CN110586213B - 一种多维微流控芯片及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明设计了一种多维微流控芯片并提出了其使用方法，该多维微流控芯片包括盖片层、腔室层一、腔室层二、纳米多孔膜、通道层和基底层，腔室层一和腔室层二上设置有若干均匀的用于化学反应或生物细胞培养的腔室，通道层上沿芯片长度方向设置有若干平行的直通道，直通道最右侧为出样孔，腔室层一和腔室层二上等间距设置有若干与直通道相对应的腔室，纳米多孔膜上设置有若干的通孔，盖片层最左边设置有一列供进样针管通过的入口，入口正下方为直通道的开口端。本发明利用改性的聚二甲基硅氧烷实现了芯片的有效封装，利用纳米多孔膜的微孔透过性有效解决了细胞培养液和药物的随时更换，多腔室和多管道的设计解决了药物和细胞消耗大的问题。

Description

一种多维微流控芯片及其使用方法
技术领域
本发明属于微流控芯片技术领域，具体涉及一种多维微流控芯片及其使用方法。
背景技术
微流控芯片技术是将实验室的各种分析技术整合于一块面积为几平方厘米的芯片上，它涉及了物理、生物、化学、流体力学、材料学等多学科和多领域。近年来，随着科学技术的发展，微流控芯片技术已成为一种重要的分析检测工具。因其具有成本低廉、操作性强、生物兼容性好、微型化、便携式等现场快速检测优势，将在医学快速诊断、食品安全快速检测以及环境质量快速监控等领域具有巨大潜在应用价值。
微流控芯片上的生化实验、探索和应用，一直在火热进行中，临床、医药、食品和环境监测等领域对于生化检测一直是人们关注的重点，尤其对于各种组织、细胞和细菌的分析与检测更是重要的一部分，而对于它们的分析检测都离不开长期的培养和高通量的药物测试。对于生物细胞和细菌的培养、检测和药敏试验等在微流控芯片上的研究是科研领域的热潮，现今对于芯片上培养技术一般是腔室培养、管道培养和凝胶技术。各式各样的微流控芯片的研发推动着微流控芯片技术的快速发展，但现目前的芯片仅能使用几种常规的材料，如玻璃、硅、聚二甲基硅氧烷、有机玻璃，其他材料的键合封装一直无法解决，同时，芯片在细胞培养中难以实现培养液和药物的随时更换，并且对细胞进行药敏性测试时需要测试多种药物和不同的浓度，这时就会消耗大量的药物，测试时间也较长。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种多维微流控芯片并提出了其使用方法，利用改性的聚二甲基硅氧烷实现了芯片的有效封装，利用纳米多孔膜的微孔透过性有效解决了细胞培养液和药物的随时更换，多腔室和多管道的设计解决了药物和细胞消耗大的问题。
为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种多维微流控芯片，包括盖片层、腔室层一、腔室层二、纳米多孔膜、通道层和基底层，腔室层一和腔室层二上设置有若干均匀的用于化学反应或生物细胞培养的腔室，通道层上沿芯片长度方向设置有若干平行的直通道，直通道最右侧为出样孔，腔室层一和腔室层二上等间距设置有若干与直通道相对应的腔室，纳米多孔膜上设置有若干大小均一的通孔，盖片层最左边设置有一列供进样针管通过的入口，入口正下方为直通道的开口端。
进一步，盖片层、腔室层一、基底层材质为聚二甲基硅氧烷，腔室层二和通道层材质为改性聚二甲基硅氧烷。
进一步，改性聚二甲基硅氧烷通过以下方法制备得到：聚二甲基硅氧烷和80％乙氧基化的聚乙烯亚胺溶液按10g：20～50μl的比例搅拌均匀后抽真空，得到改性聚二甲基硅氧烷。
进一步，通道层和基底层通过以下方法制备得到：将改性聚二甲基硅氧烷紧贴在阳膜上，在90℃温度下加热20～30min至半凝固，再加入聚二甲基硅氧烷在90℃温度下加热10～20min至凝固，得通道层。
进一步，腔室层一和腔室层二通过以下方法制备得到：将旋涂的聚二甲基硅氧烷在75℃温度下加热20～40min，再旋涂改性聚二甲基硅氧烷，加热至黏性状态，得腔室层薄膜，通过打孔器或者激光打孔方式形成阵列腔室。
进一步，旋涂聚二甲基硅氧烷和改性聚二甲基硅氧烷时，转速为500～2000r/min，时间为15～60s。
进一步，纳米多孔膜材质为聚碳酸酯，孔的大小为1～900nm。
进一步，芯片采用改性聚二甲基硅氧烷贴合封接。
上述的多维微流控芯片的使用方法，包括以下步骤：
在复合腔室内添加物质A，然后通过进样针管在通道层的直通道内加入物质B，然后将芯片放入液体石蜡中淹没，将注射泵与进样针管连接，驱动流体在直通道内流动并使物质B扩散至上层腔室中。
进一步，物质A为生物组织、细胞或细菌，物质B为细胞培养液、组织培养液、药物或生长因子。
综上所述，本发明具备以下优点：
1、本发明利用多孔膜的微孔透过性，结合改性聚二甲基硅氧烷，制成可粘贴使用的多维微流控芯片，该芯片的特点是多维结构有效的分割了上层腔室与下层微管道，结合纳米多孔膜的特点，上层的生物细胞不能转移到下层，而下层的物质(培养液、药物)等可通过纳米孔进入上层腔室，进行长期的细胞或组织培养与药物敏感性测试。
2、大小均一的阵列腔室设计有效解决了培养和测试过程的误差，也适合于生物细胞多样性的特点，针对不同表现型和基因型的细胞测试得到统计数据，有助于后期的分析。
3、下层管道可以灵活选择直通道数量，丰富了芯片的功能，与上层腔室配合可实现高通量的细胞或组织培养和药物敏感性测试，在单个芯片中实现多种组织细胞或者多种药物的测试和筛选，同时有效解决了消耗量大的问题。
4、改性的聚二甲基硅氧烷具有一定的粘性，能有效解决多维芯片的封装问题，将常规方法无法实现的聚二甲基硅氧烷与聚碳酸酯较为牢固的贴合在一起，二者之间的粘合强度能达到本芯片使用的要求。芯片的封装操作简单，在生物医学领域有重要的价值和广阔的应用前景。
5、聚二甲基硅氧烷和改性的聚二甲基硅氧烷复合材料的使用在实现芯片有效黏合封装的基础上保证了整个结构的硬度，避免了腔室、管道和多层结构的形变，能起到很好的固型作用。
附图说明
图1为多维微流控芯片的示意图；
图2为荧光液渗透效果示意图；
其中：1、盖片层；2、腔室层一；3、腔室层二；4、纳米多孔膜；5、通道层；6、基底层；7、出样孔；8、进样针管。
具体实施方式
在本发明的一个具体实施例中，一种多维微流控芯片，包括盖片层1、腔室层一2、腔室层二3、纳米多孔膜4、通道层5和基底层6，纳米多孔膜4材质为聚碳酸酯，腔室层一2和腔室层二3上设置有若干均匀的用于化学反应或生物细胞培养的腔室，通道层5上沿芯片长度方向设置有若干平行的直通道，直通道最右侧为出样孔7，腔室层一2和腔室层二3上等间距设置有若干与直通道相对应的腔室，纳米多孔膜4上设置有若干大小均一的通孔，盖片层1最左边设置有一列供进样针管8通过的入口，入口正下方为直通道的开口端。芯片采用改性聚二甲基硅氧烷贴合封接。
盖片层1、腔室层一2、基底层6材质为聚二甲基硅氧烷，腔室层二3和通道层5材质为改性聚二甲基硅氧烷。改性聚二甲基硅氧烷通过以下方法制备得到：聚二甲基硅氧烷和80％乙氧基化的聚乙烯亚胺溶液按10g：20～50μl的比例搅拌均匀后抽真空，得到改性聚二甲基硅氧烷；通道层5和基底层6通过以下方法制备得到：将改性聚二甲基硅氧烷紧贴在阳膜上，在90℃温度下加热20～30min至半凝固，再加入聚二甲基硅氧烷在90℃温度下加热10～20min至凝固，得通道层5；腔室层一2和腔室层二3通过以下方法制备得到：将旋涂的聚二甲基硅氧烷在75℃温度下加热20～40min，再旋涂改性聚二甲基硅氧烷，加热至黏性状态，得腔室层薄膜，通过打孔器或者激光打孔方式形成阵列腔室；旋涂聚二甲基硅氧烷和改性聚二甲基硅氧烷时，转速为500～2000r/min，时间为15～60s。
上述的多维微流控芯片的使用方法，包括以下步骤：
在复合腔室内添加物质A，然后通过进样针管8在通道层5的直通道内加入物质B，然后将芯片放入液体石蜡中淹没，将注射泵与进样针管8连接，驱动流体在直通道内流动并使物质B扩散至上层腔室中。物质A为生物组织、细胞或细菌，物质B为细胞培养液、组织培养液、药物或生长因子。
将实施例所得的芯片用去离子水代替物质A，然后在基层通道用荧光液代替物质B，每隔30s进行渗透效果测试，其30s～150s的渗透效果示意图见图2。由图2可知，随着时间的推移，下层通道中的物质越来越多的渗透到上层腔室。
虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可作出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (8)

1.一种多维微流控芯片，其特征在于，包括盖片层（1）、腔室层一（2）、腔室层二（3）、纳米多孔膜（4）、通道层（5）和基底层（6），所述腔室层一（2）和所述腔室层二（3）上设置有若干均匀的用于化学反应或生物细胞培养的腔室，所述通道层（5）上沿芯片长度方向设置有若干平行的直通道，所述直通道最右侧为出样孔（7），所述腔室层一（2）和所述腔室层二（3）上等间距设置有若干与所述直通道相对应的腔室，所述纳米多孔膜（4）上设置有若干大小均一的通孔，所述盖片层（1）最左边设置有一列供进样针管（8）通过的入口，所述入口正下方为所述直通道的开口端，所述纳米多孔膜（4）材质为聚碳酸酯，孔的大小为1~900nm。
2.如权利要求1所述的多维微流控芯片，其特征在于，所述盖片层（1）、所述腔室层一（2）、所述基底层（6）材质为聚二甲基硅氧烷，所述腔室层二（3）和通道层（5）材质为改性聚二甲基硅氧烷。
3.如权利要求2所述的多维微流控芯片，其特征在于，所述改性聚二甲基硅氧烷通过以下方法制备得到：聚二甲基硅氧烷和80%乙氧基化的聚乙烯亚胺溶液按10g：20~50 μl的比例搅拌均匀后抽真空，得到改性聚二甲基硅氧烷。
4.如权利要求2所述的多维微流控芯片，其特征在于，所述通道层（5）和基底层（6）通过以下方法制备得到：将改性聚二甲基硅氧烷紧贴在阳膜上，在90℃温度下加热20~30min至半凝固，再加入聚二甲基硅氧烷在90℃温度下加热10~20min至凝固。
5.如权利要求2所述的多维微流控芯片，其特征在于，所述腔室层一（2）和所述腔室层二（3）通过以下方法制备得到：将旋涂的聚二甲基硅氧烷在75℃温度下加热20~40min，再旋涂改性聚二甲基硅氧烷，加热至黏性状态，得腔室层薄膜，通过打孔器或者激光打孔方式形成阵列腔室。
6.如权利要求5所述的多维微流控芯片，其特征在于，旋涂聚二甲基硅氧烷和改性聚二甲基硅氧烷时，转速为500~2000r/min，时间为15~60s。
7.权利要求1~6任一项所述的多维微流控芯片的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
在复合腔室内添加物质A，然后通过进样针管在通道层的直通道内加入物质B，然后将芯片放入液体石蜡中淹没，将注射泵与进样针管连接，驱动流体在直通道内流动并使物质B扩散至上层腔室中。
8.如权利要求7所述的多维微流控芯片的使用方法，其特征在于，所述物质A为生物组织、细胞或细菌，物质B为细胞培养液、组织培养液、药物或生长因子。
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