CN109550530A - 一种微流体溶解氧浓度控制芯片 - Google Patents

一种微流体溶解氧浓度控制芯片 Download PDF

Info

Publication number
CN109550530A
CN109550530A CN201910042894.3A CN201910042894A CN109550530A CN 109550530 A CN109550530 A CN 109550530A CN 201910042894 A CN201910042894 A CN 201910042894A CN 109550530 A CN109550530 A CN 109550530A
Authority
CN
China
Prior art keywords
microchannel
oxygen concentration
culture medium
cell culture
dissolved oxygen
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201910042894.3A
Other languages
English (en)
Inventor
承韶晖
刘森
刘婧
鲁为民
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Priority to CN201910042894.3A priority Critical patent/CN109550530A/zh
Publication of CN109550530A publication Critical patent/CN109550530A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2200/00—Solutions for specific problems relating to chemical or physical laboratory apparatus
    • B01L2200/10—Integrating sample preparation and analysis in single entity, e.g. lab-on-a-chip concept
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/08—Geometry, shape and general structure
    • B01L2300/0861—Configuration of multiple channels and/or chambers in a single devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/08—Geometry, shape and general structure
    • B01L2300/0887—Laminated structure
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/12—Specific details about materials

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • Clinical Laboratory Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)

Abstract

本发明公开了一种微流体溶解氧浓度控制芯片，包括依次相互重叠的第1层、硅胶膜隔层和第2层，且第1层内表面与第2层内表面分别与位于中间的硅胶膜隔层的两个侧面紧贴重叠；第1层内表面设有一道沟槽与紧贴的硅胶膜隔层一侧面构成了第1微通道，第2层内表面也设有一道沟槽与紧贴的硅胶膜隔层另一侧面构成了第2微通道；硅胶膜隔层将第1微通道与第2微通道相互隔离；第1微通道为适于细胞培养基流动的单向通道，第2微通道为适于Na2SO3溶液流动的单向通道，且第1微通道中流动的细胞培养基溶液中的氧透过隔离的硅胶膜扩散至第2通道中流动的Na2SO3溶液中。本发明实现了微流体中溶解氧浓度的定量控制。

Description

一种微流体溶解氧浓度控制芯片
技术领域
本发明涉及一种微流体溶解氧浓度控制芯片。
背景技术
氧气是高等动物能量代谢必要的电子受体，它控制着细胞代谢、激素分泌和基因表达等。在组织中，氧气的水平通过精细的、高度保守的细胞内结构和器官层次的反馈循环维持，体内氧气的内稳态对于维持细胞的生理功能是及其重要的(引用：Park，Bansal etal.2006)。在生理肝小叶中，HA和PV血液具有不同的溶解氧浓度(引用：Jungermann andKietzmann 2000)，HA血液溶解氧浓度为3.3-4.7mg/L(104-146μmol/L)，PV血液溶解氧浓度为1.5-2.0mg/L(48-64μmol/L)。当前用于二维或是三维的体外细胞培养中的溶解氧浓度高于血液中的氧浓度，如DMEM，因此，为了模拟生理水平的动、静脉血液溶解氧浓度，需要实现氧环境的定量控制(即消耗DMEM中的部分氧气使其达到生理范围值)。
当前实现溶解氧浓度定量控制的方法主要包括：电化学消耗、化学消耗、物理消耗等。Park等人将微电极阵列嵌入微通道中，采用电解水来产生氧气，利用氧敏感的荧光膜测量和可视化氧浓度梯度，通过控制微型电极的电流改变氧气梯度的时空分布，然而，基于电化学方式的氧芯片设计较为复杂，不利于实验操作和定量控制。Skolimowski等人基于微流控技术设计了氧梯度产生芯片，该芯片包括细胞培养腔、氧气梯度发生器和光学传感器，氧气透过气体渗透性膜(PDMS)扩散到亚硫酸盐中被消耗，集成在芯片上的荧光染料用于检测氧浓度，然而，实验过程中培养基的流率较低只有10μL/min，当培养基流率超过50μL/min时，并未在芯片中产生明显的氧浓度梯度。Polinkovsky等人设计了两种微流体芯片，利用气体混合通道网络实现不同的氧浓度梯度，第1种芯片是利用纯氮气和纯氧气的混合产生从0～100％线性变化的氧浓度梯度，第2种芯片是利用氮气和空气的混合产生0～20.9％指数变化的氧浓度梯度，然而，气体混合方式的氧芯片容易产生大量的气泡不利于流体的稳定。此外，基于当前的氧芯片设计，均未能模拟生理水平的动、静脉流体溶解氧浓度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种微流体溶解氧浓度控制芯片，可以定量和稳定地控制细胞培养基中氧含量。
本发明要解决的另外一个技术问题是提供一种微流体溶解氧浓度定量控制方法。
对于微流体溶解氧浓度控制芯片，本发明采用的技术方案是，一种微流体溶解氧浓度控制芯片，包括第1层、硅胶膜隔层和第2层；第1层、硅胶膜隔层和第2层依次相互重叠，且第1层内表面与第2层内表面分别与位于中间的硅胶膜隔层的两个侧面紧贴重叠；
第1层内表面设有一道沟槽，且该沟槽与紧贴的硅胶膜隔层一侧面构成了第1微通道，第2层内表面也设有一道沟槽，且该沟槽与紧贴的硅胶膜隔层另一侧面构成了第2微通道；硅胶膜隔层将第1微通道与第2微通道相互隔离，且第1微通道与第2微通道隔着硅胶膜隔层相互重合；
第1微通道为适于细胞培养基流动的单向通道，第2微通道为适于Na2SO3溶液流动的单向通道，且第1微通道中流动的细胞培养基溶液中的氧透过隔离的硅胶膜扩散至第2通道中流动的Na2SO3溶液中。
作为优选：
第1微通道是仅有一个入口IN1与一个出口OUT1的单向曲折通道，细胞培养基从入口IN1进入第1微通道并从出口OUT1流出；
第2微通道是仅有一个入口IN2与一个出口OUT2的单向曲折通道，Na2SO3溶液从入口IN2进入第2微通道并从出口OUT2流出；
第1微通道的曲折形式及微通道间距与第2微通道的曲折形式及微通道间距相同，且第1微通道中流动的细胞培养基溶液与第2微通道中流动的Na2SO3溶液的流动方向相反。
硅胶膜隔层的孔径为5～10纳米，且硅胶膜隔层的厚度为0.1～0.8毫米。
第1微通道的深度及宽度与第2微通道的深度及宽度相同，且第1微通道的长度与第2微通道的长度相同。
细胞培养基包括DMEM培养基。
第1层和第2层采用有机玻璃、玻璃、陶瓷或金、银、铂、钛合金材料制成。
对于微流体溶解氧浓度定量控制方法，本发明采用的技术方案是，一种微流体溶解氧浓度定量控制方法，包括以下步骤：
(1)建立适于细胞培养基流动的第1微通道和适于Na2SO3溶液流动的第2微通道，且使得第1微通道内细胞培养基界面与第2微通道内Na2SO3溶液界面由硅胶膜相互隔离在所述硅胶膜的两侧相对应的位置；
(2)将Na2SO3溶液通入第2微通道，以泵驱动Na2SO3溶液从第2微通道的入口IN2向出口OUT2流动；保持Na2SO3溶液流动，或待Na2SO3溶液充满第2微通道后暂停流动并按设定的时间间隔进行更换；
(3)将细胞培养基通入第1微通道，以泵驱动细胞培养基从第1微通道的入口IN1向出口OUT1流动，且第1微通道内细胞培养基的流动方向与第2微通道内Na2SO3溶液的流动方向相反；
(4)调整第1微通道内的细胞培养基流速和/或第2微通道内Na2SO3溶液的更换时间间隔和/或第2微通道内Na2SO3溶液的浓度，直至第1微通道出口OUT1处细胞培养基的溶解氧浓度检测值达到设定的氧浓度目标值。
作为优选，在步骤(2)中，按8～14小时的时间间隔更换Na2SO3溶液。
作为优选，在步骤(4)中，当第1微通道出口OUT1的细胞培养基的溶解氧浓度检测值高于目标值，即减慢细胞培养基的流速和/或缩短第2微通道内Na2SO3的更换时间间隔，从而增加细胞培养基与Na2SO3的反应时间，降低第1微通道出口OUT1处细胞培养基的溶解氧浓度；
当第1微通道出口OUT1的细胞培养基的溶解氧浓度检测值低于目标值，即增加细胞培养基的流速和/或延长第2微通道内Na2SO3的更换时间间隔，从而减少细胞培养基与Na2SO3的反应时间，升高第1微通道出口OUT1处细胞培养基的溶解氧浓度。
作为优选，第1微通道是仅有一个入口IN1与一个出口OUT1的单向曲折通道，所述第2微通道是仅有一个入口IN2与一个出口OUT2的单向曲折通道，Na2SO3溶液从入口IN2进入第2微通道并从出口OUT2流出；所述第1微通道的曲折形式及微通道间距与第2微通道的曲折形式及微通道间距相同。
本发明的有益效果是：
实现微流体中溶解氧浓度的定量控制。
附图说明
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是本发明实施例的溶解氧控制原理图。
图2是本发明实施例的的氧浓度控制芯片结构示意图。
图3是本发明实施例的上板的结构示意图。
图4是本发明实施例的下板的结构示意图。
图5是本发明实施例的上板和下板的组装示意图。
图6是本发明实施例的溶解氧浓度定量控制运行原理图。
图7是本发明实施例的Na2SO3浓度与DMEM氧浓度对应关系图。
图8是本发明实施例的溶解氧浓度恢复运行原理图。
图中标记：1-上板，101-上沟槽，2-下板，201-下沟槽，3-硅胶膜。
具体实施方式
一、微流体溶解氧浓度控制芯片(以下简称为氧浓度控制芯片)
1、氧浓度控制芯片的设计原理
本实施例设计的氧浓度控制芯片，通过化学消耗的方式降低流动的细胞培养基中的溶解氧浓度。该芯片的基本结构如图1所示，细胞培养基流过位于上板1的第1微通道，Na2SO3溶液流经位于下板2的第2微通道。此时Na2SO3溶液中的溶解氧浓度为0，因此，从细胞培养基界面到Na2SO3溶液界面存在较大的氧浓度梯度，导致细胞中的氧气扩散到Na2SO3溶液中与之进行反应(2Na2SO3+O2＝2Na2SO4)。细胞培养基和Na2SO3溶液界面由一层具有气体渗透性的硅胶膜隔层3隔开，以避免两种流体直接交换，基于此设计实现了在细胞培养基流经的第1微通道从入口到出口溶解氧浓度的下降。
2、氧浓度控制芯片的设计参数与制作
如图2所示，氧浓度控制芯片由上板1、下板2和硅胶膜隔层3重叠组合而成。上板和下板均采用氧气渗透性非常低的有机玻璃板(PMMA)制成，上板的下表面和下板的上表面分别设有回转且相互平行的上沟槽101和下沟槽201，在上板和下板中间设置硅胶膜隔层3，硅胶膜隔层是采用透气性好的硅胶材料制成薄膜。
在图3中，上板1的下表面刻有一条回转曲折的上沟槽101，将氧浓度控制芯片装配后，上沟槽101与紧贴的硅胶膜隔层构成了适于细胞培养基流动的第1微通道，且第1微通道是具有一个入口IN1和一个出口OUT1的单向通道。
在图4中，下板2的上表面也刻有一条回转曲折的下沟槽201，将氧浓度控制芯片装配后，下沟槽201与紧贴的硅胶膜隔层构成了适于Na2SO3溶液流动的第2微通道，而且第2微通道也同样是具有一个入口IN2和一个出口OUT2的单向通道。
设计时，使得上沟槽与下沟槽的弯曲形式以及沟槽间距完全相同，因此在氧浓度控制芯片装配后，第1微通道与第2微通道的位置是隔着硅胶膜相互重叠对应的。由于第1微通道紧贴硅胶膜的一侧和第2微通道紧贴硅胶膜的另一侧都是开放的，当第1微通道和第2微通道分别通入细胞培养基和Na2SO3溶液后，第1微通道中的细胞培养基界面与第2微通道中的Na2SO3溶液界面仅仅由一层硅胶膜相互隔开，即细胞培养基和Na2SO3溶液相互对应地隔离在硅胶膜的两侧。如此设计有利于第1微通道内细胞培养基中的氧透过硅胶膜进入第2微通道内Na2SO3溶液中。
组装时，将上板1的下沟槽101和下板2的上沟槽201分别从位于中间的硅胶膜3的上下两侧紧贴硅胶膜，并且在上板1和下板2的四角用螺栓连接固定，即组装成一块氧浓度控制芯片(图5)。
采用硅胶膜作为隔层，不仅有利于氧从细胞培养基微通道很容易透过硅胶膜扩散到Na2SO3溶液微通道，同时也防止了微通道内流体向外渗漏。当然，也可选择同样具有良好气体渗透性的其他类似材料来替代硅胶膜隔层。
在本实施例中，硅胶膜的孔径为5～10纳米，且硅胶膜隔层的厚度为0.1～0.8毫米。
在氧浓度控制芯片的运行过程中，细胞培养基从第1微通道的入口IN1流入然后从出口OUT1流出，Na2SO3溶液从第2微通道的入口IN2流入然后从出口OUT2流出，并且细胞培养基与Na2SO3溶液的流动方向是相反的。由于氧气可以透过硅胶膜，因此流动在第1微通道的细胞培养基中的氧气能够透过硅胶膜隔层自由扩散到流动在第2微通道的Na2SO3溶液中，并与之反应，反应公式为：
2Na2SO3+O2＝2Na2SO4
通过第1微通道的细胞培养基中的氧气扩散，从而减少了细胞培养基中的溶解氧。在具体运行时，是通过改变细胞培养基流动速率和Na2SO3溶液浓度来调控细胞培养基中的溶解氧浓度。
制作上板和下板的有机玻璃板的长宽高尺寸均为150mm×60mm×8mm，硅胶膜隔层的尺寸为150mm×60mm×0.1mm。
在本实施例中，第1微通道的宽度设定为1.5mm，深度设定为0.3mm，第1微通道的总长度为1400mm。为了简化氧浓度控制芯片的设计，位于下板的第2微通道的尺寸与第1微通道的尺寸完全相同。
本实施例中的上板和下板，除了采用有机玻璃制作外，还可以采用玻璃、陶瓷或金、银、铂、钛合金材料制成。考虑到实验中便于观察，本实施例尽量采用如有机玻璃或玻璃之类透明材料，其中有机玻璃的加工性能更好。
二、氧浓度控制芯片用于微流体溶解氧浓度控制的实验
本实施例的氧浓度控制芯片可用于对各类细胞培养基的氧浓度进行定量控制，因此，本实施例中使用的细胞培养基除了下面所用的DMEM培养基外，还可以使用其他种类的细胞培养基。
进一步来说，本实施例的微流体溶解氧浓度控制芯片适用于需要对其中溶解氧进行控制的微流体。
1、氧浓度控制芯片的连接
在实验之前，先将氧浓度控制芯片按图6进行组装成为一个用于微流体溶解氧浓度的定量控制系统，即先采用硅胶管将下板的入口IN2和出口OUT2分别连接到存储Na2SO3的存储瓶中，然后将装有细胞培养基的存储瓶放置在37℃含有5％CO2的细胞培养箱中，待细胞培养基的温度达到37℃时，将氧浓度控制芯片的上板的入口IN1采用硅胶管依次连接到蠕动泵和培养基存储瓶，同时采用聚氨酯胶管将氧浓度控制芯片的出口OUT1连接到液体石蜡瓶中。
2、氧浓度控制芯片运行
在氧浓度控制芯片运行过程中，培养基存储瓶中的细胞培养基通过蠕动泵从位于氧浓度控制芯片上板的入口IN1流进第1微通道(即细胞培养基微通道)，再从出口OUT1流出，通过不透气的聚氨酯胶管引入到装有2mL液体石蜡的离心管中(液体石蜡用于隔绝空气，防止细胞培养基中的溶解氧与空气交换)，存储在另一存储瓶中的Na2SO3溶液通过蠕动泵流入氧浓度控制芯片下板的2微通道的入口IN2，再从第2微通道的出口OUT2流出，通过硅胶管流回到存储Na2SO3的存储瓶中。
图6中的蠕动泵也可以替换为注射泵。
3、溶解氧浓度定量控制方法
细胞培养基中的溶解氧在氧浓度控制芯片中的消耗受多种因素的影响，比如Na2SO3浓度、细胞培养基流量、膜的材质和厚度、微通道的尺寸等。
本实施例的氧浓度控制芯片，具体是通过控制细胞培养基与Na2SO3浓度的反应时间和反应程度，实现溶解氧浓度的定量控制。
利用以上氧浓度控制芯片对微流体溶解氧浓度的定量控制方法，包括以下具体的步骤：
(1)氧浓度控制芯片的各部件预先灭菌后组装，再按图6连接构成一个微液体氧浓度定量控制系统，并且测试无渗漏；
(2)将Na2SO3溶液通入第2微通道，以泵驱动Na2SO3溶液从第2微通道的入口IN2向出口OUT2流动；保持Na2SO3溶液流动，或待Na2SO3溶液充满第2微通道后暂停流动并按设定的时间间隔进行更换；
(3)将细胞培养基通入第1微通道，以泵驱动细胞培养基从第1微通道的入口IN1向出口OUT1流动，且第1微通道内细胞培养基的流动方向与第2微通道内Na2SO3溶液的流动方向相反；
(4)调整第1微通道内的细胞培养基流速和/或第2微通道内Na2SO3溶液的更换时间间隔和/或第2微通道内Na2SO3溶液的浓度，直至第1微通道出口OUT1处细胞培养基的溶解氧浓度检测值达到设定的氧浓度目标值。
在上述步骤中，应该注意以下事项：
(1)第1微通道中细胞培养基与第2微通道中Na2SO3溶液的流动方向相反，目的是使得细胞培养基与Na2SO3溶液的反应更加充分；
(2)达到同样目标氧浓度的情况下，采用将Na2SO3溶液充满第2微通道后暂停流动并定时更换的方法，可较保持Na2SO3溶液动态流动的方法减少Na2SO3的用量；
(3)先将Na2SO3溶液灌满第2微通道，然后再往第1微通道内通入细胞培养基，可以保证细胞培养基通入时即可产生反应，避免细胞培养基浪费。
由上述步骤可知，作为细胞培养基中的溶解氧的定量控制方法，可以归纳为以下三种：
1)通过改变第1微通道内的细胞培养基流速，对氧浓度控制芯片的出口处细胞培养基的溶解氧浓度进行定量控制。
2)通过改变第2微通道内Na2SO3溶液的更换时间间隔，对氧浓度控制芯片的出口处细胞培养基的溶解氧浓度进行定量控制。
3)通过改变第2微通道内Na2SO3浓度，对氧浓度控制芯片的出口处细胞培养基的溶解氧浓度进行定量控制。
以上三种定量控制方法通过以下具体操作步骤实现：
(1)当第1微通道出口OUT1的细胞培养基的溶解氧浓度检测值高于目标值，即减慢细胞培养基的流速和/或缩短第2微通道内Na2SO3溶液的更换时间间隔和/或增加第2微通道内Na2SO3溶液的浓度，从而增加细胞培养基与Na2SO3溶液的反应时间，降低第1微通道出口OUT1处细胞培养基的溶解氧浓度。
(2)当第1微通道出口OUT1的细胞培养基的溶解氧浓度检测值低于目标值，即增加细胞培养基的流速和/或延长第2微通道内Na2SO3溶液的更换时间间隔和/或减小第2微通道内Na2SO3溶液的浓度，从而减少细胞培养基与Na2SO3的反应时间，升高第1微通道出口OUT1处细胞培养基的溶解氧浓度。
以上三种定量控制方法既可以单独使用，也可以2种或3种方法组合使用。2种或3种方法的组合使用能够更快更好地对细胞培养基的溶解氧浓度进行定量控制。
以下实施例是模拟肝动脉和门静脉供血中生理状态的不同浓度溶解氧的一个实验，其中细胞培养基采用了具体配方如表1的DMEM培养基。
表1：DMEM(H)细胞培养基(粉末型)成分
由于在37℃下，DMEM培养基中的饱和溶解氧浓度为6.9mg/L(216μmol/L)远远大于人体内动、静脉血液的溶解氧浓度，以下实验即通过改变Na2SO3浓度，对氧浓度控制芯片第1微通道出口OUT1处DMEM培养基的溶解氧浓度进行定量控制。
在实验过程中，包括氧浓度控制芯片的整个定量控制系统运行如图6所示，Na2SO3溶液(拟考察Na2SO3浓度分别为10％w/v，8％w/v，6％w/v，4％w/v和2％w/v)以0.3mL/min的流量引入位于氧浓度控制芯片的下板上的第2微通道的入口IN2，DMEM培养基以0.1mL/min的流量(相当于肝芯片HA微通道入口流量)流入氧浓度控制芯片的上板上的第1微通道入口IN1。取一个50mL的离心管，加入2mL液体石蜡用以隔绝空气(该液体石蜡不溶于DMEM，且密度比DMEM小)，运行2h之后用溶解氧探测仪测量离心管中DMEM的溶解氧浓度并记录下实验数据，相同条件下重复测量三次(装有DMEM培养基的存储瓶和装有石蜡的离心管在实验过程中需放置在37℃的培养箱中)。然后，改变第1微通道入口IN1的DMEM培养基流量为0.2mL/min(相当于肝芯片PV微通道入口流量)，重复上述实验。
4、氧浓度控制芯片稳定性验证
在氧浓度控制芯片运行期间，Na2SO3不断被消耗，浓度会逐渐下降，因此需要考察Na2SO3浓度下降对氧浓度控制芯片供氧稳定性的影响。在实验过程中，每12h更换一次Na2SO3溶液，据此，考察12h之内氧浓度控制芯片输出氧浓度的稳定性。
氧浓度控制芯片的运行如图6所示，第一组实验：Na2SO3溶液流量为0.3mL/min，浓度为4％w/v，DMEM流量为0.1mL/min(相当于肝芯片HA微通道入口流量)；第二组实验：Na2SO3溶液流量为0.3mL/min，浓度为10％w/v，DMEM流量为0.2mL/min(相当于肝芯片PV微通道入口流量)。每隔2h检测一次离心管中DMEM的溶解氧浓度并记录实验数据。基于上述的实验方法，将氧浓度控制芯片连续运行7天，每隔12h更换一次Na2SO3溶液，每隔24h检测离心管中DMEM的溶解氧浓度并记录实验数据。
在溶解氧浓度定量控制实验中，将记录的溶解氧浓度数据导入到Origin中，分别绘制当DMEM培养基流量为0.1mL/min、0.2mL/min时，氧浓度控制芯片出口DMEM溶解氧浓度随Na2SO3浓度变化的曲线(图7)。结果表明，Na2SO3浓度越高，则DMEM培养基中的溶解氧浓度越低，即DMEM培养基中的溶解氧消耗的越多；当Na2SO3浓度为4％w/v，DMEM流量为0.1mL/min时，可以得到近似于生理水平的肝动脉溶解氧浓度(3.8mg/L)(图7a)；当Na2SO3浓度为10％w/v，DMEM流量为0.2mL/min时，可以得到近似于生理水平的门静脉溶解氧浓度(1.73mg/L)(图7b)。
溶解氧浓度恢复实验用于探究DMEM溶解氧浓度恢复的条件，以保证从氧浓度控制芯片出口流回到存储瓶中的DMEM溶解氧浓度能恢复到6.9mg/L，进而保证氧浓度控制芯片输出氧浓度的稳定。在图8所示的溶解氧浓度恢复实验中，将用于溶解氧浓度定量控制实验(图6)中连接氧浓度控制芯片DMEM微通道(即第1微通道)出口OUT1的聚氨酯胶管更换成具有良好透气性的硅胶管(取硅胶管的长度为70cm)，Na2SO3浓度和流量以及DMEM流量设置与上述实验相同，运行2h之后，检测离心管中DMEM的溶解氧浓度，相同实验条件下重复检测三次，并记录实验数据。
5、氧浓度控制芯片在器官芯片中的应用
将氧浓度控制芯片与肝芯片连接，可以模拟肝动脉和门静脉供血中的不同浓度溶解氧，更接近生理状态，提高了器官芯片的仿生度。
以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种微流体溶解氧浓度控制芯片，其特征在于：包括第1层、硅胶膜隔层和第2层；所述第1层、硅胶膜隔层和第2层依次相互重叠，且第1层内表面与第2层内表面分别与位于中间的硅胶膜隔层的两个侧面紧贴重叠；
所述第1层内表面设有一道沟槽，且该沟槽与紧贴的硅胶膜隔层一侧面构成了第1微通道，所述第2层内表面也设有一道沟槽，且该沟槽与紧贴的硅胶膜隔层另一侧面构成了第2微通道；所述硅胶膜隔层将第1微通道与第2微通道相互隔离，且第1微通道与第2微通道隔着硅胶膜隔层相互重合；
所述第1微通道为适于细胞培养基流动的单向通道，第2微通道为适于Na2SO3溶液流动的单向通道，且第1微通道中流动的细胞培养基溶液中的氧透过隔离的硅胶膜扩散至第2通道中流动的Na2SO3溶液中。
2.根据权利要求1所述的微流体溶解氧浓度控制芯片，其特征在于：所述第1微通道是仅有一个入口IN1与一个出口OUT1的单向曲折通道，DMEM培养基从入口IN1进入第1微通道并从出口0UT1流出；
所述第2微通道是仅有一个入口IN2与一个出口OUT2的单向曲折通道，Na2SO3溶液从入口IN2进入第2微通道并从出口OUT2流出；
所述第1微通道的曲折形式及微通道间距与第2微通道的曲折形式及微通道间距相同，且第1微通道中流动的细胞培养基溶液与第2微通道中流动的Na2SO3溶液的流动方向相反。
3.根据权利要求1或2所述的微流体溶解氧浓度控制芯片，其特征在于：所述硅胶膜隔层的孔径为5～10纳米，且硅胶膜隔层的厚度为0.1～0.8毫米。
4.根据权利要求1所述的微流体溶解氧浓度控制芯片，其特征在于：所述第1微通道的深度及宽度与第2微通道的深度及宽度相同，且第1微通道的长度与第2微通道的长度相同。
5.根据权利要求1-4任一所述的微流体溶解氧浓度控制芯片，其特征在于：所述细胞培养基包括DMEM培养基。
6.根据权利要求1-4任一所述的微流体溶解氧浓度控制芯片，其特征在于：所述第1层和第2层采用有机玻璃、玻璃、陶瓷或金、银、铂、钛合金材料制成。
7.一种微流体溶解氧浓度定量控制方法，包括以下步骤：
(1)建立适于细胞培养基流动的第1微通道和适于Na2SO3溶液流动的第2微通道，且使得第1微通道内细胞培养基界面与第2微通道内Na2SO3溶液界面由硅胶膜相互隔离在所述硅胶膜的两侧相对应的位置；
(2)将Na2SO3溶液通入第2微通道，以泵驱动Na2SO3溶液从第2微通道的入口IN2向出口OUT2流动；保持Na2SO3溶液流动，或待Na2SO3溶液充满第2微通道后暂停流动并按设定的时间间隔进行更换；
(3)将细胞培养基通入第1微通道，以泵驱动细胞培养基从第1微通道的入口IN1向出口OUT1流动，且第1微通道内细胞培养基的流动方向与第2微通道内Na2SO3溶液的流动方向相反；
(4)调整第1微通道内的细胞培养基流速和/或第2微通道内Na2SO3溶液的更换时间间隔，直至第1微通道出口OUT1处细胞培养基的溶解氧浓度检测值达到设定的氧浓度目标值。
8.根据权利要求7所述的微流体溶解氧浓度定量控制方法，其特征在于：在步骤(2)中，按8～14小时的时间间隔更换Na2SO3溶液。
9.根据权利要求7所述的微流体溶解氧浓度定量控制方法，其特征在于，在步骤(4)中，当第1微通道出口OUT1的细胞培养基的溶解氧浓度检测值高于目标值，即减慢细胞培养基的流速和/或缩短第2微通道内Na2SO3的更换时间间隔，从而增加细胞培养基与Na2SO3的反应时间，降低第1微通道出口OUT1处细胞培养基的溶解氧浓度；
当第1微通道出口OUT1的细胞培养基的溶解氧浓度检测值低于目标值，即增加细胞培养基的流速和/或延长第2微通道内Na2SO3的更换时间间隔，从而减少细胞培养基与Na2SO3的反应时间，升高第1微通道出口OUT1处细胞培养基的溶解氧浓度。
10.如权利要求7所述的微流体溶解氧浓度定量控制方法，其特征在于，所述第1微通道是仅有一个入口IN1与一个出口OUT1的单向曲折通道，所述第2微通道是仅有一个入口IN2与一个出口OUT2的单向曲折通道，Na2SO3溶液从入口IN2进入第2微通道并从出口OUT2流出；所述第1微通道的曲折形式及微通道间距与第2微通道的曲折形式及微通道间距相同。
CN201910042894.3A 2019-01-16 2019-01-16 一种微流体溶解氧浓度控制芯片 Pending CN109550530A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910042894.3A CN109550530A (zh) 2019-01-16 2019-01-16 一种微流体溶解氧浓度控制芯片

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910042894.3A CN109550530A (zh) 2019-01-16 2019-01-16 一种微流体溶解氧浓度控制芯片

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN109550530A true CN109550530A (zh) 2019-04-02

Family

ID=65873205

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910042894.3A Pending CN109550530A (zh) 2019-01-16 2019-01-16 一种微流体溶解氧浓度控制芯片

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109550530A (zh)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110408538A (zh) * 2019-07-18 2019-11-05 合肥学院 一种多肝小叶集成结构的肝芯片
CN110618095A (zh) * 2019-11-08 2019-12-27 武汉大学深圳研究院 一种光流控水体溶解氧探测器
CN110756232A (zh) * 2019-08-19 2020-02-07 武汉大学深圳研究院 一种基于等离子共振用于测定海水中溶解氧量的光流控检测芯片
CN113926402A (zh) * 2020-06-29 2022-01-14 中国石油化工股份有限公司 一种微通道反应器及其应用
CN114317269A (zh) * 2022-03-09 2022-04-12 苏州大学 一种多器官芯片及其在药物评价中的应用

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103502426A (zh) * 2011-02-28 2014-01-08 哈佛大学校长及研究员协会 细胞培养系统
CN103897978A (zh) * 2012-12-26 2014-07-02 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 微流控微生物培养芯片
CN104698064A (zh) * 2015-03-18 2015-06-10 青岛大学 一种多通道微流控-固相萃取-质谱联用装置及制备方法
CN105994250A (zh) * 2016-05-19 2016-10-12 电子科技大学 一种基于微流控和膜分离技术的细胞低温保护剂添加或去除方法
WO2017096285A1 (en) * 2015-12-04 2017-06-08 President And Fellows Of Harvard College Open-top microfluidic devices and methods for simulating a function of a tissue
CN107523481A (zh) * 2017-08-17 2017-12-29 北京旌准医疗科技有限公司 一种基于微流控芯片的微纳生物粒子分选设备
CN208354445U (zh) * 2018-06-13 2019-01-11 成都酷卓生命科技有限公司 一种螺旋回转形流道低温保护剂处理微流体芯片

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103502426A (zh) * 2011-02-28 2014-01-08 哈佛大学校长及研究员协会 细胞培养系统
CN103897978A (zh) * 2012-12-26 2014-07-02 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 微流控微生物培养芯片
CN104698064A (zh) * 2015-03-18 2015-06-10 青岛大学 一种多通道微流控-固相萃取-质谱联用装置及制备方法
WO2017096285A1 (en) * 2015-12-04 2017-06-08 President And Fellows Of Harvard College Open-top microfluidic devices and methods for simulating a function of a tissue
CN105994250A (zh) * 2016-05-19 2016-10-12 电子科技大学 一种基于微流控和膜分离技术的细胞低温保护剂添加或去除方法
CN107523481A (zh) * 2017-08-17 2017-12-29 北京旌准医疗科技有限公司 一种基于微流控芯片的微纳生物粒子分选设备
CN208354445U (zh) * 2018-06-13 2019-01-11 成都酷卓生命科技有限公司 一种螺旋回转形流道低温保护剂处理微流体芯片

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
刘四新: "《细菌纤维素》", 30 June 2007, 中国农业大学出版社 *
王蕾: "基于微流控芯片的氧气和化学双浓度梯度构建及其在瘤细胞分析中的应用", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 医药卫生科技辑》 *

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110408538A (zh) * 2019-07-18 2019-11-05 合肥学院 一种多肝小叶集成结构的肝芯片
CN110408538B (zh) * 2019-07-18 2024-01-26 安徽骆华生物科技有限公司 一种多肝小叶集成结构的肝芯片
CN110756232A (zh) * 2019-08-19 2020-02-07 武汉大学深圳研究院 一种基于等离子共振用于测定海水中溶解氧量的光流控检测芯片
CN110618095A (zh) * 2019-11-08 2019-12-27 武汉大学深圳研究院 一种光流控水体溶解氧探测器
CN113926402A (zh) * 2020-06-29 2022-01-14 中国石油化工股份有限公司 一种微通道反应器及其应用
CN113926402B (zh) * 2020-06-29 2023-04-07 中国石油化工股份有限公司 一种微通道反应器及其应用
CN114317269A (zh) * 2022-03-09 2022-04-12 苏州大学 一种多器官芯片及其在药物评价中的应用
CN114317269B (zh) * 2022-03-09 2022-05-31 苏州大学 一种多器官芯片及其在药物评价中的应用

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109550530A (zh) 一种微流体溶解氧浓度控制芯片
CN104471052B (zh) 用于基于控制介质流动的三维组织测量的装置和方法
Young et al. Fundamentals of microfluidic cell culture in controlled microenvironments
CN106497771B (zh) 一种用于多种药物及细胞同时筛选的多功能微流控芯片
CN101165161B (zh) 一种微流体浓度梯度细胞培养芯片及其制备方法和应用
US20130295551A1 (en) Microfluidic device and method for modulating a gas environment of cell cultures and tissues
CN101943697B (zh) 一种血液检测方法、系统和微芯片
Lam et al. High-throughput dental biofilm growth analysis for multiparametric microenvironmental biochemical conditions using microfluidics
CN103801412A (zh) 一种用于酶催化产物荧光检测的集成化微流控芯片及其应用
CN101382490A (zh) 一种用于细胞水平高内涵药物筛选的方法
CN108728360A (zh) 一种细胞共培养的装置及其方法
CN111269830B (zh) 一种基于微流控技术的多器官芯片及其应用
WO2022083964A1 (en) System for monitoring three-dimensional cell cultures
Wu et al. Review of microfluidic cell culture devices for the control of gaseous microenvironments in vitro
KR102684875B1 (ko) 유량 및 산소농도의 조절이 가능한 모듈형 미세유체칩
Margalef Laboratory analogues of estuarine plankton systems
RU2587628C1 (ru) Устройство и способ автоматизированного поддержания концентрации растворенных газов в культуральной среде в микрофлюидной системе
CN110423687A (zh) 一种体外仿生血管芯片及其灌注系统以及操作方法
CN109777739A (zh) 一种仿毛细血管养料交换的微流控芯片干细胞培养反应器
CN103360459B (zh) 恒流扩散的蛋白质结晶方法和开放式恒流扩散蛋白质结晶阵列芯片及其制作方法和应用
Cefai et al. Integrated chemical analysis microsystems in space life sciences research
CN209508259U (zh) 一种水质综合毒性检测芯片
CN207689508U (zh) 微流控制cstr反应及探测系统
EP4245839A1 (en) Method for monitoring at least one substance produced or consumed by a living entity
CN107991503A (zh) 微流控制cstr反应及探测系统

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20190402