CN111304083B - 细胞培养芯片及其监测细胞状态的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种细胞培养芯片，包括：基底；微电极阵列，其设置在基底表面，微电极阵列上至少设有一个细胞检测区，微电极阵列上设有介电层、第一疏水层；阻抗测试电路，其与微电极阵列电连接，阻抗测试电路用于监测微细胞检测区内细胞溶液的阻抗；数字微流控控制电路，其与微电极阵列电连接，数字微流控控制电路用于控制微电极阵列上的细胞溶液移动；本发明的细胞培养芯片，通过阻抗测试电路监测细胞溶液的阻抗，而数字微流控控制电路利用数字微流控技术来控制其对应表面的亲疏水特性，从而实现细胞溶液的移动，进而实现细胞溶液的更换过程，该细胞培养芯片可实现对细胞状态的电阻抗监测，同时实现细胞溶液的换液，操作方便。
Description
技术领域
本发明涉及生物医学检测分析技术领域，尤其涉及一种细胞培养芯片及其监测细胞状态的方法。
背景技术
传统细胞培养监测系统主要通过光学显微镜，对细胞形态和数量进行初步判定，然后再通过生物标记的手段获得细胞状态更多的生理状态。但生物标记的方法属于一种侵入式的检测方法，因此无标记的电学传感检测手段被引入到对细胞状态的监测应用中，如药物筛选、细胞生理研究和毒素检测等方面。其中对生物电阻抗的变化进行监测，成为了一种最行之有效的方法。检测系统主要采用电化学检测系统常用的二电极系统，即在对电极上施加激励信号，从工作电极上进行响应信号的检测。
现在市面上常用的实施方案主要基于现有细胞培养皿，即在细胞培养皿底部集成两电极系统，例如Applied Biophysics公司开发的ECIS系列产品，主要是在8孔板或者96孔板底部集成金属叉指电极或者圆形电极进行阻抗的测试，同时结合配套的CO2培养箱。但现有的电阻抗细胞监测装置，还主要依靠人工进行细胞培养液体的更替操作，操作不便。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种便于实现细胞溶液的更换并同时监测细胞溶液阻抗的细胞培养芯片。
本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供了一种细胞培养芯片，包括：
基底；
微电极阵列，其设置在基底表面，所述微电极阵列上至少设有一个细胞检测区，所述微电极阵列上位于细胞检测区外依次设有介电层、第一疏水层；
阻抗测试电路，其与所述微电极阵列电连接，所述阻抗测试电路用于监测细胞检测区内细胞溶液的阻抗；
数字微流控控制电路，其与所述微电极阵列电连接，所述数字微流控控制电路用于控制微电极阵列上的细胞溶液移动。
在以上技术方案的基础上，优选的，还包括：
挡板，所述挡板盖设在基底上，所述微电极阵列位于挡板内；
盖板，其盖设在挡板上端，所述盖板上至少开设有一个进液口和出液口。
进一步优选的，所述基底使用的材料为玻璃、聚苯乙烯、聚丙烯和亚克力中的一种；所述微电极阵列的材料为金属或透明导电金属氧化物，所述盖板为ITO导电玻璃或蒸镀了明导电金属氧化物的透明基板。
进一步优选的，所述挡板由亚克力、聚二甲基硅氧烷、PS、PP或PMMA材料制成。
进一步优选的，所述挡板的高度为1～2mm，所述挡板的外径为8.5～9.5mm，所述挡板的内径为7.5～8.5mm。
进一步优选的，所述盖板下端面设置有第二疏水层。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述细胞检测区的数量为四个。
本发明还提供了一种利用细胞培养芯片监测细胞状态的方法，包括以下步骤：
S1、通过进液口向细胞培养芯片内加入细胞溶液，利用数字微流控控制电路控制细胞溶液在第一疏水层表面移动至细胞检测区；
S2、利用阻抗检测电路对细胞检测区内的细胞溶液进行电阻抗监测，获得细胞培养的状态变化。
在以上技术方案的基础上，优选的，还包括：S3、对细胞检测区内的细胞溶液进行电阻抗监测再通过数字微流控控制电路控制细胞检测区内的细胞溶液移动并经过出液口排出。
本发明的细胞培养芯片相对于现有技术具有以下有益效果：
(1)本发明的细胞培养芯片，通过设置微电极阵列、阻抗测试电路和数字微流控控制电路，数字微流控控制电路和阻抗测试电路均与微电极阵列电连接；通过阻抗测试电路监测细胞溶液的阻抗，而数字微流控控制电路利用数字微流控技术来控制其对应表面的亲疏水特性，从而实现细胞溶液的移动，进而实现细胞溶液的更换过程，实现完全自动化且精准的控制细胞培养测试时的测试条件，省去了人为操作的误差和成本，提高了效率。通过该细胞培养芯片实现对细胞状态的电阻抗监测，同时实现细胞所需的培养液或者液体药物的精确自动化的换液或者给药操控，操作方便。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的细胞培养芯片的截面结构示意图；
图2为本发明的细胞培养芯片的俯视图；
图3为本发明的细胞溶液移动至细胞检测区的示意图；
图4为本发明的细胞溶液的更替示意图；
图5为本发明的数字微流控控制电路和阻抗测试电路与微电极阵列连接的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
如图1～2所示，一种细胞培养芯片，包括：
基底1，基底1可由玻璃或其他常见塑料制成，比如聚苯乙烯(PS)、聚丙烯(PP)、亚克力(PMMA)等常见的塑料。
微电极阵列2，其设置在基底1表面，微电极阵列的材料为金属或透明导电金属氧化物，透明导电金属氧化物可为ITO，AZO，IZO等，微电极阵列2主要通过磁控溅射金属薄膜然后经过光刻、剥离等工艺获得，或者直接对ITO导电玻璃进行刻蚀加工获得，微电极阵列2中单独一个正方形电极的边长尺寸为2mm，两个相邻的正方形电极之间的间隔为0.2mm；微电极阵列2上至少设有一个细胞检测区5，微电极阵列2上位于细胞检测区外依次设有介电层3、第一疏水层4，细胞检测区5为电阻抗信号的检测区域，因此不能有介电层和疏水层的存在，在进行介电层3蒸镀和第一疏水层4悬涂时，先将细胞检测区5进行遮挡，待介电层3和第一疏水层4附着工艺结束后，将遮挡在细胞检测区5的遮挡物移除即可，微电极阵列2上对应介电层3、第一疏水层4的区域为液滴移动区域6，第一疏水层4可通过涂覆聚四氟乙烯涂料获得；
阻抗测试电路，其与所述微电极阵列2电连接，所述阻抗测试电路用于监测微细胞检测区内细胞溶液的阻抗；这里阻抗测试电路为现有电路；
数字微流控控制电路，其与所述微电极阵列2电连接，具体的，微电极阵列2通过柔性电路板(FPC)软排线与数字微流控控制电路相连接，具体的在基底1上设置软排线接口12，在基底1进行介电层蒸镀和疏水层悬涂时同样对软排线接口12进行遮挡，通过FPC热压机将FPC软排线热压在软排线接口12处，从而实现数字微流控控制电路与微电极阵列2电连接，使用FPC热压机将FPC软排线热压在12处，从而实现数字微流控控制电路与微电极阵列2电连接，同理，阻抗测试电路也是通过12处的排线进行连接的，排线的每个引脚都是和微电极阵列2一一对应；图5显示了数字微流控控制电路和阻抗测试电路与微电极阵列2连接的示意图。
数字微流控控制电路控制微电极阵列2上的细胞溶液移动，是利用数字微流控技术来实现细胞溶液移动，主要利用介质上电润湿效应，通过外加电压控制介质层上固液、气液界面的表面张力实现对不连续的微小液滴进行操控，这里通过数字微流控控制电路对微电极阵列2程序加电，可以控制其对应表面的亲疏水特性，从而实现细胞溶液的移动。
还包括：挡板11，所述挡板11盖设在基底1上，所述微电极阵列2位于挡板11内，介电层3、第一疏水层4位于挡板11内且与环形挡板11内壁抵接，挡板11由亚克力、聚二甲基硅氧烷、PS、PP、PMMA等其他生物兼容性较好的材料制成；挡板11的高度为1～2mm，所述挡板的外环半径为9mm，内环半径为8mm；
盖板8，其可为ITO导电玻璃或蒸镀了其他透明导电金属氧化物的透明基板，
盖板8盖设在挡板11上端，盖板8下端面设置有第二疏水层7，实际中基底1、挡板11和盖板8之间通过环氧树脂或者PDMS材料进行封装，盖板8上至少开设有一个进液口9和出液口10，实际中进液口9为三个，出液口10为1个，且进液口9和出液口10沿圆周方向分布，可根据实际使用情况设置多个细胞检测区5，比如可设置为四个等。
如图3～4所示，利用上述细胞培养芯片监测细胞状态的方法，包括以下步骤：
S1、将应用完全培养基或者磷酸盐缓冲液重悬的细胞溶液13，通过进液口9加入至细胞培养芯片内，利用数字微流控控制电路控制细胞溶液13在第一疏水层表面移动至细胞检测区5，作为样本A，如要进行多组测试，也可将其他组分的细胞溶液样品移动至其他的细胞检测区5处，作为样本B、C、D，进行至多4组的平行检测，如图3所示，然后将细胞培养芯片放置在37℃的环境中，待1-2小时细胞溶液中的细胞从悬浮状态到完全贴壁后，然后通过阻抗测试电路对细胞检测区5的电阻抗进行监测，获得细胞培养的状态变化，当细胞状态良好，成指数增长时，随之获得的该区域的电阻抗值也随之增长；
在对细胞培养状态进行电阻抗的实时检测跟同时，将新鲜的细胞溶液17从进液口9加入至细胞培养芯片中，通过数字微流控控制电路，将细胞检测区5内A的废细胞溶液16移至出液口10处，如图4所示，可在出液口10处连接导管，将废细胞溶液导出，同时，将新鲜的细胞溶液17通过数字微流控控制电路，将新鲜的细胞溶液移动至细胞检测区5处形成待检测的细胞溶液15。即对细胞检测区内的细胞溶液进行电阻抗监测后再通过数字微流控控制电路控制细胞检测区内的细胞溶液移动并经过出液口排出，然后进行下一个细胞溶液样品的检测，利用数字微流控控制电路的数字微流控技术实现了细胞溶液的更换过程，操作简单，精准的控制细胞培养液测试时的测试条件省去了人为操作的误差和成本，提高了效率。
通过上述细胞培养芯片还可以进行药筛测试，具体为：
将其中一个注液口9作为新鲜细胞溶液的注入口，将另一个注液口9作为药物溶液的注入口，可以通过数字微流控控制电路的程序设置，将对细胞溶液和药物溶液进行交替或者定时定量的换液或者给药的操纵，如图4所示。同时也可对细胞检测区5处电阻抗的变化值进行监控，获得细胞给药后的电阻抗变化情况，从而对药物进行筛选。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，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 (5)
1.一种细胞培养芯片，其特征在于，包括：
基底；
微电极阵列，其设置在基底表面，所述微电极阵列上至少设有一个细胞检测区，所述微电极阵列上位于细胞检测区外依次设有介电层、第一疏水层；
所述细胞检测区为电阻抗信号的检测区域，其通过以下方式形成：
在进行介电层蒸镀和第一疏水层悬涂时，先将所述细胞检测区进行遮挡，待介电层和第一疏水层附着工艺结束后，将遮挡在所述细胞检测区的遮挡物移除即可；
其中微电极阵列上对应介电层、第一疏水层的区域为液滴移动区域；
阻抗测试电路，其与所述微电极阵列电连接，所述阻抗测试电路用于监测微细胞检测区内细胞溶液的阻抗；
数字微流控控制电路，其与所述微电极阵列电连接，所述数字微流控控制电路用于控制微电极阵列上的细胞溶液移动；
挡板，所述挡板盖设在基底上，所述微电极阵列位于挡板内；
盖板，其盖设在挡板上端，所述盖板上至少开设有一个进液口和出液口。
2.如权利要求1所述的细胞培养芯片，其特征在于：所述基底使用的材料为玻璃、聚苯乙烯、聚丙烯和亚克力中的一种；所述微电极阵列的材料为金属或透明导电金属氧化物，所述盖板为ITO导电玻璃或蒸镀了透明导电金属氧化物的透明基板。
3.如权利要求1所述的细胞培养芯片，其特征在于：所述挡板由亚克力、聚二甲基硅氧烷、PS、PP或PMMA材料制成。
4.如权利要求1所述的细胞培养芯片，其特征在于：所述盖板下端面设置有第二疏水层。
5.一种如权利要求1至4中任一项所述的细胞培养芯片的监测细胞状态的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、通过进液口向细胞培养芯片内加入细胞溶液，利用数字微流控控制电路控制细胞溶液在第一疏水层表面移动至细胞检测区；
S2、利用阻抗检测电路对细胞检测区内的细胞溶液进行电阻抗监测，获得细胞培养的状态变化；
S3、对细胞检测区内的细胞溶液进行电阻抗监测，再通过数字微流控控制电路控制细胞检测区内的细胞溶液移动并经过出液口排出。
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