CN110713898A - 一种向活细胞施加外力的装置、方法及高通量微流控芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明属于生物力学技术领域，涉及细胞力学研究的装置与方法。一种向活细胞施加外力的装置，包括：第一芯片，所述第一芯片上设有细胞培养腔、与所述细胞培养腔连通的第一流道；第二芯片，位于所述第一芯片的上方，用于向所述第一芯片施加压力。本发明的向活细胞施加外力的装置，能够实现细胞培养，并向培养中的细胞施加法向和/或切向作用力，丰富了细胞力学研究的实验手段。
Description
技术领域
本发明属于生物力学技术领域，涉及细胞力学研究的装置与方法。
背景技术
细胞力学（cell mechanics）是生物力学的一个前沿领域，也是组织工程学的一个重要组成部分。它涉及细胞在力学载荷作用下细胞膜、细胞骨架的变形、弹性常数、粘弹性、粘附力等力学性能的研究，以及力学因素对细胞生长、发育、成熟、增殖、衰老和死亡等的影响及其机制研究。
对于细胞力学来讲，其研究的前提条件是细胞的力学加载方式；所以寻找合适的细胞力学加载方法及相关的生物学测量手段是细胞力学研究的首要问题。细胞力学实验是在一定条件下对细胞所处的生物力学环境的模拟。
按照所模拟力的来源不同，通常分为模拟体内力学环境和模拟体外力学环境两大类。模拟体内力学环境的实验方法主要有流动剪切力法、基底拉伸法、静水压法、圆周应力法；模拟体外力学环境的实验方法主要有微重力细胞培养法、离心力场法、气体加压法、声波刺激法、微光束辐照法。此外，研究单细胞力学特性的实验方法主要有微管吸吮法、原子力显微镜悬臂刺激法、磁珠扭转法和光钳法。
现有的方法和仪器设备一般只应用于对细胞施加单一方向和类型的外力，如切向的流体剪切力或法向的压力等。然而，细胞在生理环境中通常会受到多个方向所施加的不同形式的外力。因此，模拟细胞的生理环境并研究其对外力的反应机制需要一种能在体外对培养中的细胞施加多向外力的方法和相应装置。
发明内容
为了弥补现有技术中存在的问题，本发明提供一种向活细胞施加外力的装置及方法，可以同时向培养中的活细胞施加法向与切向外力。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种向活细胞施加外力的装置，包括第一芯片，所述第一芯片上设有细胞培养腔，与所述细胞培养连通的第一流道；
第二芯片，位于所述第一芯片的上方，用于向所述第一芯片施加压力。
作为本发明的进一步改进，所述的第二芯片上设有第二流道，所述第二流道用于向所述第一流道施加压力，控制所述细胞培养腔前后端流道的开启和关闭。
作为本发明的进一步改进，所述的第二芯片上设有压力腔室，所述的压力腔室位于所述细胞培养腔的正上方。
作为本发明的进一步改进，所述的第一流道设有入口管道和出口管道，所述入口管道和出口管道穿过所述的第二芯片，并开口于所述第二芯片的表面。
作为本发明的进一步改进，所述第一流道设有若干分支，所述分支垂直于所述第一流道的主干，所述细胞培养腔开设在所述分支上；所述出口管道连接在所述分支的末端
作为本发明的进一步改进，所述第二芯片上设有与所述压力腔室连接的第三流道。
作为本发明的进一步改进，所述的第一芯片的下方设有载玻片，所述第一芯片与所述载玻片键合。
作为本发明的进一步改进，所述的第一芯片、第二芯片采用PDMS制成。
本发明解决其技术问题，采用的另一种技术手段是提供一种向活细胞施加外力的方法，包括：
将细胞溶液注入第一流道内，流入细胞培养腔内；
待注入的细胞正常贴壁生长后，向第二流道内注入液体，第二流道充满液体后受到压迫，可向第一流道施加压力，阻断第一流道，从而使细胞培养腔室两端闭合；
通过第三流道向压力腔室中注入液体，利用液压向下方的细胞培养腔室内的活细胞施加法向作用力；
在第二流道未注入液体时，第一流道的入口管道和出口管道连接液压控制装置，通过控制流道内培养液的流速向细胞培养腔中的活细胞施加流体剪切力。
本发明还提供一种高通量微流控芯片，所述的高通量微流控芯片是由若干所述向活细胞施加外力的装置组成的阵列。
与现有技术相比，本发明的向活细胞施加外力的装置、方法及高通量微流控芯片，具有以下有益效果：
1.既能够同时对细胞施加法向和切向作用力，也能够仅对细胞施加单一方向的作用力。对两个轴向上外力的控制在时间和强度上各自独立，互不干扰。法向力的大小可通过注入流体的体积计算，切向力可以通过注入流体的流速控制。
2.能够确保细胞在被施加外力的前、中、后及其前后的较长时间段内正常、稳定的生长环境。因而，本发明既能够实现长时间对培养中的活细胞施加稳定的力学信号，也可以在短暂对细胞施加外力后立即检测其瞬时效应，或使细胞继续在培养腔内生长，观测短暂外力对细胞的长期效应。
3.本发明的高通量微流控芯片，微流道和细胞培养腔以阵列的方式分布在芯片上。每个流道单元可以设定不同的外力条件。每一个流道单元中设有若干个平行的细胞培养腔，可对相同条件进行统计分析。每个细胞培养腔可容纳多个细胞。
附图说明
图1为本发明实施例的向活细胞施加外力的装置的俯视图；
图2为图1中第一芯片的结构示意图；
图3为图1中第二芯片的结构示意图；
图4为图1中沿a-a方向的剖面示意图；
图5是图1中沿c-c方向的剖面示意图；
图6为向活细胞施加切向力的示意图（a-a）；
图7是向活细胞施加法向力的示意图（a-a）
图8是向活细胞施加法向力的示意图（c-c）；
图9是本发明实施例的高通量微流控芯片的示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
实施例1 本实施例提供一种向活细胞施加法向与切向外力装置，如图1、2、3所示，主要由第一芯片101、第二芯片102和载玻片103组成。第一芯片101键合在载玻片103上，第二芯片102位于第一芯片101的上方。第一芯片和第二芯片采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成。表面经基底蛋白涂敷的PDMS腔室适用于多种细胞的培养，细胞和培养基可经由微流道注入和更换。
如图2所示，第一芯片101上设有第一流道11，第一流道11的主干上均布有5条分支12，作为一种优选的方式，该5条分支垂直于第一流道11主干并且平行分布于第一流道11的同一侧。在5条分支12上分别开设有5个细胞培养腔13。在第一流道11的入口处连接有入口管道14，在分支13的末端连接有出口管道15。入口管道14、出口管道15自下而上穿透第二芯片102，开口于第二芯片的上表面。如图4所示。
如图3所示，第二芯片102上设有第二流道，第二流道由两条形状相同的流道f 21和流道g 22组成。
流道 f 21或流道g 22有一段较长的水平段和一段较短的直角折弯端。流道f 21和流道g 22的水平段互相平行。流道f 21和流道g 22的直角折弯端的末端分别开设有C孔23和D孔24。流道f 21和流道g 22的水平段的末端为盲端。
在流道f 21和流道g 22的平行区域内，设有第三流道25和5个压力腔室26。5个压力腔室26分别与第三流道25的5个分支的末端连通。第三流道 25的主干设有E孔27。
如图1所示，第二芯片102上的流道f 21和流道g 22分别在细胞培养腔13的前后端与第一流道11的分支12空间相交。并且，压力腔室26与细胞培养腔13重合。
第二芯片102的功能是阀门和法向压力控制层。其中，流道f21和流道g22为第一芯片101上的细胞培养腔13的阀门。待细胞培养腔13中注入的细胞正常贴壁生长后，可通过C孔23和D孔24向流道f21和流道g22注入液体。流道内充满液体后受到压迫，可向下方的第一流道11的分支12施加压力，阻断分支12，从而使细胞培养腔13两端流道闭合，如图4所示。当流道f21和流道g22中的液体被排出，可以解除第一流道上的压力，使细胞培养腔13两端流道打开，恢复连通。
第三流道25及5个方形压力腔室26用于控制第一芯片101上细胞培养腔13的法向压力。液体经由E孔27注入第三流道25后，注入到压力腔室26内。压力腔室26内的液体利用液压向下方的细胞培养腔13内的活细胞104施加法向作用力F，如图5所示。
实施例2 本实施例提供一种向活细胞施加法向与切向外力的方法，具体包括以下步骤：
（1）将细胞溶液通过入口管道14注入到第一流道11内，分流到5个分支上的细胞培养腔13内，多余的液体通过出口管道15排出。
（2）待注入的细胞正常贴壁生长后，向流道f21和流道g22内注入液体，流道充满液体后受到压迫，可向第一流道11的分支12施加压力，阻断第一流道的分支，从而使细胞培养腔13两端的流道闭合；使细胞在相对稳定的环境下正常生长。
（3）通过第三流道25向压力腔室26中注入液体，利用液压向下方的细胞培养腔13内的活细胞施加法向作用力；如图7、8所示。
（4）第一流道11的入口管道14和出口管道15连接液压控制装置，通过控制流道内培养液的流速向细胞培养腔13中的活细胞104施加流体剪切力F，如图6所示。
需要说明的是，本发明的方法，可以同时对活细胞施加流体剪切力和法向压力，流道f21和流道g22不充液体，保持细胞培养腔两端的流道连通，同时操作步骤（3）和步骤（4）。
也可以对细胞施加单一外力：向活细胞施加法向压力时，操作步骤（2）、（3）；向细胞施加流体剪切力时，流道f21和流道g22不充液体，保持细胞培养腔两端的流道连通，仅操作步骤（4）即可。
实施例3 本实施例提供一种高通量微流控芯片，结构如图9所示，若干个如实施例1的装置，以阵列的方式分布在芯片上。尺寸为75mm X 25mm的芯片上共设有12个装置，每个装置可以设定不同的外力条件。每一个装置中设有5个平行的细胞培养腔，可对相同条件进行统计分析。每个细胞培养腔的规格（长X宽）为500μm X 500μm，可容纳多个细胞。
Claims (10)
1.一种向活细胞施加外力的装置，其特征在于，包括：
第一芯片，所述第一芯片上设有细胞培养腔、与所述细胞培养腔连通的第一流道；
第二芯片，位于所述第一芯片的上方，用于向所述第一芯片施加压力。
2.根据权利要求1所述的向活细胞施加外力的装置，其特征在于，所述的第二芯片上设有第二流道，所述第二流道用于向所述第一流道施加压力，控制所述细胞培养腔前后端流道的开启和关闭。
3.根据权利要求1所述的向活细胞施加外力的装置，其特征在于，所述的第二芯片上设有压力腔室，所述的压力腔室位于所述细胞培养腔的正上方。
4.根据权利要求1所述的向活细胞施加外力的装置，其特征在于，所述的第一流道设有入口管道和出口管道，所述入口管道和出口管道穿过所述的第二芯片，并开口于所述第二芯片的表面。
5.根据权利要求4所述的向活细胞施加外力的装置，其特征在于，所述第一流道设有若干分支，所述细胞培养腔设在所述分支上；所述出口管道连接在所述分支的末端。
6.根据权利要求3所述的向活细胞施加外力的装置，其特征在于，所述第二芯片上设有与所述压力腔室连接的第三流道。
7.根据权利要求1-6任一项所述的向活细胞施加外力的装置，其特征在于，所述的第一芯片的下方设有载玻片，所述第一芯片与所述载玻片键合。
8.根据权利要求1-6任一项所述的向活细胞施加外力的装置，其特征在于，所述的第一芯片、第二芯片采用PDMS制成。
9.一种向活细胞施加外力的方法，包括：
将细胞溶液注入第一流道内，流入细胞培养腔内；
待注入的细胞正常贴壁生长后，向第二流道内注入液体，第二流道充满液体后受到压迫，可向第一流道施加压力，阻断第一流道，从而使细胞培养腔室两端闭合；
通过第三流道向压力腔室中注入液体，利用液压向下方的细胞培养腔室内的活细胞施加法向作用力；
在第二流道未注入液体时，第一流道的入口管道和出口管道连接液压控制装置，通过控制流道内培养液的流速向细胞培养腔中的活细胞施加流体剪切力。
10.一种高通量微流控芯片，其特征在于，包括权利要求1-6任一项所述的向活细胞施加外力的装置，若干所述装置呈阵列分布。
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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 |
Application publication date: 20200121 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |