CN111269831A - 一种透明多层夹膜微流控芯片及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种透明多层夹膜微流控芯片及其制备方法和应用，适用于生物微流控芯片中的细胞培养及体外模型构建方面的研究应用。所述微流控芯片由两层或两层以上通道组成，通道与通道之间由聚二甲基硅氧烷楔形多孔膜隔开，每层通道有入口与出口，可以通过流体形成一个静态或动态环境，适用于研究细胞间的相互作用。本发明制作流程简便，应用范围广，可作为微流控芯片应用于细胞研究的有力工具。
Description
技术领域
本发明属微流控加工技术领域，具体涉及一种透明多层夹膜微流控芯片及其制备方法和应用。
背景技术
微流控芯片实验室作为本世纪一项重要的科学技术已经在包括化学、生物学、医学等多个领域展现了其独特的优势，更因其同细胞尺寸匹配、环境同生理环境相近、传热传质快、通量高可以集成等特点而成为新一代细胞研究的重要平台。聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)是一种无色透明的弹性高分子聚合物，它耐腐蚀，具有良好的绝缘性、化学稳定性、和生物相容性，因此被广泛应用到微流控芯片的制作中。
在微流控技术用于生物学研究的过程中，需要一种能够研究细胞间相互作用的芯片，这时需要一个物理屏障将两种细胞隔开以便分别处理或观察不同细胞的反应。另外，芯片最好透光性强以便于观察。一种透明多层夹膜芯片就可以实现这种需求，多孔膜可以在芯片中为细胞生长提供支撑并且同时实现小分子的交换。另外，多孔膜在芯片中还可以起到过滤小尺寸颗粒等作用。
本发明采用聚二甲基硅氧烷为原材料，以等离子体方式封接芯片通道层与聚二甲基硅氧烷楔形多孔膜，制作一种透明的多层夹膜微流控芯片。该芯片可用于细胞的生长与观察，适用于研究细胞间相互作用，建立体外生理疾病模型。
发明内容
本发明的目的在于提供一种成本低廉、操作简单的透明多层夹膜微流控芯片及其制备方法，该芯片具有透明、生物相容性好等优点，可用于细胞的生长与观察，适用于研究细胞间相互作用，建立体外生理疾病模型。
一种透明多层夹膜微流控芯片，其特征在于：该芯片由多个通道层构成，由上而下依次为上层通道1、中层通道6、下层通道3；所述上层通道1、中层通道6和下层通道3各层之间通过聚二甲基硅氧烷楔形多孔膜2隔开；所述聚二甲基硅氧烷楔形多孔膜2与各通道层之间通过等离子体封接；
所述上层通道1上设有上层细胞入口8、上层细胞出口9、下层细胞入口10、下层细胞出口11；所述上层细胞入口8和上层细胞出口9通过上层细胞通道13连接；所述下层通道3上设有下层细胞通道12，下层细胞入口10和下层细胞出口11通过下层细胞通道12连接。
所述通道层的个数大于等于2，所述下层通道1的个数1-10。
所述透明多层夹膜微流控芯片的材质为聚二甲基硅氧烷。
所述聚二甲基硅氧烷楔形多孔膜含有大孔端和小孔端。
所述聚二甲基硅氧烷楔形多孔膜的厚度范围为10-100um，孔径范围为5-100um。
一种透明多层夹膜微流控芯片的制备方法，其特征在于：该方法主要包括以下步骤：
透明多层夹膜微流控芯片通道层的制备：绘制掩膜，利用软刻蚀技术制作模板，使用PDMS倒模，得到上层通道和下层通道。
聚二甲基硅氧烷楔形多孔薄膜的制备：(1)楔形小柱模板的制备：首先准备孔径为10-150um的掩膜，利用光刻的方法将掩膜图形转移到镀铬与光刻胶的玻璃上，使用HF溶液刻蚀深度为5-150um，得到楔形小柱模板；(2)多孔膜旋涂剂的制备：在聚二甲基硅氧烷中加入引发剂和OS-20稀释剂后搅拌均匀即制备成多孔膜旋涂剂；所述聚二甲基硅氧烷、OS-20稀释剂和引发剂体积比为5-20:1:2-20，负二十度冰箱保存备用。(3)使用匀胶机将多孔膜旋涂剂均匀涂覆于楔形小柱模板表面；(4)将涂覆了旋涂剂的楔形小柱模板放在烘箱中固化；(5)通过氧等离子体的方式封接芯片与多孔膜，实现多孔膜的分离。
优选的，所述聚二甲基硅氧烷、OS-20稀释剂和引发剂体积比为10:1:10。
芯片通道层与聚二甲基硅氧烷楔形多孔薄膜通过等离子体进行封接；
所述透明多层夹膜微流控芯片用于两种细胞共培养以观测药物的代谢动力学、建立多器官模型。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
本方法提供一种成本低廉、操作简单的透明多层夹膜微流控芯片的制作方式。该芯片具有透明、生物相容性好等优点，可用于细胞的生长与观察，适用于研究细胞间相互作用，建立体外生理疾病模型。
附图说明
图1是本发明透明双层夹膜微流控芯片的截面及平面结构示意图；
图2是本发明两个下层通道的透明双层夹膜微流控芯片的截面结构示意图；
图3是本发明透明三层夹膜微流控芯片的截面结构示意图；
图4是本发明透明双层夹膜微流控芯片的整体结构示意图(各有一出口与一入口)；
图5是透明双层夹膜微流控芯片芯片的截面示意图；
图6是聚二甲基硅氧烷楔形多孔薄膜的扫描电镜图；
图7是透明双层夹膜微流控芯片中细胞培养的明场图；
图8是本发明实施例2的截面结构示意图；
其中，上层通道1、聚二甲基硅氧烷楔形多孔薄膜2、下层通道3、中层通道6、细胞层7、上层细胞入口8、上层细胞出口9、下层细胞入口10、下层细胞出口11、下层细胞通道12、上层细胞通道13、小分子14、肠细胞15、肝细胞16。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明实施例的透明多层夹膜微流控芯片及其制备方法进行具体说明。
一种透明多层夹膜微流控芯片，如图1和图2所示，该芯片具有透明、生物相容性好等优点，可用于细胞的生长与观察，适用于研究细胞间相互作用，建立体外生理疾病模型，该芯片由多个通道层构成，由上而下依次为上层通道1、中层通道6、下层通道3；如图3所示，上层通道1、中层通道6和下层通道3各层之间通过聚二甲基硅氧烷楔形多孔膜2隔开；所述聚二甲基硅氧烷楔形多孔膜2与各通道层之间通过等离子体封接；上层通道1上设有上层细胞入口8、上层细胞出口9、下层细胞入口10、下层细胞出口11；所述上层细胞入口8和上层细胞出口9通过上层细胞通道13连接；所述下层通道3上设有下层细胞通道12，下层细胞入口10和下层细胞出口11通过下层细胞通道12连接。
所述通道层的个数大于等于2，下层通道1的个数1-10。
所述透明多层夹膜微流控芯片的材质为聚二甲基硅氧烷。
所述聚二甲基硅氧烷楔形多孔膜含有大孔端和小孔端，聚二甲基硅氧烷楔形多孔膜的厚度范围为10-100um，孔径范围为5-100um。
一种透明多层夹膜微流控芯片的制备方法，该方法成本低廉、操作简单，主要包括以下步骤：首先根据实际需求设计芯片通道形状及聚二甲基硅氧烷楔形多孔薄膜孔径，芯片通道模板通过软光刻的方式制作，楔形多孔膜模板通过HF溶液刻蚀玻璃制作，再利用旋涂的方式将多孔膜旋涂剂可控地涂覆在模板上，高温固化后即可得到所需孔径及厚度的聚二甲基硅氧烷楔形多孔膜。最后将芯片通道层与聚二甲基硅氧烷楔形多孔薄膜通过等离子体进行封接。
透明多层夹膜微流控芯片通道层的制备：绘制掩膜，利用软刻蚀技术制作模板，使用PDMS倒模，得到上层通道和下层通道。
聚二甲基硅氧烷楔形多孔薄膜的制备：(1)楔形小柱模板的制备：首先准备孔径为10-150um的掩膜，利用光刻的方法将掩膜图形转移到镀铬与光刻胶的玻璃上，使用HF溶液刻蚀深度为5-150um，得到楔形小柱模板；(2)多孔膜旋涂剂的制备：在聚二甲基硅氧烷中加入引发剂和OS-20稀释剂后搅拌均匀即制备成多孔膜旋涂剂；所述聚二甲基硅氧烷、OS-20稀释剂和引发剂体积比为5-20:1:2-20，负二十度冰箱保存备用。(3)使用匀胶机将多孔膜旋涂剂均匀涂覆于楔形小柱模板表面；(4)将涂覆了旋涂剂的楔形小柱模板放在烘箱中固化；(5)通过氧等离子体的方式封接芯片与多孔膜，实现多孔膜的分离。
芯片通道层与聚二甲基硅氧烷楔形多孔薄膜通过等离子体进行封接；
所述透明多层夹膜微流控芯片用于两种细胞共培养以观测药物的代谢动力学、建立多器官模型。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
一种透明双层夹膜微流控芯片的制备方法，包括下列步骤：
芯片通道层的制备：在电脑上用AutoCAD软件进行绘制掩膜，然后利用软刻蚀技术制作模板。使用PDMS倒模，得到图5所示的上层通道1和下层通道3。
聚二甲基硅氧烷楔形多孔薄膜的制备：流程主要分为以下几步：
(1)楔形小柱模板的制备：首先准备圆形阵列(直径70um，间距20um)掩膜，利用光刻的方法将图形转移到镀铬与光刻胶的玻璃上，使用HF溶液刻蚀到到深度为30um，得到楔形小柱模板；
(2)多孔膜旋涂剂的制备，在聚二甲基硅氧烷中加入固化剂和稀释剂后搅拌均匀即制备成多孔膜旋涂剂，将按照比例将组分混匀PDMS:OS-20:引发剂
＝10:1:10，负二十度冰箱保存备用；
(3)使用匀胶机将多孔膜旋涂剂均匀涂覆于楔形小柱模板表面，条件为600转30秒，1800转60秒；
(4)将涂覆了旋涂剂的楔形小柱模板放在烘箱中固化；
(5)通过氧等离子体的方式封接芯片与多孔膜，实现多孔膜的分离。根据以上参数，聚二甲基硅氧烷楔形多孔膜的厚度约为20um，顶端孔径约为15um(如图6)。
芯片通道层与聚二甲基硅氧烷楔形多孔薄膜2通过等离子体进行封接，在入口与出口处插管，得到图4所示芯片。
该透明双层夹膜微流控芯片可以在上层通道1接种细胞，此时细胞贴附于多孔膜上生长(如图7)。下层通道3也可以接种细胞，此时细胞贴附于下层通道3表面生长或悬浮生长。该芯片可用于单种细胞培养，亦可用于两种细胞在上下层同时培养以观测细胞之间的相互作用。
实施例2
药物经过口服后，在尚未吸收进入血循环之前，在肠粘膜和肝脏被代谢，而使进入血循环的原形药量减少的现象，称为首过效应，也称第一关卡效应。因给药途径不同而使药物效应产生差别的现象在治疗学上有重要意义，这极大地影响了药物疗效和副作用的最终结果。首过效应是一个涉及肠道和肝脏组织的复杂过程，在不同的位置同时发生转运和反应，这使得传统的细胞培养系统很难在体外复制。现在，我们可以利用透明双层夹膜芯片在体外建立肠-肝模型，来研究药物的在肠、肝中的代谢动力学。
透明双层夹膜芯片制作过程与实施例1相同。
芯片制作完成之后，可以在上层通道1接种肠细胞15，下层通道3接种肝细胞16，等到细胞适应芯片环境之后，在芯片上层通道1加入药物，可以模拟药物在肠道与肝脏之间的作用，培养过程如图8所示。
Claims (10)
1.一种透明多层夹膜微流控芯片，其特征在于：该芯片由多个通道层构成，由上而下依次为上层通道(1)、中层通道(6)、下层通道(3)；所述上层通道(1)、中层通道(6)和下层通道(3)各层之间通过聚二甲基硅氧烷楔形多孔膜(2)隔开；所述聚二甲基硅氧烷楔形多孔膜(2)与各通道层之间通过等离子体封接；
所述上层通道(1)上设有上层细胞入口(8)、上层细胞出口(9)、下层细胞入口(10)、下层细胞出口(11)；所述上层细胞入口(8)和上层细胞出口(9)通过上层细胞通道(13)连接；所述下层通道(3)上设有下层细胞通道(12)，下层细胞入口(10)和下层细胞出口(11)通过下层细胞通道(12)连接。
2.根据权利要求1所述的透明多层夹膜微流控芯片，其特征在于：所述通道层的个数大于等于2，所述下层通道(1)的个数1-10。
3.根据权利要求1所述的一种透明多层夹膜微流控芯片，其特征在于：所述透明多层夹膜微流控芯片的材质为聚二甲基硅氧烷。
4.根据权利要求1所述的一种透明多层夹膜微流控芯片，其特征在于：所述聚二甲基硅氧烷楔形多孔膜含有大孔端和小孔端。
5.根据权利要求1所述的一种透明多层夹膜微流控芯片，其特征在于：所述聚二甲基硅氧烷楔形多孔膜的厚度范围为10-100um，孔径范围为5-100um。
6.一种透明多层夹膜微流控芯片的制备方法，其特征在于：该方法主要包括以下步骤：
(1)透明多层夹膜微流控芯片通道层的制备；
(2)聚二甲基硅氧烷楔形多孔薄膜的制备；
(3)芯片通道层与聚二甲基硅氧烷楔形多孔薄膜通过等离子体进行封接。
7.根据权利要求6所述的一种透明多层夹膜微流控芯片的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)透明多层夹膜微流控芯片通道层的制备方法如下：绘制掩膜，利用软刻蚀技术制作模板，使用PDMS倒模，得到上层通道和下层通道。
8.根据权利要求6所述的一种透明多层夹膜微流控芯片的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)聚二甲基硅氧烷楔形多孔膜的制备步骤为：
(1)楔形小柱模板的制备：首先准备孔径为10-150um的掩膜，利用光刻的方法将掩膜图形转移到镀铬与光刻胶的玻璃上，使用HF溶液刻蚀深度为5-150um，得到楔形小柱模板；
(2)多孔膜旋涂剂的制备：在聚二甲基硅氧烷中加入引发剂和OS-20稀释剂后搅拌均匀即制备成多孔膜旋涂剂；所述聚二甲基硅氧烷、OS-20稀释剂和引发剂体积比为5-20:1:2-20；
(3)使用匀胶机将多孔膜旋涂剂均匀涂覆于楔形小柱模板表面；
(4)将涂覆了旋涂剂的楔形小柱模板放在烘箱中固化；
(5)通过氧等离子体的方式封接芯片与多孔膜，实现多孔膜的分离。
9.根据权利要求8所述的透明多层夹膜微流控芯片的制备方法，其特征在于：所述聚二甲基硅氧烷、OS-20稀释剂和引发剂体积比为10:1:10。
10.权利要求1-5中任一项所述的透明多层夹膜微流控芯片的应用，其特征在于：所述透明多层夹膜微流控芯片用于两种细胞共培养以观测药物的代谢动力学、建立多器官模型。
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