CN110302726A - 一种基于微流控的负载细胞水凝胶微珠制备装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于生物医学工程与微流控技术领域，具体为一种基于微流控的负载细胞水凝胶微珠制备装置及方法。本发明装置包含一个液滴微流控芯片以及一个负压装置；芯片包含有一个细胞与水凝胶前体的入口、一个油相入口，及一个出口；在芯片的入口处各设有一个储液池，在芯片出口处设有一个收集池，且该收集池连通提供负压的装置。首先将细胞与水凝胶前体溶液加入到对应的储液池内，再将含有表面活性剂与交联剂的油加入到对应的储液池内。对收集池施加一定的负压，使水相和油相流入芯片通道内，并形成油包水的液滴，待水凝胶前体交联后即形成负载细胞的水凝胶微珠，可以进行后续的三维培养等应用。
Description
技术领域
本发明属于生物医学工程与微流控技术领域，具体涉及一种基于微流控的负载细胞水凝胶微珠制备装置及方法。
背景技术
体内细胞处于细胞-细胞，细胞-基质相互作用的三维微环境。传统体外二维细胞培养技术在一定程度上缺乏上述微环境，导致细胞的生物学功能以及病理过程与体内相差较大。因此，体外提供细胞三维培养体系，实现近生理的细胞微环境是组织工程、器官再造前提。
利用水凝胶进行细胞三维培养已经广泛的应用于生物医学工程、组织工程等领域。水凝胶通过包裹细胞使细胞处于三维空间，并促进细胞-细胞间的相互作用。此外，水凝胶通过模拟细胞外基质为细胞提供合适的物理、化学、机械等微环境，促进细胞维持近生理的生物学功能和组织形态。
制备负载细胞的水凝胶的方法包括单纯的水凝胶与细胞混合，可控的3D打印，悬滴法，微流体技术等。单纯将水凝胶与细胞混合，加入到培养皿中常规培养存在细胞分布不均匀，细胞容易坏死，可操控性差。悬滴法操作繁琐，通量低，液滴大小的可控性差；3D打印技术无法实现较小液滴的精确操作，细胞沉降导致细胞分布不均匀等问题。
微流控液滴技术可以实现对产生的液滴进行精确操控，因此，利用液滴芯片可以制备出具有可控尺寸均一的水凝胶微珠。然而，现有液滴技术大多采用正压的注射泵、蠕动泵等作为驱动力将水相和油相注入到芯片内。该方法需要相对比较昂贵的设备，且具有较大的死体积，造成细胞以及试剂的浪费。
本发明以液滴微流控为基础，采用一个负压系统，方便快捷的产生负载细胞的水凝胶微珠，并可以在水凝胶微珠内进行细胞的三维培养，以及应用于生物医学工程、组织工程、药物研发等研究领域。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于微流控的负载细胞水凝胶微珠制备装置及方法。
本发明提供的基于微流控的负载细胞水凝胶微珠制备装置，主要包含一个微流控芯片和一个负压设备，参见图1所示。所述微流控芯片具有一个细胞与水凝胶前体的入口，一个油相入口，以及一个出口；其中，两个入口分别设有储液池，出口处设有一个收集池；所述负压设备与收集池连接。
该装置中，所述微流控芯片内流体通道的宽度为50-200微米，高度为50-200微米。
该装置中，所述微流控芯片的水相通道与油相通道以“十”字结构交汇，或以“T”字结构交汇。
该装置中，所述储液池的体积为100-500微升，所述收集池的体积为1-5毫升。
本发明装置通过对芯片出口施加一定的负压，使细胞与水凝胶前体混合液和液滴生成油进入芯片通道内，并形成稳定的液滴；待水凝胶交联后即形成负载细胞的水凝胶微珠，可以进行三维培养，并可以应用于生物医学工程、组织工程、药物研发等研究领域。
本发明提供的基于微流控的负载细胞水凝胶微珠制备方法，是基于上述装置的，具体步骤如下：
（1）配置细胞与水凝胶前体混合液，其中，细胞浓度为100-10000个每微升，水凝胶前体质量浓度为0.5-15%；并将该混合液加入到水相的储液池中；
（2）将含有表面活性剂的油加入到油相的储液池中；
（3）根据水凝胶交联方法的不同，可将交联剂按照0.5-10%的质量浓度加入到水相或油相中；
（4）对可密封的收集池施加一定的负压，使水相和油相进入微流控芯片，并在通道交汇处形成液滴，再通过出口进入到收集池内，待水凝胶交联后即形成负载细胞的水凝胶微珠，并可以进行后续的三维培养等。
本发明中，所述水凝胶材料包括但不限于以下几种：离子交联型水凝胶，光聚型水凝胶，热敏型水泥胶；其中：
（1）离子交联型水凝胶，例如：海藻酸钠等。其中水凝胶前体的质量浓度为0.5-10%，所需交联的质量浓度为2-10%；
（2）光聚型水凝胶，例如：GelMA、PEGDA等。其中水凝胶前体的质量浓度约为0.5-20%，所需交联的光引发剂质量浓度为0.5-5%；
（3）热敏型水泥胶，例如：琼脂糖，明胶等。水凝胶前体的质量浓度约为0.5-20%，所需交联的温度小于10℃。
本发明中，所述油相包括但不限于：油酸、矿物油、氟碳油等。
本发明中，所述表面活性剂包括但不限于：Span20、Span80、Tween20、SDS等，也可以使用含有表面活性剂的商品化液滴油，例如：Bio-rad公司的液滴生成油。
本发明中，所述负压由可以提供负压的真空装置所提供，其负压范围约为-10~-1000Pa。
本发明的优势是，无需注射泵、蠕动泵等设备，采用简单的负压设备，例如真空泵、注射器、洗耳球等，即可产生稳定的液滴。同时，芯片上的储液池设计也可以降低该液滴系统的死体积，从而效率更高，节约成本。此外，本系统可以在很短的时间内完成液滴的生成，可以维持细胞的活力。利用本系统制备的负载细胞的水凝胶微珠可以进行细胞的三维培养，并可以应用于生物医学工程、组织工程、药物研发等研究领域。
附图说明
图1 本发明装置结构图示。
图2为负载HepG2细胞的海藻酸钙微球。
图3为负载HepG2细胞的GelMA微球。
具体实施方式
本发明的负载细胞水凝胶微珠制备装置，主要包含一个微流控芯片和一个负压设备；所述微流控芯片具有一个细胞与水凝胶前体的入口，一个油相入口，以及一个液滴出口；其中，两个入口分别设有储液池，出口处设有一个可密封的收集池；在两个储液池下，两个入口处分别连接到微流控芯片的微通道，所述微通道宽度为100微米，高度为100微米，两条微通道以“T”字结构交汇成一条微通道后，和收集池底部液滴出口对接；所述负压设备与收集池7连接。
所述负压设备选用真空泵，启动后对收集池抽真空，形成负压，将两个储液池中的液体引入收集池中。如图1所示。
一种基于微流控的负载细胞水凝胶微珠的制备方法。负载细胞水凝胶微珠按照以下步骤制备：
（1）配置细胞与水凝胶前体混合液，其中细胞浓度约为100-10000个每微升，水凝胶前体浓度约为0.5-15%；并将该混合液加入到水相的储液池中；
（2）将含有表面活性剂的油加入到油相的储液池中；
（3）根据水凝胶交联方法的不同，将交联剂按照0.5-10%的浓度加入到水相或油相中；
（4）对可密封的收集池施加一定的负压，使水相和油相进入微流控芯片，并在通道交汇处形成液滴，再通过出口进入到收集池内，待水凝胶交联后即形成负载细胞的水凝胶微珠，并可以进行后续的三维培养等。
实施例1
配置肝癌细胞（HepG2）与水凝胶前体（海藻酸钠）的混合液，其中使用膜染料预染HepG2细胞，计数使HepG2细胞浓度为1000个每微升，海藻酸钠浓度为2%，Ca-EDTA浓度为150mM；
配置含有交联剂和表面活性剂的油：在油酸中加入10%的span80与0.1的醋酸；
取100微升细胞与水凝胶前体混合液加入到微流控芯片水相入口上方的储液池中，取300微升的油酸溶液加入到微流控芯片油相入口上方的储液池中；
利用真空泵对芯片出口的收集池施加负压，使水相跟油相进入芯片通道，并在芯片内形成液滴后进入出口处的收集池内；
最后将收集池内形成的乳相进行破乳、清洗后即得到负载HepG2细胞的海藻酸钙微球，可在体外培养5-10天（图2）。
实施例2
配置肝癌细胞（HepG2）与水凝胶前体（GelMA）的混合液，其中使用膜染料预染HepG2细胞，计数使HepG2细胞浓度为2000个每微升，GelMA浓度为16%，光引发剂浓度为0.2%；
配置含有交联剂和表面活性剂的油：在油酸中加入10%的span80；
取200微升细胞与水凝胶前体混合液加入到微流控芯片水相入口上方的储液池中，取500微升的油酸溶液加入到微流控芯片油相入口上方的储液池中；
利用真空泵对芯片出口的收集池施加负压，使水相跟油相进入芯片通道，并在芯片内形成液滴后进入出口处的收集池内；
待收集结束后利用紫外光对GelMA进行光聚和反应；
最后将收集池内形成的乳相进行破乳、清洗后即得到负载HepG2细胞的GelMA微球，可在体外培养7-14天（图3）。
Claims (8)
1.一种基于微流控的负载细胞水凝胶微珠的制备装置，其特征在于，包含一个微流控芯片和一个负压设备；所述微流控芯片具有一个细胞与水凝胶前体的入口，一个油相入口，以及一个出口；其中，两个入口分别设有储液池，出口处设有一个收集池；所述负压设备与收集池连接。
2.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，所述微流控芯片内流体通道的宽度为50-200微米，高度为50-200微米；所述微流控芯片的水相通道与油相通道以“十”字结构交汇，或以“T”字结构交汇。
3.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，所述储液池的体积100-500微升，所述收集池的体积为1-5毫升。
4.一种基于权利要求1-3之一所述装置的基于微流控的负载细胞水凝胶微珠制备方法，其特征在于，具体步骤为：
（1）配置细胞与水凝胶前体混合液，其中，细胞浓度为100-10000个每微升，水凝胶前体质量浓度为0.5-15%；并将该混合液加入到水相的储液池中；
（2）将含有表面活性剂的油加入到油相的储液池中；
（3）将交联剂按照0.5-10%的质量浓度加入到水相或油相中；
（4）对可密封的收集池施加负压，使水相和油相进入微流控芯片，并在通道交汇处形成液滴，再通过出口进入到收集池内，待水凝胶交联后即形成负载细胞的水凝胶微珠。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，水凝胶为离子交联型水凝胶、光聚型水凝胶或热敏型水泥胶；其中：
对于离子交联型水凝胶，其胶前体的质量浓度为0.5-10%，所需交联的质量浓度为2-10%；
对于光聚型水凝胶，其前体的质量浓度为0.5-20%，所需交联的光引发剂质量浓度为0.5-5%；
对于热敏型水泥胶，其水前体的质量浓度为0.5-20%，所需交联的温度小于10℃。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述油相为：油酸、矿物油或氟碳油。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述表面活性剂选自：Span20、Span80、Tween20或SDS，或使用含有表面活性剂的商品化液滴油。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述负压范围为-10~-1000Pa。
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