CN110804529B - 一种光敏性水凝胶微阀的芯片结构及单细胞筛选方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光敏性水凝胶微阀的芯片结构及单细胞筛选方法，该芯片结构包括细胞悬浮液进口，两鞘液进口，细胞悬浮液出口一，细胞悬浮液出口二，细胞识别区。本发明的有益效果为：本发明的微流控芯片结构的进出口与边界相接，形状采用梯形，通道宽度逐渐向外变大，毛细管横插入微流控芯片的进出口；同时，由于芯片是采用PDMS材料，具有一定的弹性，可以容许多种直径的毛细管，并且保证了密封性，也无需多余的胶对其粘结，操作也简单，该微流控芯片结构仅需一个激光器就可以控制两个微阀的开闭，为高集成度的水凝胶微阀控制提供了思路；微阀放置在靠近主流道的位置，是为了更快速的将单个细胞隔开，避免其他的细胞混入。

Description

一种光敏性水凝胶微阀的芯片结构及单细胞筛选方法

技术领域

本发明涉及微流控芯片及单细胞筛选技术领域，尤其涉及一种光敏性水凝胶微阀的芯片结构及单细胞筛选方法。

背景技术

细胞是生物体基本的结构和功能单位，是生命科学和生物医学研究的基础。在细胞生物学研究中，细胞培养是必不可少的过程。但是在细胞培养中常会出现细胞团聚现象。同时，细胞也会出现老化等不符合预期的状态。此时就需要对细胞进行筛选，筛选出理想中的细胞状态。

为避免细胞团聚及细胞老化等现象，需要对细胞进行筛选。基于细胞体积变化(如细胞团聚会造成细胞体积变大，细胞老化会使得细胞体积变小)。结合图像识别与微流控芯片实现对细胞筛选的自动控制。本专利主要是针对单细胞筛选而设计的微流控芯片结构，该微流控芯片结构仅利用一个激光控制器可以控制两个微阀的开闭，从而形成不同的细胞流动路径，使细胞进入不同的区域，实现对细胞的筛选。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光敏性水凝胶微阀的芯片结构及单细胞筛选方法。

本发明是通过如下措施实现的：一种光敏性水凝胶微阀的芯片结构，其中，所述该芯片结构包括细胞悬浮液进口，两鞘液进口，细胞悬浮液出口一，细胞悬浮液出口二，光纤进口，主流道，侧流道一，侧流道二，微阀一，微阀二和细胞识别区；

所述两鞘液进口位于所述细胞悬浮液进口两侧，并与所述主流道顶端相连通，所述主流道的低底端与侧流道一、侧流道二连通，所述侧流道一、侧流道二两侧分别贯通连接有细胞悬浮液出口一和细胞悬浮液出口二；

在所述细胞悬浮液出口一与所述侧流道一连接处设有与所述侧流道一互相连通的所述光纤进口；

所述微阀一为热缩型纳米复合水凝胶微阀，其是以聚亚甲基丙烯酰胺为基体的纳米复合水凝胶制成；

所述微阀二为热胀型纳米复合水凝胶微阀，其是以聚丙烯酸为基体的纳米复合水凝胶制成；

纳米颗粒为粒径大小为42nm的纳米金，该纳米金对526nm的激光能量吸收最好，可以更快吸收能量并将能量传递给水凝胶，因此，激光的波长为526nm。

所述微阀一和微阀二采用原位法制备，先将预聚溶液通入整个微流道内，将掩模版固定在微流控芯片结构上，并放在紫外光下照射，经照射的预聚溶液形成水凝胶，然后用溶液冲掉未反应的预聚溶液；

所述微流控芯片结构的进出口与边界相接，形状为梯形状，为通道宽度向外逐渐变大毛细管，所述毛细管横插入所述微流控芯片结构的进出口。

作为本发明提供的一种光敏性水凝胶微阀的芯片结构进一步优方案，所述细胞悬浮液进口，鞘液进口，细胞悬浮液出口一，细胞悬浮液出口二，光纤进口，主流道，侧流道一，侧流道二的通道宽度为300um。

作为本发明提供的一种光敏性水凝胶微阀的芯片结构进一步优化方案，其特征在于，所述细胞悬浮液进口，鞘液进口，侧流道一，侧流道二的长度为5mm；主流道，细胞悬浮液出口一和细胞悬浮液出口二长度为10mm。

作为本发明提供的一种光敏性水凝胶微阀的芯片结构进一步优化方案，所述微阀一，微阀二均为光敏性纳米复合水凝胶微阀，其直径为300um，分别位于侧流道一、侧流道二的0.5um处。

作为本发明提供的一种光敏性水凝胶微阀的芯片结构进一步优化方案，所述细胞悬浮液进口，鞘液进口，细胞悬浮液出口一，细胞悬浮液出口二，光纤进口与边界连接，并向外偏斜5度；所述细胞识别区在主流道的中间位置长度为5mm。

为了更好地实现本发明目的，本发明还提供一种光敏性水凝胶微阀的芯片结构的单细胞筛选方法，包括以下步骤：

S1、细胞悬浮液由微泵从细胞悬浮液进口泵入，鞘液由微泵从鞘液进口泵入，形成鞘流，使得细胞依次流入主流道，并进入细胞识别区；

S2、当细胞进入到细胞识别区内，由计算机控制高速摄像机获得图像识别区域的照片，此时仅有一个单细胞在图像识别区域，根据图像像素点色域值的不同判断细胞边界，以两个距离最远的像素点确定该细胞的直径大小，细胞的直径记为D，通过计算公式V＝1.56D²计算该细胞的体积大小，将其与事先给出的细胞体积阈值V-1.042V比较，若该细胞体积在给出的阈值区间范围内，则为期待细胞状态，若不在，则为不理想状态；

S3、如果是，计算机打开激光器，经激光照射后的热缩型纳米复合水凝胶微阀受热，体积变小，侧流道一打开；热胀型纳米复合水凝胶微阀受热，体积变大，侧流道二关闭，细胞依次经过微阀、侧流道一、细胞悬浮液出口一进入到外部的培养皿，并等待下一步处理；

S4、当计算机判断细胞不是期待的状态，则关闭激光，水凝胶温度下降，热缩型纳米复合水凝胶微阀体积变大，侧流道一关闭；热胀型纳米复合水凝胶微阀体积变大，侧流道二打开，细胞依次经过热胀型纳米复合水凝胶微阀、侧流道二、细胞悬浮液出口二进入到外部的培养皿，并等待下一步处理，实现微流控芯片结构对细胞的筛选。

所述步骤S2具体还包括以下步骤：

S21：在细胞培养中，多个细胞聚集在一起，说明细胞团聚，此时细胞体积大，超出给定的细胞体积阈值，可判断为团聚现象；

S22：当细胞衰老时，体积变小，低于给定的细胞体积阈值，可判断为细胞衰老；

本发明的有益效果为：本发明的光敏性水凝胶微阀的芯片结构的进出口与边界相接，形状采用梯形，通道宽度逐渐向外变大，毛细管横插入微流控芯片的进出口；同时，由于芯片是采用PDMS材料，具有一定的弹性，可以容许多种直径的毛细管，并且保证了密封性，也无需多余的胶对其粘结，操作也简单，该微流控芯片结构仅需一个激光器就可以控制两个微阀的开闭，为高集成度的水凝胶微阀控制提供了思路；微阀放置在靠近主流道的位置，是为了更快速的将单个细胞隔开，避免其他的细胞混入。

附图说明

图1为本发明实施例中的光敏性水凝胶微阀的芯片结构示意图。

图2为本发明实施例中微流控芯片结构的左侧热缩型水凝胶微阀打开的结构示意图。

图3为本发明实施例中微流控芯片结构的右侧热胀型水凝胶微阀打开的结构示意图。

其中，附图标记为：1、细胞悬浮液进口；2、鞘液进口；3、主流道；4、细胞识别区；5、微阀一；6、微阀二；7、侧流道一；8、侧流道二；9、光纤进口；10、细胞悬浮液出口一；11、细胞悬浮液出口二。

具体实施方式

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，对本发明进行进一步详细说明。当然，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明创造的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。

实施例1

参见图1与图3，本发明提供其技术方案为，一种光敏性水凝胶微阀的芯片结构，其中，所述该芯片结构包括细胞悬浮液进口1，两鞘液进口2，细胞悬浮液出口一10，细胞悬浮液出口二11，光纤进口9，主流道3，侧流道一7，侧流道二8，微阀一5，微阀二6和细胞识别区4；

所述两鞘液进口2位于所述细胞悬浮液进口1两侧，并与所述主流道3顶端相连通，所述主流道3的低端与侧流道一7、侧流道二8连通，所述侧流道一7、侧流道二8两侧分别贯通连接有细胞悬浮液出口一10和细胞悬浮液出口二11；

在所述细胞悬浮液出口一10与所述侧流道一7连接处设有与所述侧流道一7互相连通的所述光纤进口9；

所述微阀一5为热缩型纳米复合水凝胶微阀5，其是以聚亚甲基丙烯酰胺为基体的纳米复合水凝胶制成；

所述微阀二6为热胀型纳米复合水凝胶微阀6，其是以聚丙烯酸为基体的纳米复合水凝胶制成；

纳米颗粒为粒径大小为42nm的纳米金，该纳米金对526nm的激光能量吸收最好，可以更快吸收能量并将能量传递给水凝胶，因此，激光的波长为526nm。

所述微阀一5和微阀二6采用原位法制备，先将预聚溶液通入整个微流道内，将掩模版固定在微流控芯片结构上，并放在紫外光下照射，经照射的预聚溶液形成水凝胶，然后用溶液冲掉未反应的预聚溶液；

所述微流控芯片结构的进出口与边界相接，形状为梯形状，为通道宽度向外逐渐变大毛细管，所述毛细管横插入所述微流控芯片结构的进出口。

作为本发明提供的一种光敏性水凝胶微阀的芯片结构进一步优方案，所述细胞悬浮液进口1，鞘液进口2，细胞悬浮液出口一10，细胞悬浮液出口二11，光纤进口9，主流道3，侧流道一7，侧流道二8的通道宽度为300um。

作为本发明提供的一种光敏性水凝胶微阀的芯片结构进一步优方案，其特征在于，所述细胞悬浮液进口1，鞘液进口2，侧流道一7，侧流道二8的长度为5mm；主流道3，细胞悬浮液出口一10和细胞悬浮液出口二11长度为10mm。

作为本发明提供的一种光敏性水凝胶微阀的芯片结构进一步优方案，所述微阀一5，微阀二6均为光敏性纳米复合微阀，其直径为300um，分别位于侧流道一7、侧流道二8的0.5um处。

作为本发明提供的一种光敏性水凝胶微阀的芯片结构进一步优方案，所述细胞悬浮液进口1，鞘液进口2，细胞悬浮液出口一10，细胞悬浮液出口二11，光纤进口9与边界连接，并向外偏斜5度；所述细胞识别区在主流道的中间位置长度为5mm。

为了更好地实现本发明目的，本发明还提供一种光敏性水凝胶微阀的芯片结构的单细胞筛选方法，包括以下步骤：

S1、细胞悬浮液由微泵从细胞悬浮液进口泵入，鞘液由微泵从鞘液进口泵入，形成鞘流，使得细胞依次流入主流道，并进入细胞识别区；

S2、当细胞进入到细胞识别区内，由计算机控制高速摄像机获得图像识别区域的照片，此时仅有一个单细胞在图像识别区域，根据图像像素点色域值的不同判断细胞边界，以两个距离最远的像素点确定该细胞的直径大小，细胞的直径记为D，通过计算公式V＝1.56D²计算该细胞的体积大小，将其与事先给出的细胞体积阈值V-1.042V比较，若该细胞体积在给出的阈值区间范围内，则为期待细胞状态，若不在，则为不理想状态；

S3、如果是，计算机打开激光器，经激光照射后的热缩型纳米复合水凝胶微阀受热，体积变小，侧流道一打开；热胀型纳米复合水凝胶微阀受热，体积变大，侧流道二关闭，细胞依次经过微阀、侧流道一、细胞悬浮液出口一进入到外部的培养皿，并等待下一步处理；

S4、当计算机判断细胞不是期待的状态，则关闭激光，水凝胶温度下降，热缩型纳米复合水凝胶微阀体积变大，侧流道一关闭；热胀型纳米复合水凝胶微阀体积变大，侧流道二打开，细胞依次经过热胀型纳米复合水凝胶微阀、侧流道二、细胞悬浮液出口二进入到外部的培养皿，并等待下一步处理，实现微流控芯片结构对细胞的筛选。

所述步骤S2具体还包括以下步骤：

S21：在细胞培养中，多个细胞聚集在一起，说明细胞团聚，此时细胞体积大，超出给定的细胞体积阈值，可判断为团聚现象；

S22：当细胞衰老时，体积变小，低于给定的细胞体积阈值，可判断为细胞衰老；

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种光敏性水凝胶微阀的芯片结构，其特征在于，所述该芯片结构包括细胞悬浮液进口（1），两鞘液进口（2），细胞悬浮液出口一（10），细胞悬浮液出口二（11），光纤进口（9），主流道（3），侧流道一（7），侧流道二（8），微阀一（5），微阀二（6）和细胞识别区（4）；

所述两鞘液进口（2）位于所述细胞悬浮液进口（1）两侧，并与所述主流道（3）顶端相连通，所述主流道（3）的底端与侧流道一（7）、侧流道二（8）连通，所述侧流道一（7）、侧流道二（8）两侧分别贯通连接有细胞悬浮液出口一（10）和细胞悬浮液出口二（11）；

在所述细胞悬浮液出口一（10）与所述侧流道一（7）连接处设有与所述侧流道一（7）互相连通的所述光纤进口（9）；

所述微阀一（5）为热缩型纳米复合水凝胶微阀，其是以聚亚甲基丙烯酰胺为基体的纳米复合水凝胶制成；微阀一（5）位于侧流道一（7）内；

所述微阀二（6）为热胀型纳米复合水凝胶微阀，其是以聚丙烯酸为基体的纳米复合水凝胶制成；微阀二（6）位于侧流道二（8）内；

所述微阀一（5）和微阀二（6）采用原位法制备，先将预聚溶液通入整个微流道内，将掩模版固定在微流控芯片结构上，并放在紫外光下照射，经照射的预聚溶液形成水凝胶，然后用溶液冲掉未反应的预聚溶液；所述细胞识别区（4）在主流道（3）的中间位置，长度为5mm；

所述微流控芯片结构的进出口与边界相接，形状为梯形状，为通道宽度向外逐渐变大毛细管，所述毛细管横插入所述微流控芯片结构的进出口。

2.根据权利要求1所述的光敏性水凝胶微阀的芯片结构，其特征在于，所述细胞悬浮液进口（1），鞘液进口（2），细胞悬浮液出口一（10），细胞悬浮液出口二（11），光纤进口（9），主流道（3），侧流道一（7），侧流道二（8）的通道宽度为300um。

3.根据权利要求2所述的光敏性水凝胶微阀的芯片结构，其特征在于，所述细胞悬浮液进口（1），鞘液进口（2），侧流道一（7），侧流道二（8）的长度为5mm；主流道（3），细胞悬浮液出口一（10）和细胞悬浮液出口二（11）长度为10mm。

4.根据权利要求3所述的光敏性水凝胶微阀的芯片结构，其特征在于，所述微阀一（5），微阀二（6）均为光敏性纳米复合水凝胶微阀，其直径为300um，分别位于侧流道一（7）、侧流道二（8）的0.5um处。

5.根据权利要求4所述的光敏性水凝胶微阀的芯片结构，其特征在于，所述细胞悬浮液进口（1），鞘液进口（2），细胞悬浮液出口一（10），细胞悬浮液出口二（11），光纤进口（9）与边界连接，并向外偏斜5度。

6.一种基于权利要求5所述的光敏性水凝胶微阀的芯片结构的单细胞筛选方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、细胞悬浮液由微泵从细胞悬浮液进口（1）泵入，鞘液由微泵从鞘液进口（2）泵入，形成鞘流，使得细胞依次流入主流道，并进入细胞识别区（4）；

S2、当细胞进入到细胞识别区（4）内，由计算机控制高速摄像机获得图像识别区域的照片，此时仅有一个单细胞在图像识别区域，根据图像像素点色阈值的不同判断细胞边界，以两个距离最远的像素点确定该细胞的直径大小，细胞的直径记为D，通过计算公式V=1.56D2计算该细胞的体积大小，将其与事先给出的细胞体积阈值V-1.042V比较，若该细胞体积在给出的阈值区间范围内，则为期待细胞状态，若不在，则为不理想状态；

S3、如果是期待细胞状态，计算机打开激光器，经激光照射后微阀一（5）受热，体积变小，侧流道一（7）打开；微阀二（6）受热，体积变大，侧流道二（8）关闭，细胞依次经过微阀一（5）、侧流道一（7）、细胞悬浮液出口一（10）进入到外部的培养皿，并等待下一步处理；

S4、当计算机判断细胞不是期待的状态，则关闭激光，水凝胶温度下降，微阀一（5）体积变大，侧流道一（7）关闭；微阀二（6）体积变小，侧流道二（8）打开，细胞依次经过微阀二（6）、侧流道二（8）、细胞悬浮液出口二（11）进入到外部的培养皿，并等待下一步处理，实现微流控芯片结构对细胞的筛选。

7.根据权利要求6所述的单细胞筛选方法，其特征在于，所述步骤S2具体还包括以下步骤：

S21：在细胞培养中，多个细胞聚集在一起，说明细胞团聚，此时细胞体积大，超出给定的细胞体积阈值，可判断为团聚现象；

S22：当细胞衰老时，体积变小，低于给定的细胞体积阈值，可判断为细胞衰老。

8.根据权利要求6所述的单细胞筛选方法，其特征在于，所述激光器的波长为526nm。

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