31为细胞入口，32为细胞出口，33为单个神经细胞，34为关闭状态的连接微阀。

图4为本发明集成微流控神经网络芯片内传输管道清洗示意图，其中411和412为清洗液入口，421和422为清洗液出口，431和432分别为关闭状态的2个单传输微阀组，433、434、435、436、437和438分别为开启状态的6个多传输微阀组。

图5为本发明集成微流控神经网络芯片内神经细胞培养与神经网络形成示意图，其中51为培养的神经细胞，52为神经细胞突起，53为培养液入口，54为培养液出口。

图6为本发明集成微流控神经网络芯片内待处理单组微腔区域神经细胞与神经网络的生化刺激处理示意图，其中611为生化刺激物入口，621为生化刺激物出口，631为待处理的单组微腔，642和643分别为开启状态的单组连接微阀。

图7为待处理单组微腔区域神经细胞与神经网络的生化刺激处理局部放大示意图，其中71为生化刺激物进入，72为生化刺激物排出，73为开启状态的连接微阀，74为未进行生化刺激处理的神经细胞，75为未进行生化刺激处理的神经网络，76为生化刺激处理过的神经细胞。

图8为实施例3中集成微流控神经网络芯片内神经细胞与神经网络荧光标记图。

图9为本发明集成微流控神经网络芯片中待处理单组微腔区域内神经细胞样本回收操作示意图，其中91为未回收神经细胞，92为特定微腔阵列组的回收神经细胞，93为液流入口，94为液流出口。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明做进一步的说明，选用传输阀和连接阀为传输微阀和连接微阀为例进行说明，传输阀和连接阀均为气动控制的。

实施例1

如图1所示，本发明实施例1提供的一种集成微流神经网络芯片包括流动层和控制层，其中，流动层包括一个微腔阵列、1个连接管道网络、2组传输管道网络(5和6)、2个入口以及2个出口。微腔阵列包括8组微腔，每组微腔设有4列微腔(11)，每列微腔设有25个以上微腔(13)。连接管道网络的管道(14)连通相邻微腔(13)，位于相邻四个角的四个微腔(13)中相互之间均通过连接管道网络中的管道(14)连通。2组传输管道网络(5和6)分别位于微腔阵列上下端并与微腔阵列连通，每组传输管道网络(5或6)包括一个出入口传输管道以及与出入口传输管道连通的8个微腔传输管道，每组微腔的上下端均与一个微腔传输管道连通，每个出入口传输管道连接一个入口和一个出口。本实施例中，2个入口中位于微腔阵列上端的入口1为主入口，位于微腔阵列下端的入口2为副入口；2个出口中位于微腔阵列上端的出口3为副出口，位于微腔阵列下端的出口4为主出口。

请继续参看图1，控制层包括8组传输微阀、7组连接微阀、15个进气管道以及15个进气入口(7、8、9和10)，传输微阀和连接微阀均通过进气管道与进气入口(7、8、9和10)连通。其中，连接微阀(15)设于相邻两组微腔之间的连接管道正下方，相邻两组微腔之间的所有传输微阀构成一组连接微阀(12)，每组连接微阀(12)对应一个进气入口(10)，每组连接微阀(12)中包含25个连接微阀(15)。8组传输微阀包括2个单传输微阀组以及6个多传输微阀组，其中，连通同一进气入口的所有传输微阀构成一组传输微阀；2个单传输微阀组分别位于2个出入口传输管道，每个单传输微阀组中仅设有一个传输微阀，本实施例中，一个单传输微阀组中的传输微阀设于一个出入口传输管道的出口侧，其对应进气入口(7)，另一个单传输微阀组中的传输微阀设于另一个出入口传输管道的入口侧，其对应进气入口(8)。每个多传输微阀组中对应8个传输微阀，每个微腔传输管道正下方对应至少一个传输微阀，每个微腔传输管道上的阀布置如1所示，至少满足：在任意两组微腔之间，与任一组微腔连通的每个微腔传输管道上的传输微阀中至少存在一个传输微阀与另一组微腔的微腔传输管道上的每个传输微阀的进气入口不同，其中，所谓不是连通同一进气入口即不是位于同一个多传输微阀组。

本实施例中，微腔和传输管道网络中传输管道的高度均为35μm，所述连接管道网络中管道的高度为5μm；所述传输微阀和连接微阀的管道高度为20μm。

应当理解，本发明的集成微流控神经网络芯片不限于本发明实施例的结构，本实施例1只是本发明的集成微流控神经网络芯片的一个具体实例，其他可行的实施例中，微腔阵列中微腔组数n、每组微腔的列数m、每列微腔中微腔的数量、传输微阀的组数、每组传输微阀上传输微阀的数量均可以取其他数值。

实施例2：

基于实施例1的集成微流控神经网络芯片，本发明提供应用上述芯片的仿生实现方法，其中，细胞样品为哺乳动物源神经细胞和神经干细胞。实现神经细胞的定位接种的过程如下：

S1：往与两个出入口传输管道上的传输微阀连通的进气入口(7和8)施加外源气压(25-35psi)，使两个出入口传输管道上的传输微阀(231和232)开启，关闭7组连接微阀(241、242、243、244、245、246和247)以及微腔传输管道的6个多传输微阀组(233、234、235、236、237和238)，在其对应的进气入口不施加外源气压。

使得如图2中，流动层中副入口(212)和副出口(221)关闭、主入口(211)和主出口(222)开启、并使流动层中其他管道保持通畅。

S2：在流速范围为5μL/min条件下，使用微量注射泵将100μg/mL多聚赖氨酸溶液由流动层主入口(211)，通过传输管道网络，灌注进入微腔阵列，对微腔内表面进行细胞黏附修饰；

S3：再灌注新鲜细胞培养液，清洗微腔；

S4：如图3所示，灌注细胞密度为5×10⁶个/mL的神经细胞悬液(31)，使神经细胞(33)进入不同阵列组的微腔，并黏附于微腔内表面。

S5：如图4所示，将开启6组多传输微阀(433、434、435、436、437和438)、关闭2个单传输微阀组(431和432)、以及关闭7组连接微阀(241、242、243、244、245、246和247)，使流动层中主、副入口(411、412)和主、副出口(422、421)全部开启，同时使微腔阵列连通的传输管道全部关闭；然后再将新鲜细胞培养液由芯片流动层中主、副入口(411和412)灌注进入，然后由流动层中主、副出口流出(421和422)，清洗传输管道，实现神经细胞的定位接种。

为了形成神经网络以实现神经网络仿生构建，在S1-S5的基础上再执行S6-S7：

S6：细胞接种完成后，如图2所示，将开启2个单传输微阀组(231和232)、关闭6个多传输微阀组(233、234、235、236、237和238)以及关闭7组连接微阀(241、242、243、244、245、246和247)，使流动层中副入口(212)和副出口(221)关闭、主入口(211)和主出口(222)开启、并使流动层中其他管道保持通畅。

S7：如图5所示，将新鲜细胞培养液灌注进入微腔内(53)，再将该芯片放置于37℃、5％CO₂饱和湿度条件下进行7-14天的培养，待神经细胞突起生成并与其他神经细胞相互连接(51和52)，形成神经网络，实现神经网络仿生构建。

实施例3：

进一步地，对单组微腔中的神经细胞和神经网络进行神经生长因子处理的执行过程如下：

首先，如图6所示，将开启2个单传输微阀组(231和232)、关闭与待处理的单组微腔连通的微腔传输管道上对应的传输微阀(233、236和237)、开启其他各个多传输微阀组(434、435和438)、开启待处理的单组微腔两侧连通的连接管道上对应的2组连接微阀(642和643)、关闭其他各组连接微阀(241、244、245、246和247)。

使流动层中副入口(232)和副出口(231)关闭、生化刺激物入口(611)和生化刺激物出口(621)开启、并使流动层中与待处理单组微腔连通的微腔传输管道开启、与其他各组微腔连通的微腔传输管道关闭、该待处理单组微腔两侧连通的连接管道关闭，从而实现流动层中该待处理单组微腔(631)通道开通；

然后，如图7所示，使用微量注射泵灌注20ng/mL神经生长因子溶液(71和72)以处理该芯片特定区域的神经细胞及神经网络(76)，同时通过开启该单组微腔两侧连通的连接管道对应的连接微阀(73)，可以保持芯片其他区域的神经细胞处于未处理状态，并进行如图8所示的荧光标记分析。

实施例4：

进一步地，对单组微腔中的神经细胞和神经网络进行长春新碱药物处理的执行过程如下：

首先，如图6所示，将开启2个单传输微阀组(231和232)、关闭与待处理的单组微腔连通的微腔传输管道上对应的传输微阀(233、236和237)、开启其他各个多传输微阀组(434、435和438)、开启待处理的单组微腔两侧连通的连接管道上对应的2组连接微阀(642和643)、关闭其他各组连接微阀(241、244、245、246和247)。

使流动层中副入口(232)和副出口(231)关闭、生化刺激物入口(611)和生化刺激物出口(621)开启、并使流动层中与待处理单组微腔连通的微腔传输管道开启、与其他各组微腔连通的微腔传输管道关闭、该待处理单组微腔两侧连通的连接管道关闭，从而实现流动层中该待处理单组微腔(631)通道开通；

然后，如图7所示，使用微量注射泵灌注10μg/mL长春新碱溶液(71和72)以处理该芯片特定区域的神经细胞及神经网络(76)，同时通过该待处理单组微腔两侧连通的连接管道对应的连接微阀(73)开启，保持芯片其他区域的神经细胞处于未处理状态(74和75)，并进一步开展药物检测与神经毒性筛选分析。

实施例5：

进一步优选，对单组微腔中的神经细胞进行回收，执行过程如下：

首先，如图6所示，将开启2个单传输微阀组(231和232)、关闭与待处理的单组微腔连通的微腔传输管道上对应的传输微阀(233、236和237)、开启其他各个多传输微阀组(434、435和438)、开启待处理的单组微腔两侧连通的连接管道上对应的2组连接微阀(642和643)、关闭其他各组连接微阀(241、244、245、246和247)。

使流动层中副入口(232)和副出口(231)关闭、生化刺激物入口(611)和生化刺激物出口(621)开启、并使流动层中与待处理单组微腔连通的微腔传输管道开启、与其他各组微腔连通的微腔传输管道关闭、该待处理单组微腔两侧连通的连接管道关闭，从而实现流动层中该待处理单组微腔(631)通道开通；

然后，如图9所示，在流速范围为30μL/min条件下，使用微量注射泵将PBS缓冲液(0.01M，pH＝7.4)灌注进入(93)，将该特定区域的神经细胞样品(92)从微腔中冲离，随液流排出，到达芯片微腔的流液出口(94)，同时保持其他芯片微腔区域的神经细胞不受此影响(91)，进而实现芯片特定微腔区域的细胞样本回收。

应当理解，实施例2-实施例5是基于实施例1的集成微流控神经网络芯片进行的操作，其均是本发明提供的具体实施例，本发明应用上述芯片的仿生实现方式不限于上述具体实施例的实现过程。综上所述，本发明提供的集成微流控神经网络芯片可以实现阵列化细胞定位接种、神经网络仿生构建、特定芯片微腔位置神经细胞与神经网络的生化刺激处理及样本回收的精确时间与空间控制性操作分析。

需要强调的是，本发明所述的实例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明不限于具体实施方式中所述的实例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，不脱离本发明宗旨和范围的，不论是修改还是替换，同样属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种集成微流控神经网络芯片，其特征在于：包括流动层和控制层；

其中，所述流动层设有微腔阵列、连接管道网络、两组传输管道网络以及出入口；

所述微腔阵列设有n组微腔，每组微腔设有m列微腔，每列微腔设有3个以上微腔，所述连接管道网络的管道连通相邻微腔，所述两组传输管道网络分别位于所述微腔阵列上下端并与微腔阵列连通，每组传输管道网络包括一个出入口传输管道以及与出入口传输管道连通的Q个微腔传输管道，每组微腔的上下端均至少与一个微腔传输管道连通，每个出入口传输管道连接至少一个入口和至少一个出口，所述出入口传输管道为横向，左右两端分别连接出口和入口，上端的出入口传输管道与所述微腔阵列上端的所有微腔传输管道上端口连通，下端的出入口传输管道与所述微腔阵列下端的所有微腔传输管道下端口连通；

其中，每组微腔的上下端均连通一个微腔传输管道，每组传输管道网络中微腔传输管道的数量Q等于n，每个微腔传输管道上设有m个管道细分支，每个管道细分支连通一组微腔中的一列微腔；

所述控制层包括传输阀、连接阀、进气管道以及进气入口，不同组的传输阀和连接阀均通过不同进气管道连通不同进气入口；

其中，连接阀设于相邻两组微腔之间的连接管道正下方，每个微腔传输管道以及两个出入口传输管道正下方均对应设有至少一个所述传输阀，所述两个出入口传输管道对应的传输阀分别位于出口侧、入口侧；在任意两组微腔之间，与任一组微腔连通的每个微腔传输管道上的传输阀中至少存在一个传输阀与另一组微腔的微腔传输管道上的每个传输阀均不处于同一组传输阀中；

所述微腔和所述传输管道网络中传输管道的高度均为15-100μm，所述连接管道网络中管道的高度为1-10μm，所述传输阀和连接阀的管道高度为20-50μm。

2.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于：相邻两组微腔之间的所有连接阀构成一组连接阀，所述连接阀的组数为n-1，每组连接阀通过一个进气管道与一个进气入口连通。

3.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于：所述微腔阵列中微腔组数n的取值范围为：[3，10]，每组微腔的列数m的取值范围为：[1，6]。

4.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于：所述控制层中传输阀的组数的取值范围为[5，10]，每组传输阀上传输阀的数量的取值范围为[1，5]。

5.一种应用权利要求1-4任一项所述芯片的仿生实现方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：开启两个出入口传输管道上对应的传输阀，关闭所有连接阀以及微腔传输管道对应的传输阀；

S2：注入含细胞黏附物的溶液，使含细胞黏附物的溶液进入微腔阵列以完成对微腔内表面进行细胞黏附修饰；

其中，含细胞黏附物的溶液的流速的取值范围为[3，25]μL/min；

S3：再灌注新鲜细胞培养液，清洗微腔；

S4：灌注神经细胞悬液，使神经细胞进入不同阵列组的微腔，并黏附于微腔内表面；

其中，神经细胞悬液的细胞密度的取值范围为[2×10⁵-1×10⁷]个/mL；

S5：开启微腔传输管道对应的所有传输阀，关闭两个出入口传输管道上对应的传输阀，再灌注新鲜细胞培养液，清洗管道，实现神经细胞的定位接种。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：还包括执行步骤S6-S7以完成神经网络仿生构建；

S6：开启两个出入口传输管道上对应的传输阀，并关闭所有连接阀以及微腔传输管道对应的传输阀；

S7：灌注新鲜细胞培养液，进行5-30天的细胞培养，使神经细胞突起生成并与其他神经细胞相互连接，形成神经网络以实现神经网络仿生构建。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：还包括对单组微腔中的神经细胞和神经网络进行生化处理，执行过程如下：

S8：关闭与待处理的单组微腔连通的微腔传输管道上的传输阀，并开启剩余各组微腔所连通的每个微腔传输管道上对应的至少一个传输阀，以及开启两个出入口传输管道上对应的传输阀，和开启待处理的单组微腔相邻两侧的连接阀；

S9：灌注生化刺激物处理所述待处理单组微腔区域内的神经细胞及神经网络，并进行实时在线分析。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：还包括对单组微腔中的神经细胞进行回收，执行过程如下：

S10：关闭与待处理的单组微腔连通的微腔传输管道上的传输阀，并开启剩余各组微腔所连通的每个微腔传输管道上对应的至少一个传输阀，以及开启两个出入口传输管道上对应的传输阀，和开启待处理的单组微腔相邻两侧的连接阀；

S11：灌注缓冲液，使待处理的单组微腔中的神经细胞随缓冲液流出微腔；

其中，缓冲液的流速范围为[10，35]μL/min。

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