CN109187318A - 基于微流控芯片的血管内金属全降解高通量模拟监测系统 - Google Patents

基于微流控芯片的血管内金属全降解高通量模拟监测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于微流控芯片的血管内金属全降解高通量模拟监测系统，主要由提供流体动力的泵组(4)、多通道微流控芯片组(2)和与多通道微流控芯片组出液口连接的联接的流体收集装置(6)组成。采用微流控芯片和采用特征的微流控芯片的通道尺寸设计与优选的通道流体流速模拟金属丝模型在通道内所受到流体的剪切力分布，确保全降解金属丝在反应通道内所受流体剪切力的大小达到模拟体内血管中流体剪切力作用的效果，有效地解决了现有的评价手段实验周期长、通量不高的技术问题。

Description

基于微流控芯片的血管内金属全降解高通量模拟监测系统
技术领域
本发明涉及将微流控芯片技术应用于生物医学工程和金属腐蚀科学的研究领域，特别涉及了一种基于微流控芯片的可高通量模拟血管内流体剪切应力对全降解金属降解行为作用的装置。
背景技术
生物可降解金属在生物医用材料领域的应用，突破了传统的生物医用金属重在发展耐腐蚀金属的模式。这些生物可降解金属材料制造的植入物需要在受伤或病理组织的愈合过程中暂时提供力学支撑，当组织渐渐恢复其功能时，材料应该逐渐降解并被代谢掉，即被组织完全取代。近年来，全降解金属作为骨科修复和血管支架用的材料成为了研究热点。
对于镁合金等全降解金属作为生物医用植入物如血管支架，植入血管后的降解行为受到血管内流体的剪切力作用的影响不可忽视。但是，真实血管内生理环境复杂，不利于分析单因素影响，且使用真实血管做研究成本较高，操作难度较大，更无法实现实时监测全降解金属的降解行为、分析其降解产物。因此，目前通常采用建立模型在体外模拟的方法来研究血管内流体剪切应力对全降解金属降解行为作用，常用的装置有流动腔模拟法和生物反应器模拟法，如王娟的西南交大博士毕业论文《镁基血管支架材料在模拟流体动力生理环境中降解和生物应答研究》中所述，流动腔的腔体为直径3.2mm的硅胶管，相应的泵流速为40mL/min，对应的条状样品长5mm，宽2.7mm，高1.4mm；而生物反应器的腔体为猪的腹主动脉血管，相应的泵流速为100mL/min，对应的丝状样品直径为250微米。这两种方法由于实验消耗量较大，实验操作难度大、成本较高等因素限制还无法实现高通量研究。这里的高通量研究指大批量样品同时进行实验。它能够大大缩短实验所消耗的时间、降低实验成本、提高实验效率。
发明内容
针对现有技术无法实现高通量模拟研究血管内流体对全降解金属降解的影响，但实验中又亟需快捷高效的评价手段来缩短研究周期、加快实验进展这一需求，本发明提供了一种基于微流控芯片的可高通量模拟血管内流体剪切应力对全降解金属降解行为作用的装置，其目的在于通过对微流控芯片的通道尺寸设计和计算机计算模拟金属丝模型在通道内所受到流体的剪切力分布，得到合适的参数做体外模拟，实现高通量模拟血管内流体剪切应力对全降解金属降解行为作用，由此解决现有的评价手段实验周期长、通量不高的技术问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于微流控芯片的血管内金属全降解高通量模拟监测系统，用于原位观察、记录全降解金属丝的降解过程，实时记录全降解金属丝在降解过程中的形态变化，以研究相应的降解行为。系统由提供流体动力的泵组4、与泵组4输出口连接的多通道微流控芯片组2和与多通道微流控芯片组出液口连接的流体收集装置6组成；多通道微流控芯片组2置于一显微镜系统5的观测平台上；其中：
所述泵组4具有1-4台蠕动泵/注射泵，每台泵有4-24条通道，即可同时输出4-24股流体进入微流控芯片组2；
所述多通道微流控芯片组2为聚二甲基硅氧烷PDMS制得的透明液流通道，包括两条以上的流体分流通道23，各分流通道下游具有至少两条全降解金属降解反应通道22；所述全降解金属降解反应通道22内腔为面积为S1的矩形横截面；降解反应通道内置放具有圆横截面被测全降解金属丝K，其圆横截面积为S2；S1与S2之比为196/25π-16/π。
泵组4控制流体流量,使全降解金属降解反应通道22中流体流速固定在0.08-0.1mL/min的优选范围,搭配多个多通道微流控芯片连接来实现高通量实验。
本发明采用微流控芯片和采用特征的微流控芯片的通道尺寸设计与优选的通道流体流速模拟金属丝模型在通道内所受到流体的剪切力分布，确保全降解金属丝在反应通道内所受流体剪切力的大小达到模拟体内血管中流体剪切力作用的效果，且根据高通量这一需求设计分流通道将一股流体均分为多股流体，为多个反应通道提供流体以实现多个反应通道同时反应,实现血管内流体剪切应力对全降解金属降解行为的高通量模拟实验研究，以快捷高效的评价手段来缩短研究周期,加快实验进度。有效地解决了现有的评价手段实验周期长、通量不高的技术问题。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提供的微流控芯片，结构简单，仅通过设计通道尺寸即可在蠕动泵的调节下调控全降解金属丝表面所受的流体剪切应力大小在体内血管中流体剪切力范围内变化。所述芯片装置和系统能够实现对全降解金属在流体剪切力作用下的降解过程的实时观察、记录，此功能可以得出全降解金属在体内较为准确的降解周期。
(2)本发明提供的基于微流控芯片的可高通量模拟血管内流体剪切应力对全降解金属降解行为作用的装置，实现了高通量研究，为研究不同流体、不同剪切力大小作用下全降解金属的降解行为提供了一种新途径。
(3)本发明提供的基于微流控芯片的可高通量模拟血管内流体剪切应力对全降解金属降解行为作用的装置，可灵活实现对多种研究对象在流体剪切力作用下所受影响的研究，如在流体剪切力作用下的全降解金属材料筛选、可降解和不可降解金属表面涂层性能评价、可降解和不可降解金属表面载药涂层药物释放研究，从而满足不同的实验需求。
附图说明
图1是实施例1的微流控芯片通道结构示意图；
图2是实施例1的微流控芯片通道植入全降解金属丝后的结构示意图；
图3是实施例1的植丝后微流控芯片通道的整体示意图；
图4是全降解金属降解反应通道的截面图；
图5是本发明基于微流控芯片的血管内金属全降解高通量模拟监测系统的实施例1结构示意图；
图6是实施例2的微流控芯片通道结构示意图；
图7是实施例2的微流控芯片通道植入全降解金属丝后的结构示意图；
具体实施方案
在为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明系统由提供流体动力的多通道泵组4(可为蠕动泵或注射泵)、泵组4输出口连接的多通道微流控芯片组20和与多通道微流控芯片组2出液口连接的流体收集装置6组成；微流控芯片组2置于一显微镜系统5的观测平台视野内。
本发明提供的微流控芯片组2，包括芯片入口端21和对称分布的多个全降解金属降解反应通道22，芯片PDMS层高度优选为2-4mm。被测金属丝K在全降解金属降解反应通道中受到流体作用发生降解，且该部分置于显微镜视野中以观察记录全降解金属的降解过程。优选地，微流控芯片的流体分流通道23为多条对称分布,流体分流通道与全降解金属降解反应通道的数量可以根据实际需要灵活选择，可以拓展到更多的通道，也可以仅选择单通道，以高效地完成相关研究。
多通道微流控芯片组2的各截面为矩形，图4表达了其全降解金属降解反应通道22的截面：图中心为金属丝K，矩形内腔(即流体通道)宽a、高b，优选尺寸范围为200-350微米，与植入其中的直径D为100-250微米全降解金属丝相匹配，设全降解金属降解反应通道22矩形内腔截面积为S1，全降解金属丝K截面积为S2，二者之间的比例为P，则P＝S1/S2，P的优选范围为196/25π-16/π，在这样的优选安排下,控制微流控芯片的植入全降解金属丝的全降解金属降解反应通道22流入的流体流速为0.08-0.1mL/min，能够使全降解金属丝表面所受的剪切力达到体内血管内血流作用的平均剪切力大小，达到模拟血管内流体剪切力对全降解金属丝作用的效果。
本发明提供的应用所述微流控芯片的全降解金属在流体剪切力作用下降解行为分析装置，包括多通道微流控芯片组2、多通道的泵组4、显微镜系统5、流体收集装置6，所述的微流控芯片入口端21与泵组4相连，多通道微流控芯片组2出口端与流体收集装置6相连，微流控芯片置于显微镜5载物台，全降解金属降解反应通道22呈现在显微镜5视野之中。
实施例1(8通道微流控芯片)：
多通道微流控芯片组2为聚二甲基硅氧烷(PDMS)微流控芯片，其由具有微通道结构的聚二甲基硅氧烷(PDMS)层与玻璃片键合而成，PDMS层高度为4mm。PDMS层表面加工有微通道结构，其流体分流通道23宽度均为400微米，全降解金属降解反应通道22宽度a均为240微米，两种通道的高度b统一为240微米，故S1＝a*b＝57600微米2。与本实施例芯片全降解反应通道匹配的全降解金属丝的直径D为160微米，故S2＝π*(D/2)2＝6400π微米2，P＝S1/S2＝9/π。对应此微流控芯片的入口端21流速为0.72mL/min，计算得出降解反应通道的流入速度约为0.09mL/min。
本实施例选用的流体可为模拟体液SBF，磷酸盐缓冲液PBS以及DMEM细胞培养基。由于要模拟血管内流体的作用，因此本发明所用的流体均选用近似血液性质的液体，这些液体也常用来做体外模拟体内的腐蚀研究，它们的性质(如密度、粘度)相近，所以其对应的流体流速差异可以忽略，这些流体均在本实施例中应用过，实验结果显示不同流体在同一个泵的相同流速参数下的实际流速不具有统计学差异性。另外，人体内血管中血流的速度不是恒定的，其对植入的金属丝作用的剪切力也是在一定范围内波动，而本发明模拟的是其平均剪切力大小的作用，因此全降解金属降解反应通道22中的流体流速略有波动在给定的范围内都是可以接受的，实验结果都是有效的。
本实施例中所述分流通道将入口端21进入的流体均分为多股流体，流体分流通道23以入口通道为对称轴对称分布以确保每个通道内流体流速及流量相同，本实施例之外也可以设计分流通道分出的流体流速呈梯度变化。所述全降解金属降解反应通道22与流体分流通道22末端相连，以流体分流通道末端的流体为入口流体，对降解反应通道中植入的全降解金属丝进行流体剪切力作用而促使其降解。
本发明提供的分析装置，如图所示，包括本发明提供的微流控芯片、多通道蠕动泵4、显微镜系统5、流体收集装置6，所述的微流控芯片入口端21与蠕动泵4相连，微流控芯片出口端与流体收集装置6相连，微流控芯片置于显微镜5载物台，降解反应通道呈现在显微镜视野之中。通过蠕动泵调节流体流速，通过显微镜系统5对降解反应通道内的降解反应进行观察和记录，流体收集装置用来收集含有降解产物的流体，用于后期成分分析。
实施例2(4通道微流控芯片)：
本实施例只是将实施例1中的微流控芯片换成4通道微流控芯片，其余内容均与实施例1相同。本实施例的意义在于，说明微流控芯片的通道数量可以根据实际实验样品数量的多少来决定，并不仅仅局限于实施例1所述，以提高实验效率。微流控芯片的通道呈现在显微镜视野之中。
应用本发明模拟血管内流体剪切应力对全降解金属降解行为作用行为研究时，可按以下步骤进行：
制备尺寸相匹配的微流控芯片和全降解金属丝，将全降解金属丝植入所述微流控芯片的降解反应通道，设置蠕动泵参数调节流速以调控全降解金属丝表面所受剪切应力大小；观察、记录全降解金属丝的降解行为并收集流体分析腐蚀产物，通过显微镜系统实时观察、记录全降解金属丝的降解过程，结合之前计算机软件模拟的剪切力分布情况分析降解行为与剪切力的关系，并根据收集到流体中的降解产物计算降解速度，分析降解产物成分、pH等以研究降解行为。
采用本发明的基本结构,在实际使用时可增加组合其它的辅助装置以获得更多的相关信息,比如增加酶标仪显色测量系统，利用酶标仪和试剂盒来检测流体收集装置6所收集到的流体，基于比色法同时并行检测多通道流体中微量金属离子的含量。
一般情况下,本发明所用微流控芯片通道截面尺寸宽、高均在200-350微米范围内，相应的泵流速为0.24-1.92mL/min，对应的丝状样品直径为100-250微米。相对于流动腔模拟法，通道和样品的尺寸都大大缩小，这使得泵流速也大大减小，从而使高通量试验成为可能，降低了实验成本，提高了实验效率，另外，丝状样品的尺寸更接近血管支架筋的尺寸，实验结果用于评价血管支架材料相对更加有说服力；相对于生物反应器模拟法，微流控芯片材料为PDMS，简单易得，极大降低了实验成本和操作难度，且可视性良好，便于观察，更加有利于原位实验研究。总之，与目前现有的方法相比，本发明都更具有实用性和高效性。

Claims (5)

1.一种基于微流控芯片的血管内金属全降解高通量模拟监测系统，用于原位观察、记录全降解金属丝的降解过程，实时记录全降解金属丝在降解过程中的形态变化，以研究相应的降解行为；其特征在于，由提供流体动力的泵组(4)、与泵组输出口连接的多通道微流控芯片组(2)和与多通道微流控芯片组出液口连接的流体收集装置(6)组成；微流控芯片组置于一显微镜系统(5)的观测平台上；其中：
所述泵组(4)具有1-4台蠕动泵/注射泵，每台泵有4-24条通道，即可同时输出4-24股流体进入微流控芯片组(2)；
所述多通道微流控芯片组(2)为聚二甲基硅氧烷PDMS制得的透明液流通道，包括两条以上的流体分流通道(23)，各分流通道下游具有至少两条全降解金属降解反应通道(22)；所述全降解金属降解反应通道(22)内腔为面积为S1的矩形横截面；降解反应通道内置放具有圆横截面的被测全降解金属丝K，其圆横截面积为S2；S1与S2之比为196/25π-16/π；
泵组(4)控制流体流量,使全降解金属降解反应通道(22)中流体流速固定在0.08-0.1mL/min的优选范围,搭配多个多通道微流控芯片连接来实现高通量实验。
2.根据权利要求1所述的基于微流控芯片的血管内金属全降解高通量模拟监测系统，其特征在于，所述显微镜系统包含光学显微镜和视频拍照系统。
3.根据权利要求1所述的基于微流控芯片的血管内金属全降解高通量模拟监测系统，其特征在于，所述全降解金属丝直径100-250微米。
4.根据权利要求1所述的基于微流控芯片的血管内金属全降解高通量模拟监测系统，其特征在于，所述流体收集装置(6)可与所述泵组(4)的进液口连通以形成循环液流。
5.根据权利要求1所述的基于微流控芯片的血管内金属全降解高通量模拟监测系统，其特征在于，所述微流控芯片的流体分流通道(23)为多条对称分布。
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