CN111315485B - 用于精密培养、控制和监测活细胞的微流体启用式多孔细胞培养设备和系统 - Google Patents

用于精密培养、控制和监测活细胞的微流体启用式多孔细胞培养设备和系统 Download PDF

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Abstract

提供了关于微流体启用式多孔设备的设备、系统、方法和技术，所述微流体启用式多孔设备对微流体环境的各种参数进行闭环监测和控制。微流体启用式多孔设备可具有可移除和一次性的微流体模块层和可重复使用的传感器模块层。传感器模块层可以被配置为监测和控制所述微流体模块层内部的环境的参数，存储关于所述参数的数据，并且无线地传输数据。所述设备可以被配置为使用一个或多个气动微型泵单独地将流体流动寻址到多个孔中任一孔。所述设备可以被配置为自动执行一种或多种活细胞培养、测定和/或方案。所述设备可以被配置为接收在对接站和/或便携式歧管适配器中，并被配置为流体地、气动地和/或电联接至所述对接站、适配器、或其他实验室设备。

Description

用于精密培养、控制和监测活细胞的微流体启用式多孔细胞 培养设备和系统
相关申请的交叉引用
本申请与在2017年5月16日提交的标题为“用于精密培养、控制和监测活细胞的微流体启用式多孔细胞培养板(MICROFLUIDIC-ENABLED MULTIWELL CELL CULTURE PLATEFOR PRECISION CULTURE,CONTROL AND MONITORING OF LIVING CELLS)”的美国临时专利申请号62/507,139相关并且要求其优先权，将所述申请通过引用以其整体特此并入。
关于联邦政府资助研究的声明
本发明是在美国国立卫生研究院授予的合同号HHSN271201600007C下由政府支持完成的。政府拥有本发明中的某些权利。
技术领域
本申请总体上涉及多孔设备，具体地涉及用于培养、操作和测定活细胞的微流体启用式多孔设备的系统和设备。
背景技术
活细胞的培养、监测、操作和测定是现代生物医学研究的基石，并且是临床前药物发现活性的主要组成部分。细胞的维持和检查通常是依靠重复的视觉检查和手动培养基更换手动进行的。可替代地，这些操作可以使用自动化的机器人仪器来进行，所述自动化的机器人仪器可减少在使用较小试剂体积时的误差和可变性。
发明内容
现代生物医学研究中对于细胞维持、检查和其他操作的已知方案存在缺陷。控制和检查设备、装置和培养基的手动技术繁琐且耗时，易受人为误差的影响，并且标准化不佳；需要手动进行培养基更换(可能标准化不佳)，并且消耗大量试剂和细胞。机器人系统占位大，实施成本高，经常由专业人员作为核心设施运行，并且通常仅用于复杂的高通量筛选应用。因此，需要新的途径来以成本效益好的方式在几周的时间段内实现对活细胞的可靠高效监测和操作。本文公开了通过使用多孔板系统(例如“智能板(SmartPlate)”)来满足此需求的系统、方法和技术，所述多孔板系统的使用实现了以小型化多孔形式对活细胞的微流体启用式长期培养、监测和操作，所述小型化多孔形式并入了微环境监测和闭环控制功能。此类集成多孔设备的占位大小和孔定位可符合ANSI/SLAS微板标准，从而使所述集成多孔设备与广泛的标准实验室仪器兼容。所述多孔板的分层设计可以包括一次性和/或可重复使用的基底、微流体模块和/或传感和控制模块。整个系统(例如，包括对接站、控制系统等)可以被小型化以用于桌面、实验室、移动的、便携的、临床、现场和/或护理点环境。
在一些实施方案中，所述基底可以形成所述多孔设备的下层，并且可以根据各种应用使用材料、几何形状和涂层来配置。所述微流体模块可以是所述多孔设备的中心层，并且可以实现培养基更换和灌注、添加和洗出测试化合物、以及对培养基进行采样。所述传感和控制单元可以是所述多孔设备的顶层，并且可以根据实验需要被配置为适应对包括温度、pH和汇合度在内的多个参数的监测和控制。
因此，本文公开的系统可以实现成本效益好地且可编程地实施以一种小型化多孔形式进行的长期细胞培养，这是研究人员在实验室和现场环境中可及的。所述系统可非常适合需要长期细胞培养的广泛应用，从永生化2D细胞培养物的培养和测定到复杂应用，如基于细胞的3D模型、共培养模型的生成、培养和测定或诱导多能干(IPS)细胞的重编程和分化。此外，所述系统可以与临床样品的培养兼容，从而实现例如对患者样品的测试。所述系统的多孔性质可以实现在与可比较方案的手动和机器人实施二者相比节省了大量试剂和样品的规模上对多种实验条件的高度并行测试。
本文公开的系统和技术以及它们将实现的新一代测定和模型可以通过显著增强用于评价治疗剂疗效的活细胞系统的通量和稳健性使公共卫生受益，进而提高鉴定有益疗法用于未满足的医疗需求的能力。
附图说明
图1描绘了根据一些实施方案的细胞培养系统。
图2A-2C描绘了根据一些实施方案的用于在细胞培养系统中使用的多孔板设备的各种视图。
图3A描绘了根据一些实施方案的多孔板设备的微流体层的分解图。
图3B描绘了根据一些实施方案的多孔板设备的微流体层的孔层。
图3C描绘了根据一些实施方案的多孔板设备的微流体层的流体路径层(fluidrouting layer)。
图3D描绘了根据一些实施方案的多孔板设备的微流体层的气动选孔层。
图3E描绘了根据一些实施方案的多孔板设备的微流体层的气动通道层。
图3F描绘了根据一些实施方案的多孔板设备的微流体层的脱气器膜层。
图3G描绘了根据一些实施方案的多孔板设备的微流体层的脱气器层。
图3H描绘了根据一些实施方案的多孔板设备的微流体层的气动膜层。
图3I描绘了根据一些实施方案的多孔板设备的微流体层的脱气器控制层。
图3J描绘了根据一些实施方案的多孔板设备的微流体层的密封层。
图4A和4B各自描绘了根据一些实施方案的包括气动阀的对应微流体层的两个截面图。
图5描绘了根据一些实施方案的包括气动阀的对应微流体层的两个截面图。
图6A-6V描绘了根据一些实施方案的流过具有可单独寻址的孔的多孔板设备的微流体层的流体的示意图。
图6W描绘了根据一些实施方案，随时间推移的多孔系统的各种部件或特征的操作的图形表示。
图7示意性地描绘了根据一些实施方案的使用三阀结构的微型泵操作的六个不同阶段。
图8A-8C为根据一些实施方案的不同孔几何形状以及描绘了每种孔几何形状的接种密度的表格。
图9示出了根据一些实施方案的微型脱气器的示意图。
图10A和10B描绘了根据一些实施方案的用于在细胞培养系统中使用的培养基盒的两个视图。
图11描绘了根据一些实施方案的用于在细胞培养系统中使用的气动歧管。
图12描绘了根据一些实施方案的用于在细胞培养系统中使用的歧管适配器。
图13描绘了根据一些实施方案的计算机。
图14描绘了根据一些实施方案的在多孔设备中的长期细胞培养。
图15描绘了根据一些实施方案的在微流体芯片中的细胞粘附。
具体实施方式
在药物发现中，先进的基于细胞的疾病模型和长期活细胞分析的使用正在迅速增加。如上所解释，将这些细胞系统维持在行业标准多孔板中通常依赖于重复的繁琐且耗时的视觉检查和手动培养基更换。因此，需要能够在几周的时间段内对多孔板中的细胞培养物进行高效监测和操作的新途径。
本文公开了可以通过利用多孔系统来解决这一需求的各种系统、设备和技术，所述多孔系统使得能够在具有符合ANSI/SLAS微板标准的占位大小和孔定位的集成设备中实现基于板的微环境参数感测以及自动化微流体启用式培养基更换和灌注功能。
图1描绘了根据一些实施方案的细胞培养系统100。如图1所示，细胞培养系统100可以包括对接站102、微流体启用式多孔板104、板对接部分105、盖106、流体盒108、输入设备110和显示器112。在一些实施方案中，如下文进一步所述，系统100可以构成桌面实验室系统，所述桌面实验室系统被配置为针对在多孔板104内部进行的各种培养、测定和/或方案对活细胞进行操作和监测。微流体启用式多孔板104可以包括用于培养和/或测定活细胞的多个孔、用于收集信息(包括关于板104内部的微环境的数据)的一个或多个传感器、以及用于自动控制板104内部的流体流动的一个或多个阀和/或泵。下文将更详细地讨论在一些实施方案中微流体启用式多孔板(例如多孔板104)的部件和特征。
在一些实施方案中，对接站102可以是桌面实验室设备，其具有壳体，并被配置为放置在桌面或台面上并由用户操作。在一些实施方案中，对接站102的宽度可以是小于或等于10cm、20cm、30cm、40cm或50cm。在一些实施方案中，对接站102的宽度可以是大于或等于10cm、20cm、30cm、40cm或50cm。在一些实施方案中，对接站102的高度可以是小于或等于10cm、20cm、30cm、40cm或50cm。在一些实施方案中，对接站102的高度可以是大于或等于10cm、20cm、30cm、40cm或50cm。在一些实施方案中，对接站102的深度可以是小于或等于10cm、20cm、30cm、40cm或50cm。在一些实施方案中，对接站102的深度可以是大于或等于10cm、20cm、30cm、40cm或50cm。
如图1所示，对接站102可以包括被配置为接收多孔板设备104的板对接部分105。在一些实施方案中，板对接部分105可以被配置为流体地连接对接站102与多孔板设备104，使得培养基和/或细胞悬浮液可以在两者之间流动。
此外，板对接部分105可以被配置为将对接站102与多孔板设备104电通信地联接，使得可以在两者之间电传输信息。在一些实施方案中，对接站102和多孔板设备104可以被配置为通过经由在多孔板104插入对接部分105中时连接的一个或多个物理电连接发送的信号来相互通信。在一些实施方案中，对接站102和多孔板设备104可以被配置为通过经由一个或多个无线电子通信链路发送的信号相互通信，在一些实施方案中，当将多孔板104插入对接部分105/从所述对接部分移除时，可以激活/停用所述一个或多个无线电子通信链路。在一些实施方案中，可以在对接部分105与多孔板104之间形成电连接，使得在将多孔板104插入对接部分105时，对接站102可以对多孔板104的一个或多个电池充电。
如图1所示，对接站102可以包括盖106，所述盖可被配置为覆盖板设备104，并在所述板设备连接到对接站102时使所述板设备屏蔽外部光、空气、热和/或污染物。
如图1所示，对接站102可以包括被配置为接收盒108的盒对接部分109。在一些实施方案中，盒对接部分109可以被配置为流体地连接对接站102和盒108，使得培养基和/或细胞悬浮液可以在一个或多个泵的力下从盒108流向对接站102。在一些实施方案中，流体流动可由微型阀、隔膜阀和/或电动泵的气动致动引起。在一些实施方案中，使流体从盒108流动到对接站102的泵或真空可以位于盒108中、对接站102中、对接站102外部(例如实验室真空设备)、和/或与对接站102对接的多孔设备中。在一些实施方案中，系统100可以被配置为能够与外部和/或内部气动源一起使用，并且所使用的气动源可以由用户根据可用资源来选择(例如，在远程现场应用中，可能需要使用内部气动源)。
在一些实施方案中，盒108可以被配置为将流体培养基和/或细胞悬浮液容纳在外部壳体内，并且可以被配置为能够由用户物理地插入对接部分109中，其中，物理地插入盒108可引起对接站102与要连接的盒108之间的流体连接。在一些实施方案中，通过使得用户或机器人在开放空间中物理操作流体的需求最小化，使用诸如盒108之类的盒可以确保系统100中使用的细胞悬浮液和其他流体的无菌性。
在一些实施方案中，除了或替代于对接至盒对接部分109的培养基盒，培养基盒可以被配置为直接对接至多孔设备。在一些实施方案中，被配置为直接对接至多孔设备的培养基盒可以具有比被配置为对接至盒对接部分109的培养基盒更小的物理形状因子。在一些实施方案中，被配置为直接对接至多孔设备的小型化培养基盒可允许多孔设备移动至和/或从对接站102移动至其他实验室设备(例如显微镜)或其他位置，而不会中断培养基供应。在一些实施方案中，系统100可以包括第一适配器，所述第一适配器被配置为允许被配置为对接至盒对接部分109的培养基盒交替性地直接对接至多孔设备；在一些实施方案中，系统100可以包括第二适配器，所述第二适配器被配置为允许被配置为直接对接到多孔设备的培养基盒交替性地对接至盒对接部分109。在一些实施方案中，多孔设备104可以包括一个或多个储器，所述一个或多个储器被配置为通过对接部分109填充试剂和/或其他流体，使得可以将多孔设备104从对接站102移除(例如，被运输到实验室设备的另一块)而不会中断培养基供应的持续可用性。
在一些实施方案中，除了或替代于对接至盒对接部分109的培养基盒，可以通过一个或多个移液器、一个或多个管、一个或多个注射器、一个或多个重力系统、位于多孔设备上的一个或多个储器、或任何其他合适的流体连通机构将细胞悬浮液和/或其他流体给送到多孔设备中。
在一些实施方案中，除了或替代于培养基盒108，系统100可以包括单独的细胞加载盒、小瓶或其他被配置为分配细胞悬浮液的设备，并任选地在使用后处置。在一些实施方案中，用户可以将小的epi样小瓶加载到对接站102中，并且所述小瓶或盒可以将细胞悬浮液保持在无菌组织培养环境中。
在一些实施方案中，对接站102可以包括各种气动连接端口，所述气动连接端口被配置为将对接站102气动地联接到插入对接站102中的多孔设备和/或将对接站102气动地联接到压力和/或真空源。在一些实施方案中，气动歧管(在下面进一步详细讨论)可以设置在对接站102的壳体内部，并且可以被配置为将共同压力源和/或真空源选择性地气动连接到多孔设备的各种气动连接之一上；通过选择性地将多孔设备的各种气动管线之一气动连接到压力源和/或真空源，可以选择性地气动致动多孔设备的阀和/或泵，从而控制多孔设备内部的流体流动。
在一些实施方案中，除了盒108和/或一个或多个其他输入源外，系统100可进一步包括输出储器，所述输出储器可以连接到多孔设备和/或对接站102。在一些实施方案中，输出储器可以是任何孔、储器、袋或其他流体容器，并且可以被配置为在使用流体后从系统100的其他部件接收细胞悬浮液和/或其他流体培养基的流。在一些实施方案中，输出储器可以包括多个分开的隔室或孔，以在收集后将收集的流体保持分开。如下所述，在一些实施方案中，单独寻址流到和/或流出多孔设备任一孔的流的功能可允许将细胞悬浮液从多孔设备(例如智能板设备)中的单独孔中收集到单独的隔室、孔、或输出储器的容器中。在一些实施方案中，输出储器可以包括或者与一个或多个传感器相关联，所述一个或多个传感器被配置为检测进入输出储器和/或在输出储器内部的流体的流动。
如图1进一步所示，对接站102可以包括用户输入设备110，所述用户输入设备可以包括电子和/或物理按钮、键、旋钮、开关、控制杆、操纵杆、触摸板、触摸屏、麦克风、照相机等。输入设备110可以被配置为检测由用户执行的一个或多个输入，并被配置为相应地向与设备100相关联的处理器发送一个或多个信号，其中所发送的信号指示对由用户执行的输入的检测。
如图1进一步所示，对接站102可以包括显示器112，在一些实施方案中所述显示器可以是也可以用作输入设备的触摸屏显示器。显示器112可以被配置为显示关于以下的信息：从多孔板104收集的微环境数据，从多孔板104和/或站102周围的物理环境收集的环境数据，对用户的指令，对用户的警报，对用户的询问，关于系统100状态的信息，和/或从系统100本地或远程存储的日志数据。
在一些实施方案中，包括对接站102和多孔板104(还有本文所述的其他多孔设备)的系统100可以被配置为使得能够在没有人或机器人介入(或最少的人或机器人介入)且不使用培养箱的情况下，在延长的时间段内对活细胞进行培养、测定和其他方案。在一些实施方案中，系统100可以使得能够在大于24小时、48小时、72小时、1周、或2周、1个月、3个月或6个月的时间段内进行培养、测定和其他方案。在一些实施方案中，系统100可以使得能够在少于24小时、48小时、72小时、1周、或2周的时间段内进行培养、测定和其他方案。在一些实施方案中，使人或机器人的物理介入最小化可以使得样品受到污染或损害的机会最小化。
在一些实施方案中，系统100可以包括一个或多个计算部件，例如处理器、存储器、储存器、以及用于无线和/或有线通信的通信接口。在一些实施方案中，系统100可以被配置为接收存储和/或执行指令，所述指令用于控制系统100的一种或多种控制、监测、输入接收、数据输出和/或记录功能，以执行培养、测定和或其他活细胞方案。在一些实施方案中，系统100可以被配置作为主要控制模块，用于控制(例如通过插入对接站102中)插入系统100中的多孔设备的功能发挥。在一些实施方案中，系统100的一个或多个计算部件可位于对接站102的本地(例如，它们可能包含在对接站102中)，和/或所述一个或多个计算部件可经由有线或无线(例如网络)电子通信而位于对接站102的远程(例如，它们可与对接站102和/或系统100的其他部件通信)。
图2A-2C描绘了根据一些实施方案的用于在细胞培养系统(诸如系统100)中使用的多孔板设备200的各种视图。在一些实施方案中，多孔板设备200可以共享与如上文参考图1所讨论的多孔板104相同的一些或全部特征。如图2A-2C所示，多孔板设备200可以包括微流体层200、传感器层204、微控制器层206和电池层208。在一些实施方案中，四个层202-208中的任何一个或多个可以被配置为能够从其他层移除并重新附接到其他层。以这种方式，这些层可以充当模块，所述模块可以被移除，用在一个或多个下游分析程序或其他程序中，由用户处置、替换和/或重新组合。在一些实施方案中，用户可以选择微流体层或传感器层，所述微流体层或传感器层具有适合于期望的培养、测定或方案的通道布置或特性、孔布置或特性、和/或传感器布置或特性。在一些实施方案中，这些层可以通过机械连接、粘附连接、磁性连接和/或通过施加外力(例如可以将它们夹在一起或压制在一起)相互附接。在一些实施方案中，四个层202-208中的任何一者或多者可以称为模块。
在一些实施方案中，多孔板设备200可以被配置为使得能够在微流体层中的多个可单独寻址的孔中培养和/或测定活细胞；可以被配置为使得能够通过设备200中的一个或多个传感器实现对微环境条件和外部条件的自动控制和监测；并且可以配置为使得能够经由一个或多个微型阀和/或微型泵自动控制流体流入和流出微流体层中的孔。
在一些实施方案中，多孔板设备200的长度和/或宽度可以是小于7英寸、5英寸、小于3英寸、小于2英寸或小于1英寸。在一些实施方案中，多孔板设备200的长度和/或宽度可以是大于7英寸、5英寸、小于3英寸、小于2英寸或小于1英寸。在一些实施方案中，多孔板设备200的高度可以是小于5mm、10mm、25mm或50mm。在一些实施方案中，多孔板设备200的高度可以是大于5mm、10mm、25mm或50mm。在一些实施方案中，多孔板设备200可以被配置为具有占位大小，所述占位大小使得能够将所述设备插入对接站102和/或其他实验室或现场设备(例如显微镜)中。
在一些实施方案中，微流体层202可以包括多个孔，所述多个孔被配置为容纳活细胞以用于培养、测定和/或其他活细胞方案。培养基和或细胞悬浮液可以通过微流体层202中的微流体通道流入和/或流出一个或多个孔。微流体层202中的流体的流动可以由一个或多个气动微型泵驱动并由一个或多个微型阀控制，所述一个或多个气动微型泵和所述一个或多个微型阀可以由本地或远程电子控制器自动驱动和/或致动。
在一些实施方案中，微流体层202的微型泵的单泵冲程可被配置为每个周期(例如每个泵冲程)置换小于2000nL、1500nL、1000nL、500nL、250nL、100nL、50nL、10nL或5nL的流体体积。在一些实施方案中，微流体层202的单泵冲程微型泵可配置为每个周期置换大于2000nL、1500nL、1000nL、500nL、250nL、100nL、50nL、10nL或5nL的流体体积。在一些实施方案中，微流体层202的微型泵的隔膜体积可以是小于2000nL、1500nL、1000nL、500nL、250nL、100nL、50nL、10nL或5nL。在一些实施方案中，微流体层202的微型泵的隔膜体积可以是大于2000nL、1500nL、1000nL、500nL、250nL、100nL、50nL、10nL或5nL。在一些实施方案中，微流体层202的微型泵的泵送步进可以是小于500mS、400mS、300mS、200mS或100mS。在一些实施方案中，微流体层202的微型泵的泵送步进可以是大于500mS、400mS、300mS、200mS或100mS。
在一些实施方案中，用于微流体层202的微型阀的阀致动真空可以是-90kPa±50kPa、-90kPa±30kPa、或-90kPa±10kPa。在一些实施方案中，用于微流体层202的微型阀的阀致动压力可以是+40kPa±20kPa、+40kPa±10kPa、或+40kPa±5kPa。
在一些实施方案中，传感器层204可以与微流体层202相邻。传感器层204可以包括印刷电路板以及一个或多个传感器，所述一个或多个传感器被配置为检测微流体层202的孔和/或通道内部的微环境的一种或多种特征。在一些实施方案中，所检测到的微环境的特征可包括温度、压力、pH、湿度、CO2、O2、汇合度、流体流量、输入流体温度和/或输出流体温度中的一种或多种。在一些实施方案中，用于检测微环境的特征的传感器可以位于传感器层204中、微流体层202中或两者中。
在一些实施方案中，微流体多孔设备和/或相关联的系统可以被配置为根据从一个或多个温度传感器(例如设置在传感器层204上的传感器)接收的温度数据生成诸如微流体层202之类的微流体层的二维或三维梯度热图。
在一些实施方案中，可以通过阻抗光谱学(例如使用可以由传感器层204控制和操作的叉指电极)或通过显微成像和深度学习图像分析软件/AI以电子方式实现汇合度监测。
在一些实施方案中，传感器层204可以包括一个或多个部件的全部或部分，所述一个或多个部件例如为气动泵、微型阀、加热元件、和/或被配置为控制或修改微环境的一个或多个所检测到的特征的其他部件。因此，多孔设备200可以检测微环境的特征，并且可以自动地控制它们以修改或维持，例如通过将微环境的特征调整到预定义的值或范围或者通过确保它们不偏离预定义的值或范围来控制。
在一些实施方案中，湿度可被调节为保持在或接近100％，因为细胞会因与空气接触而受到伤害。
在一些实施方案中，可以通过将CO2添加到所递送的培养基中(例如通过添加CO2气体以化学和/或物理方式)来调整CO2水平。在一些实施方案中，CO2含量可决定培养基的pH。在一些实施方案中，可以将pH缓冲液添加到培养基中以使培养基稳定，并且通过连续更换培养基，pH不会发生显著变化。
在一些实施方案中，氧气调节(可基于环境和/或内部氧气条件的测量)可包括使用一个或多个脱气器以实现缺氧条件。
在一些实施方案中，可以对环境进行压力监测以进行数据记录，并在内部进行调节以气动致动微型泵、脱气器和/或进行常规流体致动。
在一些实施方案中，可以基于外部和/或内部温度测量值，使用一个或多个加热或冷却元件在内部为细胞培养条件调节温度。
在一些实施方案中，可以通过以下方式调节汇合：测量细胞培养条件和细胞活力，并且执行测定和方案以减少孔的某个区域中的细胞数量。
在一些实施方案中，可以至少部分地基于对任何一种或多种微环境条件、内部条件、环境条件和/或外部条件的监测，对任何一种或多种微环境条件、内部条件、环境条件和/或外部条件进行调节和/或调整。
在一些实施方案中，微控制器层206可以与传感器层204相邻，例如通过位于传感器层204的与微流体层202相反的一侧。微控制器层206可以包括一个或多个计算部件，例如处理器、存储器、储存器、以及用于无线和/或有线通信的通信接口。微控制器层206可以被配置为接收存储和/或执行指令，所述指令用于控制多孔设备200的一种或多种控制、监测、输入接收、数据输出和/或记录功能，以执行培养、测定和或其他活细胞方案。在一些实施方案中，微控制器层206可以被配置作为主要控制模块，用于控制多孔设备200的功能发挥。
在一些实施方案中，微控制器层206可以包括一个或多个传感器，或者可以与一个或多个传感器通信联接，所述一个或多个传感器被配置为感测关于多孔设备200周围的环境的环境数据(例如，不同于关于微流体层202内部的微环境的微环境数据)。在一些实施方案中，关于多孔设备200周围的环境的环境数据可以包括以下中的一种或多种：温度、压力、湿度、CO2、O2、和/或环境光特征、以及强度。在一些实施方案中，微控制器层206可以被配置为根据所检测到的周围环境数据来改变或维持多孔设备200和/或微流体层202的内容物的一种或多种特征。
在一些实施方案中，控制微环境温度的能力(例如通过内载于多孔设备200上的或包含在相关联设备对接站102中的一个或多个加热元件)可以使得能够在不使用培养箱的情况下进行长期细胞培养和测定。也就是说，通过经由系统的加热元件监测和控制系统的温度，可以在桌面或台式(例如室温)环境中，或甚至在室外进行培养、测定和其他方案。
在一些实施方案中，电池层208可以与微控制器层206相邻，例如通过位于微控制器层206的与传感器层204相反的一侧。在一些实施方案中，电池层可以包括被配置为给多孔设备200的一个或多个部件提供电能的一个或多个电池或其他电源。在一些实施方案中，多孔设备可以被配置为耗费电池层208以外的一个或多个其他来源或电源(例如位于设备200内部或外部的其他位置的电池)的电，或者耗费一个或多个电源连接(例如到可与设备200连接的对接站或其他实验室设备的连接)的电。
如图2B和2C所示，在一些实施方案中多孔设备200可以包括CO2传感器210中，所述CO2传感器可以被配置为检测设备200的微环境的和/或设备200周围的环境的CO2水平，并且可以被配置为将关于所检测到的CO2水平的信号发送到传感器层204和/或微控制器层206。在一些实施方案中，CO2传感器210可以被包括作为传感器层204的一部分；在一些实施方案中，CO2传感器210的高度可以大于传感器层204的高度，并且CO2传感器210可以在设备200中与多个层中的一者或多者并排放置，并且可以跨越设备200的多个层中的两者或更多者的高度。
在一些实施方案中，多孔设备200可以被配置为形成无菌微环境，所述无菌微环境不会受到多孔设备200外部的物理处理的污染。以此方式，多孔设备200可以在非无菌环境中使用以进行无菌培养、测定和方案。
在一些实施方案中，除了上面讨论的层之外，多孔设备200还可以包括基底层，所述基底层可以是多孔设备的最底层，并且可以是玻璃或塑料(例如硼浮法(borofloat)玻璃、任何合适的聚合物、任何合适的共聚物等)层，可以与来自其他层(例如传感器层或控制层)的微流体层对置。在一些实施方案中，基底层可以例如通过作为被配置用于高分辨率成像的薄抗反射层而被配置用于成像。在一些实施方案中，基底层可以被配置为足够坚固，以支持微流体模块和其中设置有微流体模块的多孔设备的组装。在一些实施方案中，基底层的厚度可以是小于25μm、50μm、100μm、500μm、1mm、或1.5mm、或2mm。在一些实施方案中，基底层的厚度可以是大于25μm、50μm、100μm、500μm、1mm、或1.5mm、或2mm。在一些实施方案中，基底层(和其他层，例如微流体层中的那些层)可以被配置为不自发荧光、足够透明、足够平坦、足够薄和/或厚度足够均匀，以使得可以通过所述层拍摄高分辨率的显微图像。在一些实施方案中，基底层可以包括一个或多个孔，并因此可以充当微流体层的一部分(例如，它可以替代下文讨论的孔层)。在一些实施方案中，可以将微流体层进行微图案化或微雕刻，并可以包含一个或多个结构，例如微米柱或纳米柱。
图3A描绘了根据一些实施方案的多孔板设备的微流体层300的分解图。在一些实施方案中，微流体层300可以共享与如上文参考图2A-2C所讨论的微流体层202相同的任何一种或多种特征。在一些实施方案中，微流体层300可以被配置为永久地或非永久地附接到板设备的其他层和/或模块(例如传感器层、控制层和/或电池层)，从而形成被配置用于进行活细胞的培养、测定和其他方案的多孔板设备。在一些实施方案中，微流体层300可以包括多个孔，所述多个孔被配置为容纳细胞悬浮液、试剂和/或其他介质，以用于进行培养、测定和其他方案。微流体层300可以进一步包括与一个或多个流体输入端和流体输出端连接的微流体通道，使得微流体通道可用于将流体递送到微流体孔和/或从微流体孔递送流体。在一些实施方案中，微流体层300中多个层中的一者或多者可以由玻璃、塑料、特氟隆、PDMS、透气膜、环烯烃共聚物(COC)或其他合适的材料形成。在一些实施方案中，微流体层300的基底层可以由玻璃制成，而其他层中的一者或多者可以由PDMS或其他类型的聚合物制成。
如图3A所示，微流体层300本身可以包括多个子层，所述多个子层包括孔层302、脱气器膜层303a、脱气器层303b、流体路径层304、气动膜层306、气动层308、脱气器控制层314和密封层316。在一些实施方案中，微流体层300可以进一步包括在图3A中未描绘的一个或多个其他层和/或子层。
在一些实施方案中，孔层302可以包括多个孔本身，而流体路径层304可以包括微流体通道，流体可以通过所述微流体通道流入和/或流出通道。在一些实施方案中，气动膜层306和气动层308可以一起作用以使用气动力来引起微型阀的打开和/或关闭和/或微型泵的致动，以控制流体流动通过层304的微流体通道并且流入和/或流出层302的孔。
在一些实施方案中，微流体层300中包括的层可以在一侧(例如微流体层300的底部)上与孔层302堆叠，接着是流体路径层304，然后是气动膜层306，然后是在与孔层302相对的一侧上(例如微流体层300的顶部)的气动层308。
在一些实施方案中，层304、306和308中的一者或多者可以例如通过模制、压制和/或加热和熔化在一起而永久地互相粘结，并且由此可以产生可重复使用和/或可高压灭菌的控制层。然后可以例如通过粘合剂将孔层302非永久地连接到控制层，使得可以在实验完成时移除孔层302。在一些实施方案中，可以使用UV臭氧处理在层之间建立牢固的粘结，并且之后可以通过使用酸和/或有机溶剂释放此粘结。在一些实施方案中，可以通过外部机械力将各层压制在一起或压在一起，而不用互相永久地和/或粘附性地粘结。在一些实施方案中，可以使用诸如导柱之类的一个或多个对准设备(可以包含在多孔设备本身中，也可以包含在外部设备例如对接站102中)，以在不同的层永久或非永久地相互附接时对准不同的层。
在一些实施方案中，可以根据实验需求定制微流体层300的多个层中的一者或多者，例如定制为包括阻抗传感器、微雕刻结构、用于3D培养的孔几何形状、和/或替代性基底材料。
在一些实施方案中，气动膜层306可以包括柔性(例如PDMS/特氟隆)膜，所述柔性膜将气动层308与流体路径层304分开，使得可以通过由气动层308施加在气动膜层306上的压力使气动膜层306变形。随着气动膜层306变形，可以使一个或多个闸门或阀被致动，使得可以通过气动膜层306的变形来控制流体路径层304中的流体流动。在一些实施方案中，气动膜层306的厚度可以是小于200μm、150μm、100μm或50μm。在一些实施方案中，气动膜层306的厚度可以是大于200μm、150μm、100μm或50μm。
在一些实施方案中，微流体层300的占位大小可以是2英寸×3英寸，或者占位大小可以是任何其他合适尺寸。在一些实施方案中，微流体层300的长度和/或宽度可以是小于5英寸、小于3英寸、小于2英寸或小于1英寸。在一些实施方案中，微流体层300的长度和/或宽度可以是大于5英寸、小于3英寸、小于2英寸或小于1英寸。在一些实施方案中，微流体层300可符合ANSI/SLAS占位大小标准。在一些实施方案中，微流体层300的高度可以是小于1mm、2mm、3mm、4mm、5mm或10mm。在一些实施方案中，微流体层300的高度可以是大于1mm、2mm、3mm、4mm、5mm或10mm。
在一些实施方案中，在微流体芯片制造之前，微流体层300的一种或多种部件保持清洁并且没有污染物可能是重要的。在一些实施方案中，可以在芯片制造之前和/或期间进行一个或多个清洁程序；在一些实施方案中，可以不需要在细胞加载、细胞培养和/或生物学检测程序之前和/或期间进行清洁程序。在一些实施方案中，微流体层300的一种或多种部件的清洁可以包括可用于去除有机残留物的Piranha清洁。Piranha清洁中可以使用两种不同的溶液。在一些实施方案中，可以使用酸：所述酸可以包括浓硫酸(H2SO4)与过氧化氢(H2O2)的3:1混合物。在一些实施方案中，可以使用碱：所述碱可以包括氢氧化铵(NH4OH)与过氧化氢(H2O2)的3:1混合物。高温时酸和碱都可能有危险；在一些实施方案中，在酸中的反应是自启动的，而在反应开始之前，可能需要将碱piranha加热到60摄氏度。Piranha酸和碱可以在干净且准备好的化学通风橱中制备。一旦制成溶液，可将微流体层300的一种或多种部件小心地放置在内部并轻轻搅动约10分钟，然后用水充分漂洗并用气枪吹干。
在一些实施方案中，微流体层300基底层的一种或多种部件的实验室清洁可以包括将所述一种或多种部件放置在平皿中，并添加20mM Trition-X溶液或其他洗涤剂溶液；然后可以将所述一种或多种部件置于超声浴中约五分钟。可以将所述一种或多种部件用水漂洗并放入新的平皿中，可以在其中添加丙酮，并且可以将所述一种或多种部件声处理约10分钟。然后可以将所述一种或多种部件转移至IPA并声处理约10分钟。然后可以将一种或多种部件取出并吹干，放在带有盖子的平皿中。在一些实施方案中，可以将一种或多种经清洁的部件放在约150摄氏度的热板上约30分钟，以去除多余的湿度。
在一些实施方案中，微流体层300的一种或多种部件的灭菌可以在制造之后并且在执行细胞培养、测定和/或方案之前进行，所述灭菌包括高压灭菌和洗涤。(在一些实施方案中，灭菌可以包括在下文实施例1中讨论的技术的一个或多个方面。)在一些实施方案中，使用70％乙醇的漂洗可以进行约15分钟，然后使用1M NaOH的漂洗可以进行约30分钟，然后使用PBS/培养基的漂洗可以进行约一小时。
在一些实施方案中，可以在无菌(例如密封)状态下包装和/或运送一种或多种部件，以使得最终用户用于培养、测定和/或方案之前无需进行灭菌，并且以使得所述一种或多种部件在拆封后即可使用。在其中可以从多孔设备中移除并替换一种或多种部件的一些实施方案中，可以使用新的无菌部件，而不是清洁先前使用的部件以备后用。
图3B示出了根据一些实施方案的孔层302的独立视图。如所示，孔层302可以包括按8x12网格布置的96个孔。在一些实施方案中，孔层302可以包括更少的孔总数，例如6、12、24或48个孔。在一些实施方案中，孔层302可以包括大于96的孔总数。在一些实施方案中，孔层302中的一个或多个孔的有效面积可以是小于5mm2、小于10mm2、小于20mm2、小于30mm2或小于50mm2。在一些实施方案中，孔层302中的一个或多个孔的有效面积可以是大于5mm2、小于10mm2、小于20mm2、小于30mm2或小于50mm2。
在一些实施方案中，孔层302的孔可以各自具有输入通道(例如入口)和/或输出通道(例如出口)，所述输入通道和输出通道可以通向与孔层302相邻的一层。因此，孔层302的输入通道和/或输出通道可以与流体路径层304的微流体通道处于流体连通，从而可以将流体从流体路径层304递送到输入端中并且从输出端递送到流体路径层304。在一些实施方案中，孔层302的入口和/或出口的宽度可以是小于2mm、小于1mm、小于0.75mm、小于0.5mm或小于0.25mm。在一些实施方案中，孔层302的入口和/或出口的宽度可以是大于2mm、小于1mm、小于0.75mm、小于0.5mm或小于0.25mm。
在一些实施方案中，孔层302的高度可以是小于0.05mm、0.1mm、0.25mm、0.5mm、0.75mm、1mm或2mm。在一些实施方案中，孔层302的高度可以是大于0.05mm、0.1mm、0.25mm、0.5mm、0.75mm、1mm或2mm。
在一些实施方案中，孔层302可以被提供为与微流体层300的其余层分开的模块(例如可拆离和可替换)，这可以提供灵活性来改变其配置，以在一些实施方案中包括其他传感器(例如阻抗感应电极)；替代的孔几何形状(例如用于3D培养的微图案化或专用孔形状)；替代的材料(例如玻璃、COC等)；和/或替代的涂层(例如纤连蛋白、聚赖氨酸等)。在一些实施方案中，然而，可以将具有变化特征的多个不同的孔层配置为附接到微流体设备的同一流体路径层上，以与设备处于流体连通；即，可以配置多个不同的孔层，使得通过将任一个或任何孔层与同一流体路径层对准，任一个或任何孔层将与所述孔层处于流体连通，从而可兼容用于相同的微流体设备。在一些实施方案中，可以配置一个或多个孔层，使得一个或多个孔可以用作用于特定于应用的操作和/或测定的储器、混合区域和/或隔室等。
在一些实施方案中，孔层302可以是微流体层300和/或多孔设备的基底层。
在一些实施方案中，孔层302可以被微图案化和/或被微雕刻，和/或可以包含微米柱和/或纳米柱。在一些实施方案中，孔层302的厚度、材料、微图案化、涂层和几何构型中的一种或多种可以被配置用于显微成像。在一些实施方案中，孔层302的材料、微图案化、涂层和几何构型中的一种或多种可以被配置用于贴壁细胞的2D培养。在一些实施方案中，孔层302的材料、微图案化、涂层和几何构型中的一种或多种可以被配置用于共培养多于一种类型的贴壁细胞。在一些实施方案中，系统可以被配置为将具有第一类型贴壁细胞的一个细胞悬浮液寻址到孔中，然后将具有第二类型贴壁细胞的第二细胞悬浮液寻址到同一储器。在一些实施方案中，第一细胞悬浮液和第二细胞悬浮液可以从分开的储器或其他分开的来源中抽取。在一些实施方案中，孔层302的材料、微图案化、涂层和几何构型中的一种或多种可以被配置用于共培养贴壁细胞和其他细胞类型。在一些实施方案中，孔层302的材料、微图案化、涂层和几何构型中的一种或多种可以被配置用于悬浮细胞的培养。在一些实施方案中，孔层302的材料、微图案化、涂层和几何构型中的一种或多种可以被配置用于3D培养模型的培养。在一些实施方案中，3D模型包括肿瘤球体、类器官、血管网络、生物打印的3D组织模型、和iPSC衍生的3D组织模型中的一种或多种。在一些实施方案中，孔层302的材料、微图案化、涂层和几何构型中的一种或多种可以被配置用于培养永生化细胞、iPSC、iPSC衍生的细胞、或原代细胞中的一种或多种。在一些实施方案中，孔层302的在本段陈述的任何一种或多种特征和/或孔层的在本申请中其他地方陈述的任何一种或多种特征可以等同地适用于与孔层分开的基底层。
在一些实施方案中，可以在已将细胞接种到一个或多个层并在那里冷冻之后，将孔层302提供给用户，以使得用户可以随后将孔层附接到系统上并解冻细胞，并在细胞已经解冻后开始实验。在一些实施方案中，此过程可减少用户的关于细胞的输入，并允许将被工程化用于某些生物学应用的特定细胞系提供给用户。
图3C示出了根据一些实施方案的流体路径层304的独立视图。在一些实施方案中，流体路径层304可以形成为既包括流体路径子层(和/或流体路径侧)又包括微型脱气器层(和/或微型脱气器侧)的层的子层。在一些实施方案中，流体路径层304可以形成还包括脱气器层(例如脱气器层303b)的层的子层，下面参考图3G讨论。在组合配置中，流体路径特征可面向气动膜层，而脱气特征可以相反方向面向脱气膜。在一些实施方案中，流体路径层304可以通过铣削、注射模制和/或蚀刻来制造。
在一些实施方案中，流体路径层304可以包括多个微流体通道，所述多个微流体通道被配置为允许细胞悬浮液、试剂和/或其他流体流入和/或流出孔层302的孔。在一些实施方案中，流体路径层304的微流体通道可以与孔层302的一个或多个孔处于流体连通，并且可以被配置为允许流体的流动被单独地寻址到孔层302中的任何一个孔(如将在下文进一步详细讨论的)。
流体路径层304可以包括流体入口306c，所述流体入口可以连接到以下项并接收来自以下项的流体：对接站(例如对接站102)、歧管连接器1200、和/或单独的流体连接器，例如但不限于移液器吸头、管件、储器、和/或其他外部流体源。
流体路径层304可以包括流体出口306d，所述流体出口可以流体地连接到输出储器或其他下游流体目的地。在一些实施方案中，流体出口306d可连接到对接站102、歧管连接器1200和/或其他流体连接器。
流体路径层304可以包括流体入口通道306e，所述流体入口通道可以将入口306c流体地连接到多个行通道(例如通道306g)，以允许流体(例如试剂、细胞悬浮液、药物)从入口306c流到一个或多个行通道。
流体路径层304可以包括选行阀306f，所述选行阀可以被配置为选择性地打开和关闭，以允许和禁止流体从入口通道306e流动到相应的行通道(例如通道306g)。在一些实施方案中，选行阀306f可以被配置作为两个或更多个汇流阀(bus valve)之一，其被配置为通过单个气动控制动作与一个或多个其他汇流阀同时打开和/或关闭；例如，行通道入口汇流阀和行通道出口汇流阀可以彼此一起打开和关闭。在一些实施方案中，选行阀306f可以被配置为通过微流体层300的气动膜的运动而被气动地致动，如本文中其他地方所讨论的。
流体路径层304可以包括行通道306g，所述行通道可以是与对应的一行孔相对应的流体通道，并且被配置为选择一级特异性来寻址单独的阀。单独的行阀(例如选行阀306f)可以选择流体可以被递送到的行和/或可以从中递送出流体的行。
流体路径层304可以包括冲洗阀306h，所述冲洗阀可以被配置为选择性地打开和关闭以允许和禁止流体从相应的行通道(例如通道306g)流入出口通道。
流体路径层304可以包括选孔阀306i，所述选孔阀可以被配置为选择性地打开和关闭以允许和禁止流体从行通道(例如通道306g)流入单独相应的孔和/或允许流体从单独的孔中流出进入行出口通道并朝向出口(例如出口306d)。在一些实施方案中，选孔阀306i可以被配置作为成对或成组的两个或更多个汇流阀，所述汇流阀被配置为通过单个气动控制动作同时打开和/或关闭；例如，孔入口汇流阀和孔出口汇流阀彼此一起打开和关闭。在一些实施方案中，选孔阀306i可以被配置为通过微流体层300的气动膜的运动而被气动地致动，如本文中其他地方所讨论的。
流体路径层304可以包括导通孔306j，所述导通孔可以被配置为将流体路径层304的一侧上的脱气器结构(例如在脱气器层303b中)气动地连接到在流体路径层304的相对侧上的脱气器控制层(例如层314)上。
流体路径层304可以包括孔入口/出口306k，所述孔入口/出口可以包括导通孔，所述导通孔将流体路径层304的通道流体地连接到孔层302的孔。
在一些实施方案中，可以将特征306c-i微雕刻、注射模制和/或蚀刻到流体路径层304的面向气动膜306的表面中。
在一些实施方案中，流体路径层304的厚度可以是小于1mm、小于0.75mm、小于0.5mm或小于0.25mm。在一些实施方案中，流体路径层304的厚度可以是大于1mm、大于0.75mm、大于0.5mm或大于0.25mm。在一些实施方案中，流体路径层304的蚀刻深度可以是小于50μm、小于40μm或小于30μm。在一些实施方案中，流体路径层304的蚀刻深度可以是大于50μm、大于40μm或大于30μm。
在一些实施方案中，流体路径层304的微流体通道的宽度或直径可以是小于1mm、小于0.5mm、小于0.4mm、小于0.3mm、小于0.2mm或小于0.1mm。在一些实施方案中，流体路径层304的微流体通道的宽度或直径可以是大于1mm、小于0.5mm、小于0.4mm、小于0.3mm、小于0.2mm或小于0.1mm。
图3D和3E各自示出了气动层308的一部分。在一些实施方案中，气动层308包括两个子层：气动选孔层310和气动控制层312。在一些实施方案中，选孔层310可以称为形成气动层308的一“侧”(例如，底侧)，而气动控制层312可以称为形成气动层308的另一“侧”(例如，顶侧)。因此，图3D示出了根据一些实施方案的气动选孔层310；并且图3E示出了根据一些实施方案的气动控制层312。在一些实施方案中，气动选孔层310和气动控制层312可以彼此粘结、压花、铣削和/或注射模制，并且可以通过一个或多个导通孔连接。在一些实施方案中，气动选孔层310可以与气动膜层306相邻，而气动控制层312可以在气动选孔层310的与气动膜层306相反的另一侧上。
如图3D所示，气动选孔层310可以用于致动气动膜306；气动压力的变化可以使流体路径层304中对应的特定于孔的流体阀的气动汇流阀区域(偏转室)310i内的气动膜306偏转，从而允许流体被运输到孔层302中的孔中和/或从孔中运输出来。
气动选孔层310可以包括入口310c，所述入口可以是导通孔，所述导通孔被配置为连接到以下项并接收来自以下项的流体：对接站(例如对接站102)、歧管连接器1200、和/或单独的流体连接器，例如但不限于移液器吸头、管件、储器、和/或其他外部流体源。
气动选孔层310可以包括流体出口310d，所述流体出口可以流体地连接到输出储器或其他下游流体目的地。在一些实施方案中，流体出口310d可连接到对接站102、歧管连接器1200和/或其他流体连接器。
在一些实施方案中，入口310c和流体出口310d之一或两者可以是对应连接到本文讨论的其他层中的相应入口和/或出口的导通孔。
气动选孔层310可以包括气动偏转室310e，所述气动偏转室可以是被配置为向气动膜(例如气动膜层306)施加压力和/或真空以使膜偏转并打开或关闭流体阀(例如提升式闸阀、门垫阀等)的室。气动偏转室310e可以与对应的选行阀306f(关于流体路径层304讨论)相对应，并且可以被配置为控制那些阀306f的致动。
气动选孔层310可以包括气动偏转室310f，所述气动偏转室可以是与对应的冲洗阀306h(关于流体路径层304讨论)相对应的气动偏转室，并且可以被配置为控制那些阀306h的致动。
气动选孔层310可以包括导通孔310g，所述导通孔可以被配置为将流体路径层304的一侧上的脱气器结构(例如在脱气器层303b中)气动地连接到在流体路径层304的相对侧上的脱气器控制层(例如层314)上。在一些实施方案中，气动连接可以通过对应的导通孔306j(关于流体路径层304讨论)形成。
气动选孔层310可以包括气动导通孔连接器310h，所述气动导通孔连接器可以被配置为气动地连接到气动偏转室310i，如下所文讨论。
气动选孔层310可以包括偏转室310i，所述偏转室可以是与对应的选孔阀306i(关于流体路径层304讨论)相对应的偏转室，并且可以被配置为控制那些阀306i的致动。
在一些实施方案中，可以制造气动选孔层310，使得可以将一侧或两侧上的特征铣削、注射模制和/或蚀刻到所述层中。
在一些实施方案中，气动层308的一个或两个子层可以通过软光刻法(softphotolithography)工艺、注射模制和/或硬压花形成。
在一些实施方案中，为了允许单独寻址每个孔，每个孔都可以由两个汇流阀设门，所述汇流阀可以由来自气动控制层312的单个输入线路控制。
在一些实施方案中，气动控制层312通过气动端口连接器314a连接到系统100中的气动连接端口/歧管。系统单元控制器可以在真空或压力状态下操作内部电磁阀和/或气动歧管单元1100，从而用真空或压力填充气动控制层312中的气动管线。然后压力状态可以通过单独的气动通道和导通孔(到选孔层310)转移到选孔层310上的膜。施加的真空可以使气动膜层306偏转并打开流体路径层304中的汇流阀。这可以允许流体被按路径引到与那些阀连接的单独孔中，并允许通过致动微型泵、隔膜泵或压电泵递送流体，所述微型泵、隔膜泵或压电泵在一些实施方案中可以设置在微流体层300中，并且在一些实施方案中可以设置在微流体层300的外部。
如图3E所示，气动控制层312可以包括入口310c和出口310d，如上文关于气动选孔层310所讨论的。气动控制层312也可以包括导通孔310g，如上文关于气动选孔层310所讨论的。
气动控制层312可以包括气动连接端口310j，所述气动连接端口可以被配置为分别气动地连接到主要气动连接端口，诸如下文关于密封层316所讨论的主要气动连接端口314a。因此，气动连接端口310j可以提供从气动控制层312到微流体层300外部的压力源和/或真空源的气动连接。
气动控制层312可以包括气动路径通道310k，所述气动路径通道可以是被配置为将气动连接端口310j连接到气动偏转室310e、310f和/或310i的单独气动路径通道，如所示。
图3F描绘了根据一些实施方案的多孔板设备的微流体层的脱气器膜层303a。在一些实施方案中，脱气器膜层303a可以设置在选孔层302与脱气器层303b之间(下文讨论)。在一些实施方案中，脱气器膜层303a可以包括诸如PDMS之类的透气膜，并且可以被配置为在由脱气器膜层303a的另一侧上的脱气器层303b施加的真空力下允许空气泡(和/或其他气泡)从孔层302中的孔中逸出。
在一些实施方案中，脱气器膜层303a的厚度可以是小于10μm、25μm、50μm、100μm、250μm或500μm。在一些实施方案中，脱气器膜层303a的厚度可以是大于10μm、25μm、50μm、100μm、250μm或500μm。
脱气器膜层303a可以包括导通孔304a，所述导通孔可以是被配置为将流体路径层304中的通道流体地连接至孔层302中的对应孔的导通孔。
图3G描绘了根据一些实施方案的多孔板设备的微流体层的脱气器层303b。在一些实施方案中，脱气器层303b可以设置在脱气器膜层303a与流体路径层304之间。
在一些实施方案中，脱气器层303b可以形成为既包括流体路径子层(和/或流体路径侧)又包括微型脱气器层(和/或微型脱气器侧)的层的子层。在一些实施方案中，脱气器层303b可以形成为还包括诸如流体路径层304之类的流体路径层的层的子层。在组合配置中，流体路径特征可面向气动膜层，而脱气特征可以相反方向面向脱气膜。在一些实施方案中，脱气器层303b可以通过铣削、注射模制和/或蚀刻来制造。
在一些实施方案中，脱气器层303b可以包括多个局部脱气器303c，在一些实施方案中，除主要的全局脱气器之外，所述多个局部脱气器可以是次要脱气器。主要脱气器可以对共同输入通道进行脱气，而脱气器层303b中的多个局部次级脱气器303c中的每一个可以位于孔层302中的对应孔上方(并跨脱气器膜层303a)，并且可以被配置为对特定的孔脱气。
在一些实施方案中，每个次级脱气器303c可以包括一个或多个导通孔，所述一个或多个导通孔被配置为气动地连接至脱气器控制层314，使得可以将真空从脱气器控制层314施加至脱气器层303b。所述一个或多个导通孔可以通过一个或多个通道或其他气动路径结构连接到一系列柱或其他支持元件，所述一系列柱或其他支持元件被配置为支持施加到脱气器膜303a的真空，使得所述脱气器膜不会偏转到微型脱气器中。
脱气器层303b可以另外包括多个孔入口/出口，所述多个孔入口/出口可以采取在脱气器层303b中形成的导通孔的形式，所述导通孔被配置为将孔入口/出口如上文参考流体路径层304所讨论的那样流体地连接至孔层302。
图3H描绘了根据一些实施方案的多孔板设备的微流体层的气动膜层306。
气动膜层306可以包括入口308a，所述入口可以是导通孔，所述导通孔被配置为连接到以下项并接收来自以下项的流体：对接站(例如对接站102)、歧管连接器1200、和/或单独的流体连接器，例如但不限于移液器吸头、管件、储器、和/或其他外部流体源。
气动膜层306可以包括流体出口308b，所述流体出口可以流体地连接到输出储器或其他下游流体目的地。在一些实施方案中，流体出口308b可连接到对接站102、歧管连接器1200和/或其他流体连接器。
在一些实施方案中，入口308a和流体出口308b之一或两者可以是对应连接到本文讨论的其他层中的相应入口和/或出口的导通孔。
气动膜层306可以包括气动导通孔308c，所述气动导通孔可以被配置为将气动膜层306的一侧上的脱气器结构(例如在脱气器层303b中)气动地连接到在气动膜层306的相对侧上的脱气器控制层(例如层314)上。
图3I描绘了根据一些实施方案的多孔板设备的微流体层的脱气器控制层314。在一些实施方案中，脱气器控制层314可以设置在气动控制层312与密封层316之间(在下文图3J中讨论)。在一些实施方案中，脱气器控制层314可以包括一个或多个气动路径通道，所述一个或多个气动路径通道被配置为将真空按路径引到一个或多个导通孔，从而输送到脱气器层(如脱气器层303b)的特定于孔的微型脱气器中。在一些实施方案中，单个真空入口可足以施加恒定的负真空压力，以将所述负真空压力输送到在脱气器层303b中的微型脱气器结构中。
在一些实施方案中，脱气器控制层314的一种或多种特征可以形成于脱气器控制层314的面向脱气器层(如脱气器层303b)的一侧上。
脱气器控制层314可以包括入口312a，所述入口可以是导通孔，所述导通孔被配置为连接到以下项并接收来自以下项的流体：对接站(例如对接站102)、歧管连接器1200、和/或单独的流体连接器，例如但不限于移液器吸头、管件、储器、和/或其他外部流体源。
脱气器控制层314可以包括流体出口312b，所述流体出口可以流体地连接到输出储器或其他下游流体目的地。在一些实施方案中，流体出口312b可连接到对接站102、歧管连接器1200和/或其他流体连接器。
在一些实施方案中，入口312a和流体出口312b之一或两者可以是对应连接到本文讨论的其他层中的相应入口和/或出口的导通孔。
脱气器控制层314可以包括气动导通孔连接端口312c，所述气动导通孔连接端口可以被配置为分别气动地连接到主要气动连接端口，诸如下文关于密封层316所讨论的主要气动连接端口314a。因此，气动连接端口312c可以提供从脱气器控制层314到微流体层300外部的压力源和/或真空源的气动连接。
脱气器控制层314可以包括气动路径通道312d，所述气动路径通道可以被配置为将连接端口312c气动地连接到气动导通孔312d，如下文所讨论。
脱气器控制层314可以包括气动导通孔312e，所述气动导通孔可以经由路径通道312d气动地连接到连接端口312c，并且可以被配置为将真空力传输到脱气器层303b的一个或多个微型脱气器结构中。在一些实施方案中，气动导通孔312e可以通过孔310g和306j中的一个或多个将真空力传输到脱气器层303b的一个或多个微型脱气器结构，如上所讨论。
图3J描绘了根据一些实施方案的多孔板设备的微流体层的密封层316。在一些实施方案中，密封层316可以设置在脱气器控制层314的与气动控制层312相反的一侧。在一些实施方案中，密封层316可以称为盖子层。密封层316可以被配置为密封并关闭脱气器控制层314的气动特征，以确保微流体层300的适当功能发挥。
在一些实施方案中，密封层316可以包括主要气动连接端口314a，所述主要气动连接端口可以被配置为在外部设备和气动通道与微流体层300内部的室和其他结构之间提供气动连接。连接端口314a可以被配置为气动地联接至一个或多个真空源(和/或正压源)，诸如歧管连接器、一个或多个管等。在一些实施方案中，连接端口314a可以联接到对接站(如对接站102)的一部分或部件。
密封层316可以包括入口314b，所述入口可以是导通孔，所述导通孔被配置为连接到以下项并接收来自以下项的流体：对接站(例如对接站102)、歧管连接器1200、和/或单独的流体连接器，例如但不限于移液器吸头、管件、储器、和/或其他外部流体源。在一些实施方案中，入口314b可以直接连接至上述任何一个源，并且可以将流体流输送至上文讨论的微流体层300的其他层中的其他相应入口孔中。
密封层316可以包括流体出口314c，所述流体出口可以流体地连接到输出储器或其他下游流体目的地。在一些实施方案中，流体出口314c可连接到对接站102、歧管连接器1200和/或其他流体连接器。在一些实施方案中，流体出口314b可以直接连接至上述任何一个下游流体目的地，并且可以从上文讨论的微流体层300的其他层中的其他相应出口孔接收流体流。
在一些实施方案中，入口314b和流体出口314c之一或两者可以是对应连接到本文讨论的其他层中的相应入口和/或出口的导通孔。
图4A、4B和5各自描绘了根据一些实施方案的包括气动阀的对应微流体层的两个截面图。图4A示出了一个实施方案的两个视图(顶部：关闭；底部：打开)，其中气动阀由从形成于流体路径层中的通道的表面突出的闸门形成。图4B示出了一个实施方案的两个视图(左：关闭；右：打开)，其中气动阀由从限定了流体通道的至少一个壁的膜的表面突出的闸门形成。图5示出了一个实施方案的两个视图(左：分解；右：未分解)，其中气动阀由从形成于流体路径层中的通道的表面突出的闸门形成(类似于图4A中的实施方案)。
如图4A所示，微流体层400a可以包括流体路径层404a、气动膜层406a、气动层408a和闸门410a。在一些实施方案中，微流体层400a、流体路径层404a、气动膜层406a和气动层408a可以共享与上文参考图3A所讨论的相应元件(例如分别是微流体层300、流体路径层304、气动膜层306和气动层308)相同的一种或多种特征。
如图4A所示，流体路径层404a可以限定流体可以流过的一个或多个微流体通道，并且所述微流体通道可以在一侧(例如在顶侧)由气动膜层406a密封。气动膜层406a可以是柔性的，使得可以使其选择性地变形到形成于气动层408a中的置换室(例如中空腔)中，所述气动层可以处于气动膜层406a的与流体路径层404a相反的一侧上。
在图4A的上图中，由气动层408a的置换室内部的压力(例如气压)施加在气动膜层406a上的(气动)力大于由来自流体路径层404a的通道中的流体的压力(例如流体压力)施加在气动膜层406a上的(气动)力；相应地，由气动层408a的置换室内部的压力(例如气压)施加在气动膜层406a上的力足以迫使气动膜层406a朝向和抵靠闸门410a，从而通过形成密封来关闭阀，并且防止流体(在所示的实施方案中从右向左)流过流体路径层404a中的通道。
在图4A的下图中，由气动层408a的置换室内部的压力(例如气压)施加在气动膜层406a上的力小于由来自流体路径层404a的通道中的流体的压力(例如流体压力)施加在气动膜层406a上的力；相应地，由气动层408a的置换室内部的压力(例如气压)施加在气动膜层406a上的力不足以迫使气动膜层406a朝向和抵靠闸门410a；相反，由来自流体路径层404a的通道中的流体的压力(例如流体压力)施加在气动膜层406a上的力足以迫使气动膜层406a远离闸门410a，从而通过允许流体(在所示的实施方案中从右向左)流过流体路径层404a中的通道来打开阀。
应注意，在一些实施方案中，施加到置换室的真空将气动膜层406a提起并保持远离闸门，从而打开流体通道。在一些实施方案中，通过对流体的微型泵致动，通道内的流体压力会增加。然而，在不施加真空的情况下可能无法产生流体流，因为不施加真空的话流体压力可能等于大气压并且闸门可能保持关闭。因此，在一些实施方案中，可需要施加真空以打开闸门。
因此，通过使气动层408a中的置换室内部的压力(例如气压)增大或减小，可以选择性地打开和关闭图4A中的阀，从而选择性地允许和禁止流体流过流体路径层404a中的通道。
图4B示出了微流体层400b，所述微流体层可以包括流体路径层404b、气动膜层406b、气动层408b和闸门410b。在一些实施方案中，微流体层400b及其部件可以共享与上文参考图4A所讨论的微流体层400a相同的一种或多种特征。在一些实施方案中，微流体层400b与微流体层400a的不同之处可在于，闸门410b可形成为气动膜层406b的一部分或可附接到所述气动膜层，而不是形成为流体路径层404b的一部分或附接到所述流体路径层。因此，气动层408b中的置换室中的压力变化可以使气动膜层406b选择性地上下移动以通过使闸门410b被压靠在流体通道层404中的通道壁上而形成密封来打开阀(如图4B左图所示)，或交替地通过使闸门410b移离流体通道层404中的通道壁来打开阀(如图4B右图所示)。这种类型的阀(可以称为提升式闸阀)可以用于流体路径层304的配置/实施方案中，其中微流体孔并入所述流体路径层中，以允许使用非常薄的基底层302以促进高分辨率成像功能。
因此，通过使气动层408b中的置换室内部的压力(例如气压)增大或减小，可以选择性地打开和关闭图4B中的阀，从而选择性地允许和禁止流体流过流体路径层404b中的通道。
图5描绘了根据一些实施方案的包括气动阀的对应微流体层的两个截面图。图5示出了微流体层500，所述微流体层可以包括流体路径层504、气动膜层506、气动层508和闸门510。在一些实施方案中，微流体层500及其部件可以共享与上文参考图4A所讨论的微流体层400a相同的一种或多种特征。图5左图示出了微流体层500的分解图，而图5右图示出了微流体层500的非分解的部分透明视图。通过使气动层508中的置换室内部的压力(例如气压)增大或减小，图5中的阀可以选择性地打开和关闭以选择性地允许和禁止流体流过流体路径层504中的通道；此原理可以类似地适用于图4A和4B所示的阀。
在图4A、4B和/或5的阀中，如果没有压力施加到偏转室，则阀可默认为关闭位置。这可以允许在不打开阀并允许流体在设备中自由流动的情况下将包括阀之一的设备与气动连接件拆离(例如以转移到设备的另一位置或另一块)。
在一些实施方案中，包括多孔板设备的微流体层202、300、400a、400b、和/或500的微流体层可以根据PDMS芯片的一种或多种已知制造工艺(包括例如已知的复制模制工艺)的全部或部分来制造。
图6A-6V描绘了根据一些实施方案流体流过具有可单独寻址的孔的多孔板设备的微流体层(例如细胞悬浮液)的示意图。在一些实施方案中，图6A-6V可描绘自动化细胞加载方案和芯片漂洗。图6A-6V各自示出了流体在不同的先后时间点流过多孔板设备的状态。在图6A-6V中，示意图示出所描绘的多孔板包括通过微流体通道连接的六个六边形孔；每个孔都有一个入口通道和一个出口通道。通过微流体通道的流动由多个编号的阀控制，所述阀在图6A-6V的示意图中由三角形表示，并且通道从阀1和2附近的两个流体输入端通向阀15附近的单个输出端。图6A-6V中所示的时间先后过程描绘了多孔设备中的每个孔如何可单独寻址以控制流体流向孔中的任何特定期望一个孔。总而言之，图6A-6V可描绘根据一些实施方案的用于自动化细胞接种和随后的培养基灌注以清理有过量细胞悬浮液的通道的过程。
在图6A-6V的每个图中，阀13、14和15可构成微型泵，所述微型泵产生真空力以将流体从阀1和2附近的入口拉动通过一个或多个中间微通道、拉向阀15附近的出口。
在图6A中，可以打开阀2以允许流体从入口流向阀2的右侧，如代表通道的虚线所示。在一些实施方案中，靠近阀2的入口可以被配置为提供细胞悬浮液，而靠近阀1的入口可以被配置为培养基更换流体。在一些实施方案中，两个入口可以被配置为提供任何两种不同流体的流动。在一些实施方案中，可存在多于两个的入口，并且每个入口都可以被配置为提供不同的流体。在一些实施方案中，相同的流体可以由两种或更多种流体提供。
在图6B中，可以打开阀3以选择两个孔的上行(upper row)并且用细胞悬浮液填充最接近阀2的入口与所述上行之间的通道。(如参考图6A-6V所使用的，“上”行是指最接近图示顶部所示的行，其由参考数字的文本方向定向。类似地，“下”行是指最接近图示底部的行。)在一些实施方案中，阀3可以保持打开，直到完成第一行的所有流体操作为止，然后可将此阀关闭，阀4可以打开下一行。
在图6C中，可以打开阀6，以通过允许细胞悬浮液、培养基和/或试剂沿着任何一行或多行的孔上方的通道流动来灌注任何一行或多行。在一些实施方案中，阀6可以打开具有相同编号的每个阀。然而，由于仅第一行被阀3打开，所以流体只能被运输通过上行。在一些实施方案中，以组合选择阀4只能允许流体被运输通过行2，依此类推。
在图6D中，细胞悬浮液可从行1流过阀3的最左侧汇流阀，向下流向阀13。在一些实施方案中，阀3包括可以同时均打开(和/或关闭)的两个汇流阀。应注意，对图6A-6V中的某些阀编号，以指示两个不同的汇流阀对应于相同的阀编号。在这些情况下，两个汇流阀可以被配置为彼此同时打开和/或关闭，例如通过被单个气动动作来致动。在一些实施方案中，将多于一个汇流阀配置为通过单个气动动作(作为单个整体阀的一部分)致动可以节省气动连接的空间，并且例如可以允许经由单个气动输入来选择一行(例如通过使其上游和下游汇流阀同时打开或同时关闭)。
在图6E-6G中，依次打开阀13、14和15，以使细胞悬浮液流过它们、流向阀15附近的出口。如上所述，阀13、14和15可以构成微型泵，所述微型泵在流体通道内产生真空力，以将流体从阀1和2附近的入口拉动通过一个或多个中间微通道、拉向出口15。将在下文关于图7更详细地讨论阀13-15作为微型泵的操作。在一些实施方案中，可能需要微型泵的若干泵冲程以填充通道并确保均等的细胞分配。
在图6H中，在对上行上方的通道进行灌注之后，可以打开阀7以使细胞悬浮液从最上行上方的通道流入与阀7相对应的孔中，并从所述孔流出并流入孔的最上行下方的微通道中，并流向阀3的最左汇流阀，所述阀3自图6B所示的步骤以来可一直保持打开。应注意，在图6H中，孔7的上侧与阀6之间的区域不再以虚线示出。这并非旨在指示所述区域不再充满流体；而是仅旨在突出以虚线新显示的区域，其中流体流是新的。在一些实施方案中，先前以虚线显示的区域可仍完全充满流体。贯穿包括于图6H-6V中的后面几个附图中，采用相同的约定。
在图6I中，细胞悬浮液可以从与阀7相对应的孔流过阀3的最左汇流阀，向下流向阀13。
在图6J-6L中，依次打开阀13、14和15，以使细胞悬浮液、培养基和/或试剂流过它们、流向阀15附近的出口。
在图6M中，在已经用细胞悬浮液、培养基和/或试剂填充了与阀7相对应的孔之后，然后可以打开阀8以开始填充与阀8相关联的孔，以使细胞悬浮液、培养基和/或试剂从最上行上方的通道流入与阀8相对应的孔中，并从孔中流出，并流入孔的最上行下方的微通道中，并流向阀3的最左汇流阀，所述阀3自图6B所示的步骤以来可一直保持打开。在一些实施方案中，可关闭阀7。在一些实施方案中，多孔设备可以被配置为使得在打开新孔以被填充流体和/或细胞悬浮液、培养基和/或试剂之前关闭所有先前的孔。
在图6N中，在最上行的所有孔都被填充之后，中间行的孔可以被填充。如图6N中所示，可以打开阀4以选择孔的中间行，并通过允许细胞悬浮液沿着中间行的孔上方的通道流动来灌注中间行。
在图6O中，在对中间行上方的通道进行灌注之后，可以打开阀9以使细胞悬浮液从中间行上方的通道流入与阀9相对应的孔中，并从所述孔流出并流入孔的中间行下方的微通道中，并流向阀4的最左汇流阀，所述阀4自图6N所示的步骤以来可一直保持打开。
在图6P中，在已经用细胞悬浮液、培养基和/或试剂填充了与阀9相对应的孔之后，然后可以打开阀10以开始填充与阀10相关联的孔，以使细胞悬浮液、培养基和/或试剂从中间行上方的通道流入与阀10相对应的孔中，并从孔中流出，并流入孔的中间行下方的微通道中，并流向阀4的最左汇流阀，所述阀4自图6N所示的步骤以来可一直保持打开。在一些实施方案中，可关闭阀9。
在图6Q中，在中间行的所有孔都被填充之后，下行的孔可以被填充。如图6Q所示，可以打开阀5以选择孔的下行，并通过允许细胞悬浮液、培养基和/或试剂沿着下行的孔上方的通道流动来灌注下行。
在图6R中，在对下行上方的通道进行灌注之后，可以打开阀11以使细胞悬浮液、培养基和/或试剂从下行上方的通道流入与阀11相对应的孔中，并从所述孔流出并流入孔的下行下方的微通道中，并流向阀5的最左汇流阀，所述阀5自图6Q所示的步骤以来可一直保持打开。
在图6S中，在已经用细胞悬浮液填充了与阀11相对应的孔之后，然后可以打开阀12以开始填充与阀12相关联的孔，以使细胞悬浮液、培养基和/或试剂从下行上方的通道流入与阀12相对应的孔中，并从孔中流出，并流入孔的下行下方的微通道中，并流向阀5的最左汇流阀，所述阀5自图6Q所示的步骤以来可一直保持打开。在一些实施方案中，可关闭阀11。
在图6T中，在板中的每个孔(或所有期望的孔)已被寻址从而被细胞悬浮液、培养基和/或试剂填充之后，可以关闭阀2并且可以打开阀1。因此，可以阻断与阀2对应的入口，使得细胞悬浮液、培养基和/或试剂可不再流入微通道，而靠近阀1的入口可以通过打开阀1而流体地连接到微通道，使得流体培养基可从入口1流过微通道。在一些实施方案中，可以选择根据所使用的细胞悬浮液确定的培养基，并且可以使用培养基漂洗微通道。
如图6T-6V所示，漂洗培养基可首先流过最上行的通道，然后流过中间行的通道，然后流过最下行的通道。为了实现此流动过程，可以先打开阀3；然后可以关闭阀3并且可以打开阀4；然后可以关闭阀4并且可以打开阀5。在图6T-6V中，通过使用较细的线显示漂洗培养基通过各个通道的流动。
在上述步骤(其中打开或关闭一个或多个阀)中的每个之后，系统可以被配置为暂停预定义的时间段和/或通过微型泵执行预定义数量的泵冲程。在一些实施方案中，已知不同的行、通道和/或孔需要更长的时间量或更多数量的冲程来填充/灌注/排出/漂洗，因此系统会暂停不同的时间量和/或在上述过程的不同步骤执行不同的预定义数量的泵冲程。在一些实施方案中，可以使用系统的一个或多个传感器来确定是否已发生所期望的灌注、孔填充、排出和/或漂洗；并且这些传感器可以用于触发系统进展到下一步，例如通过打开或关闭下一个阀。
在一些实施方案中，在漂洗行之后，系统会暂停持续由用户输入和/或表征的细胞系粘附曲线定义的预定义时间段(参见下文的图6W)。在预定义的粘附时间的终末之后，系统可以将方案更改为自动化细胞培养，并可以按预定义的间隔灌注孔。
在图6A-6V中所示的布局的一些实施方案中，在孔的行上方的通道的到右侧(例如上游)的通道宽度可以是500μm，而在孔的行上方的通道的起始部的到左侧(例如下游)的通道宽度可以是250μm。在一些实施方案中，在相同的微型泵致动周期下，不同的通道宽度可具有不同的流速。
在一些实施方案中，图6A-6V中所示的布局和通道宽度变化可以允许进入的培养基的流速降低，从而使所述进入的培养基温度稳定，并且从而可以将任何无意引入的空气泡在位于微流体通道的蛇形部分上方的位置处捕获在流体路径层上方的层中的脱气器中。在一些实施方案中，可以将微型脱气器并入流体控制层中。在一些实施方案中，脱气器可以包括网格，所述网格设置在图6A-6V所描绘的布局中所包括的流体路径层上方的气动层中。通过对网格施加真空(例如恒定的真空)，可以从网格下方的蛇形通道中抽出气泡。然后可将加热的且无空气泡的培养基分散到单独的行通道中，然后在此处将培养基引入单独的孔中。在一些实施方案中，可以进一步包括一个或多个其他脱气器(例如次级脱气器)，使得可以在一个或多个单独孔的位置处或在通向一个或多个单独孔的一个或多个入口的位置处抽出气泡。
图6W描绘了随时间推移的多孔系统的各种部件或特征的操作的图形表示。在一些实施方案中，根据图6W操作的多孔系统可以是图6A-6V中示意性描绘的多孔系统。图6W示出了随时间推移的多孔设备的18个部件或特征的时间先后表示。图6W中的18条水平线各自表示在设备操作期间对应部件随时间推移的状态，其中每条线中的阶跃函数变化表示对应部件或特征的状态的事件或发生或变化。18个部件或特征中的每一个的操作均按时间先后同步化来显示。
图6W中的第一条(最顶)线表示多孔设备和/或对接站100和或便携式歧管连接器1200的传感器记录功能的操作。在线的每个尖峰处，系统可以记录、记载、存储和/或传输在那些时间处关于和设备相关联的一个或多个传感器的信息。
图6W中的第二条线表示与孔6相关联的阀的操作；在一些实施方案中，这可以表示如上文关于图6A-6V所讨论的阀12。在显示线处于升高位置的情况下，在那些时间期间，阀可处于打开位置。
图6W中的第三条线表示与孔5相关联的阀的操作；在一些实施方案中，这可以表示如上文关于图6A-6V所讨论的阀11。在显示线处于升高位置的情况下，在那些时间期间，阀可处于打开位置。
图6W中的第四条线表示与孔4相关联的阀的操作；在一些实施方案中，这可以表示如上文关于图6A-6V所讨论的阀10。在显示线处于升高位置的情况下，在那些时间期间，阀可处于打开位置。
图6W中的第五条线表示与孔3相关联的阀的操作；在一些实施方案中，这可以表示如上文关于图6A-6V所讨论的阀9。在显示线处于升高位置的情况下，在那些时间期间，阀可处于打开位置。
图6W中的第六条线表示与孔2相关联的阀的操作；在一些实施方案中，这可以表示如上文关于图6A-6V所讨论的阀8。在显示线处于升高位置的情况下，在那些时间期间，阀可处于打开位置。
图6W中的第七条线表示与孔1相关联的阀的操作；在一些实施方案中，这可以表示如上文关于图6A-6V所讨论的阀7。在显示线处于升高位置的情况下，在那些时间期间，阀可处于打开位置。
图6W中的第八条线表示行冲洗功能的操作。在显示线处于升高位置的情况下，系统在那些时间期间可正在进行行冲洗功能。在一些实施方案中，行冲洗可包括使相应行阀保持打开，同时在该行的孔阀保持关闭。因此，打开冲洗阀可允许漂洗通道并清除先前已在之前引入通道的细胞悬浮液、培养基和/或试剂。在一些实施方案中，在寻址单独孔之前，可漂洗通道，以将新鲜且未污染的培养基递送到孔中。
图6W中的第九条线表示与行3相关联的阀的操作；在一些实施方案中，这可以表示如上文关于图6A-6V所讨论的阀5。在显示线处于升高位置的情况下，在那些时间期间，阀可处于打开位置。
图6W中的第十条线表示与行2相关联的阀的操作；在一些实施方案中，这可以表示如上文关于图6A-6V所讨论的阀4。在显示线处于升高位置的情况下，在那些时间期间，阀可处于打开位置。
图6W中的第11条线表示与行1相关联的阀的操作；在一些实施方案中，这可以表示如上文关于图6A-6V所讨论的阀3。在显示线处于升高位置的情况下，在那些时间期间，阀可处于打开位置。
图6W中的第12条线表示多孔设备的数据记录功能的操作。在线的每个尖峰处，系统可以记录、记载、存储和/或传输在那些时间处关于和设备相关联的信息。
图6W中的第13条线、第14条线和第15条线分别表示右阀、中心阀和左阀的操作，其中三个阀一起形成微型泵，如下文关于图7进一步详细讨论的。在显示每条线处于升高位置的情况下，在那些时间期间对应的阀可以处于打开位置。
图6W中的第16条线表示与入口2相关联的阀的操作；在一些实施方案中，这可以表示如上文关于图6A-6V所讨论的阀2。在显示线处于升高位置的情况下，在那些时间期间，阀可处于打开位置。
图6W中的第17条线表示与入口1相关联的阀的操作；在一些实施方案中，这可以表示如上文关于图6A-6V所讨论的阀1。在显示线处于升高位置的情况下，在那些时间期间，阀可处于打开位置。
图6W中的第18个最底线表示多孔设备的暂停功能。在显示线处于升高位置的情况下，在那些时间期间，阀设备可处于暂停状态。
如图中底部的注释所示，图6W表示细胞加载方案阶段，然后是系统暂停阶段，然后是用于已在第一阶段中接种细胞的单独孔内进行培养基更换的自动化细胞培养阶段。
在一些实施方案中，本文公开的微流体启用式设备和/或系统可以被配置为进行将一种或多种化合物向细胞的自动添加。在一些实施方案中，药物或试剂递送的操作可类似于上文在图6A-6W中解释的用于细胞加载和/或培养基更换的方案。在一些实施方案中，对于药物或试剂递送，可以选择除培养基和/或细胞加载端口之外的适当输入端口。在一些实施方案中，稀释和梯度生成可以通过在具有培养基的通道中通过主动微流体混合进行定向孔寻址和/或稀释来实现。
在一些实施方案中，本文公开的微流体启用式设备和/或系统可以被配置为进行细胞培养基的自动更换。
在一些实施方案中，本文公开的微流体启用式设备和/或系统可以被配置为进行所培养细胞的自动胰蛋白酶消化。在一些实施方案中，例如，添加胰蛋白酶可使多孔设备中的细胞脱离，然后在培养基更换时从设备中洗出细胞。
图7示意性地描绘了根据一些实施方案的使用三阀结构的微型泵操作的六个不同阶段。在一些实施方案中，微型泵包括阀702、704和706，流体在图中从左向右流动，从阀702向阀706流动。在一些实施方案中，阀702、704和706可以分别对应于阀13、14和15，如上文关于图6A-6V所讨论的。在一些实施方案中，阀702、704和706可以共享与本文讨论的任何一个或多个其他阀相同的一些或全部特征。
在图7中，图中从上到下显示了标记为A-F的六个阶段，这些阶段按时间先后从A到F进行。
在阶段A中，阀702打开，阀404关闭，并且阀706打开。
在阶段B中，阀702打开，阀404关闭，并且阀706关闭。
在阶段C中，阀702打开，阀404打开，并且阀706关闭。
在阶段D中，阀702关闭，阀404打开，并且阀706关闭。
在阶段E中，阀702关闭，阀404打开，并且阀706打开。
在阶段F中，阀702关闭，阀404关闭，并且阀706打开。
在一些实施方案中，图7所示的六个按时间先后的阶段可一起构成由阀702、704和706形成的微型阀的单个泵冲程。在一些实施方案中，本文讨论的多孔微流体系统可以包括一个或多个微型泵，所述一个或多个微型泵被配置为自动执行多阀微型泵(例如图7中所示的一个)的一个或多个泵冲程。
在一些实施方案中，微流体中的流体致动可以通过依次放置三个汇流阀并促进循环致动来实现，如在一个实施例中由图7中示出的六个按时间先后的阶段所示。
在一些实施方案中，使用微型泵时三个参数可影响流体流量：(1)汇流阀的几何形状；(2)向气动装置施加压力/真空；和(3)步进时间/致动间隔。
关于汇流阀的几何形状(例如单独阀的尺寸和直径)，较小的阀直径可具有短的致动时间(施加真空所需的时间，以通过/用闸门偏转膜)，而较大的阀可需要较长的致动时间以使膜偏转。
关于向气动装置施加的压力/真空，可以调节真空和压力设置以增加或减小流速，因为气动强度直接控制膜的偏转。
关于步进时间/致动间隔，较高的步进时间可允许较多的时间使膜偏转，从而产生较大的体积置换，而较低的步进时间可以允许较少的时间使膜偏转，从而产生较小的体积置换。此外，致动时间还可以改变通道中的流速模式。由于致动时间的变化可导致流体的流速不同，因此这种效果可以用于通过精确调节流速来控制针对生物样品的剪切应力。较高的流速可以产生较高的剪切应力条件，而较低的流速可以减小剪切应力。控制剪切应力例如对于干细胞和或内皮细胞的分化而言可以是重要的因素。
图8A-8C描绘了根据一些实施方案的不同孔几何形状以及描绘了每种孔几何形状的接种密度的表格。
在图8A-8C中的表中，第一列表示与孔几何形状相对应的编号，所述孔几何形状的形状在图的顶部示出。第二列以平方毫米为单位表示相应孔几何形状的面积。第四列表示相应孔几何形状的接种密度(每孔细胞数)，细胞直径为5μm。第五列表示相应孔几何形状的接种密度(每孔细胞数)，细胞直径为10μm。第六列表示相应孔几何形状的接种密度(每孔细胞数)，细胞直径为15μm。第七列表示相应孔几何形状的接种密度(每孔细胞数)，细胞直径为20μm。第八列表示相应孔几何形状的接种密度(每孔细胞数)，细胞直径为25μm。
如图8A-8C的顶部所示的孔几何形状的不同哈希图(hashing)所示，实验数据指示，在一些实施方案中，孔几何形状1、3、4、6、7、9、10、11、12、13、14、15、18、19、20、和21不太可能经历空气泡的积累；而在一些实施方案中，孔几何形状2、5、8、15、16和17更有可能出现空气泡(或其他一种或多种气体的气泡)。在一些实施方案中，发现其他孔几何形状(未显示)甚至更有可能出现空气泡的积累；在一些实施方案中，在孔自身内部具有内部柱或微图案特征的孔几何形状中可更可能积累空气泡。
在一些实施方案中，可优选的是空气泡不太可能积累的孔几何形状。然而，使用脱气器，尤其是如本文所讨论的特定于孔的微型脱气器，可以充分减轻空气泡的形成，使得易于积累空气泡的孔几何形状可能够耗尽空气泡，并且因此对于各种应用是可接受的。
在一些实施方案中，除了或替代于选择和/或优化孔几何形状以使空气泡最少化，可以选择和/或优化孔几何形状以最小化其中流体流动缓慢或不存在的“死空间”。在一些实施方案中，细长的孔几何形状(例如图8C中的几何形状20)与更圆的几何形状(诸如图8C中的几何形状17)相比，可以更有效地最小化死空间。在一些实施方案中，具有多个侧向分布的入口的孔几何形状(例如图8B中的几何形状15)可以比具有较少入口或仅具有一个入口的孔几何形状更有效地最小化死空间。
图9示出了根据一些实施方案的微型脱气器900的示意图。在一些实施方案中，微型脱气器900可以被包括在本文所述的任何多孔设备的微流体层中，并且可以被配置为从一个或多个微通道和/或从设备的一个或多个孔去除气泡。可以在原则上按照与上文关于图6A-6V讨论的脱气器所述的相同或相似的方式操作微型脱气器900。然而，尽管上文关于图6A-6V讨论的脱气器可以是被配置为对多孔设备的全局流体输入管线进行脱气的“全局”脱气器，但微型脱气器900可以被配置为具有适于与单独孔几何结构一起使用的几何结构。即，微型脱气器900可以被配置为对多孔设备的单个孔进行脱气，而不是对与多孔设备的多个孔相对应的全局输入管线脱气。微型脱气器900的结构部件可以包括点阵/网格结构，其可以与在主要(例如全局)培养基脱气器(例如上文讨论的一种)中使用的点阵/网格结构相同或相似。在一些实施方案中，微型脱气器900可以与通向主要脱气器的真空入口串联连接。气动控制层312的顶部上的其他气动通道可以被按路径引向单独的导通孔，所述单独的导通孔(via hole)连接在对应孔(well)上方的相应单独微型脱气器。在一些实施方案中，微型脱气器可与主要脱气器结构位于同一层；在一些实施方案中，微型脱气器可位于设备的与主要脱气器结构分开的层和/或分开的模块中。特定于孔的微型脱气器(如微型脱气器900)可依赖于位于孔层与流体路径层之间的相同透气膜。由于主要脱气器和微型脱气器可以串联连接，一旦对气动管线施加真空，它就可以排出递送到单独孔室的任何空气泡。
如图9所示，脱气器900可以包括真空输入孔902，所述真空输入孔可以被配置为气动地连接到真空源(如气动控制层或任何外部真空源)。脱气器900可以进一步包括气动通道904，所述气动通道可以是被配置为将输入孔902气动地连接到一个或多个柱906的气动路径结构，所述一个或多个柱可以是被配置为防止透气膜(空气可以在施加的真空力下从孔通过所述透气膜逸出到脱气器中)偏转到脱气器本身中的柱或其他支持元件。
图10A和10B描绘了根据一些实施方案的用于在细胞培养系统中使用的培养基盒1000的两个视图。在一些实施方案中，培养基盒1000可以共享与上文关于图1所讨论的培养基盒108相同的一些或全部特征。
如图10A和10B所示，培养基盒1000可以包括外壳1002，所述外壳可以是任何主体结构，例如被配置为由用户处理并插入到对接站或其他接收设备中的刚性外部壳体。
培养基盒1000可以进一步包括指示器1004，所述指示器可以是被配置为指示盒内部的流体水平的指示器。在一些实施方案中，指示器1004可以是透明窗口，所述透明窗口被配置为提供盒1000内部的流体水平视图，以供用户进行视觉检查。
培养基盒1000可以进一步包括输入注射器橡胶隔膜密封件1006，所述输入注射器橡胶隔膜密封件可以被配置为提供保护通向盒1000的入口的密封。在一些实施方案中，密封件1006可以牢固地关闭盒1000以免受污染物和环境影响。此外，密封件1006可允许用户重复使用盒并对其进行灭菌/高压灭菌。培养基的重新填充可在无菌的组织培养条件下进行，以避免污染。使用注射器，用户可以戳破密封件1006并重新填充培养基。在一些实施方案中，盒1000中包含的HEPA过滤器可以允许压力平衡，因为从盒中拉出培养基可产生负分压，并且在某一时刻可停止微型泵的操作或降低流体运输的效率。
培养基盒1000可以进一步包括输出连接器橡胶隔膜密封件1008，所述输出连接器橡胶隔膜密封件可以被配置为提供保护盒1000的出口的密封件。在一些实施方案中，密封件1008可以按照与密封件1006相同或相似的方式发挥功能。在一些实施方案中，对接站的针头或类似部件可戳破密封件1008，以允许流体从盒1000中运输出来，并进入系统的对接站或其他部件中。
图11描绘了根据一些实施方案的用于在细胞培养系统中使用的气动歧管1100。在一些实施方案中，气动歧管1100可以共享与上文参考图1讨论的气动歧管相同的一种或多种特征，包括所述气动歧管可以被配置为与诸如对接站102之类的对接站一起使用和/或并入所述对接站中。如上所讨论，在一些实施方案中，可以使用气动歧管来选择性地将单个真空/压力源与多孔设备的一个或许多个气动输入管线气动地联接，从而选择性地致动设备的气动控制的元件，例如阀和/或泵。
在一些实施方案中，例如在单个板(例如6孔板)上具有较少孔的那些实施方案中，每个孔可以使用一个电磁阀。但是，在一些实施方案中，每个板一个电磁阀的设计对于具有更多数量的孔(例如96孔或更多)的板不具有成本效益、在空间上不可行或不便于制造。因此，在一些实施方案中，可以使用本文讨论的气动层，以使得大数量孔(例如48孔、96孔或更多)的每个孔能够通过以下方式可单独寻址：允许选择性地将几十个或许多气动输入管线与单个真空和/或压力源连接和断开。在一些实施方案中，气动歧管可以由步进电机驱动。歧管可以将用于96孔板的单独孔寻址的电磁阀的数量从96个(使用一个电磁阀对一个孔的比率)减少到仅一个电磁阀，从而大大降低了成本和制造效率。
如图11所示，气动歧管1100可以包括外壳1102、输出端口1104、活塞导轨1106、端口选择器1108、活塞螺杆1110和输入端口1112。
如所示，外壳1102可以形成用于气动歧管1100的一种或多种其他部件的壳体，并且外壳1102可以包括多个输出端口1104。在一些实施方案中，输出端口1104中的每个可以被配置为气动地联接到多孔设备的气动输入端口，使得可以将真空和/或压力从歧管1100输送到所连接的多孔设备的输入端口中选定的一个。
在外壳1102内部，活塞导轨1106和活塞螺杆1110可以被配置为使得端口选择器1108能够沿着歧管1100的长度侧向移动。通过沿着歧管1100的长度经由活塞导轨1106和活塞螺杆1110侧向移动，端口选择器1108可以选择性地与输出端口1104中的任一个气动地联接和分离。在一些实施方案中，端口选择器1108的位置可以由步进电机驱动。因此，通过与输出端口1104中的一个选择性地气动联接，端口选择器1108可以将所选择的输出端口联接到输入端口1112，从而可以将气动力从连接至输入端口1112的气动源输送通过歧管1100并到达所连接的多孔设备。
在一些实施方案中，气动歧管1100的操作可以由步进电机控制，并且可以由相关联的设备或系统的一个或多个计算机控制系统(例如对接站102的控制系统和/或系统100)进行电子控制。
图12描绘了根据一些实施方案的用于在细胞培养系统中使用的歧管适配器1200。在一些实施方案中，歧管适配器1200可以是便携式设备，和/或可以允许在无需与玻璃基底进行UV/O3粘接的情况下快速、可靠和方便地连接微流体芯片。在一些实施方案中，歧管适配器1200可以允许将多孔设备气动地连接到压力和/或真空的气动源，其方式与上文关于气动歧管1100所讨论的类似。在气动歧管1100可以促进在输入端1112与输出端1104(用于连接到多孔设备)之一之间的选择性气动连接，歧管适配器1200可以促进多个气动输入与多个气动输出(用于连接至多孔设备)之间的气动连接。
如图12所示，歧管适配器1200可以包括基部1202，所述基部可以被配置为接收多孔设备，并且在一些实施方案中可以包括一个或多个加热元件(例如氧化铟锡(ITO)加热元件或其他合适的加热元件)，所述一个或多个加热元件被配置为当将多孔设备插入基部时调节多孔设备的温度。
基部1202可以进一步包括一个或多个电连接端口及基部的连接到适配器1200的机构，所述一个或多个电连接端口被配置为发送和/或接收与监测和控制多孔设备有关的电子信号。例如，基部1202的电连接端口可以被配置为发送和接收与监测和/或调整多孔设备内部环境的一种或多种特征有关的信号，和/或可以被配置为发送和接收与电子控制一个或多个阀有关的信号，所述一个或多个阀控制多孔设备内部的流体流动。
歧管适配器1200可以进一步包括盖子部分1204，所述盖子部分可以被配置为将多孔设备保持在基部1202中的适当位置，例如通过安装在多孔设备顶部上以及由一个或多个夹具和/或螺钉紧固在适当的位置。
歧管适配器1200可以进一步包括气动管线连接器1206，所述气动管线连接器可以被配置为将真空源和/或压力源气动地连接到多孔设备的一个或多个气动管线上。在一些实施方案中，气动管线连接器1206可以被配置为使得用户可以将一个或多个气动源管线连接到连接器1206，使得每条管线可以经由在连接器1206的主体中形成的对应导通孔连接到多孔设备的相应气动管线。在一些实施方案中，连接器1206可通过一个或多个螺钉紧固到盖子部分1204。在一些实施方案中，气动管路连接器1206可以被配置为使得用户可以将连接器1206从盖子部分1204断开，然后插入适配器1200中的多孔设备可处于密封或关闭状况，并且可以例如能够物理地移动或以其他方式被处理，而不会受到内部污染或以其他方式受到损害。
在一些实施方案中，歧管适配器1200可以共享上文参考图1讨论的对接站102的一些或全部特征和功能，包括以电子、气动和/或流体方式连接到插入的多孔设备以使得可以在连接多孔设备时在多孔设备中进行一种或多种细胞培养、测定和/或方案的功能。在一些实施方案中，歧管适配器1200可以具有比对接站102更小的物理形状因子；在一些实施方案中，对接站102可以被配置用于在台式或实验室环境中使用，而歧管适配器1200可以被配置用于供显微镜和/或成像应用使用。(在一些实施方案中，由本文公开的系统进行的一种或多种测定可以包括显微镜测量，例如培养后U2O的活/死染色(参见下文实施例1))。
在一些实施方案中，歧管适配器1200可以包括一个或多个计算元件，所述一个或多个计算元件被配置为与插入歧管适配器1200中的多孔设备进行电子通信。在一些实施方案中，歧管适配器1200可以按照与对接站102相同或相似的方式通过有线电连接而连接到多孔设备。在一些实施方案中，歧管适配器1200可以被配置为与插入歧管适配器1200中的多孔设备的一个或多个传感器和/或传感器层通信。
在一些实施方案中，歧管适配器1200可以包括传感器阵列，所述传感器阵列被配置为附接到多孔设备或以其他方式感测多孔设备的微环境和/或多孔设备周围或歧管适配器1200周围的环境的一种或多种特征。
图13描绘了根据一些实施方案的计算机。计算机1300可以是用于进行活细胞培养、测定和/或方案的微流体启用式系统的部件，所述微流体启用式系统例如为系统100和/或所述系统的在上文关于图1描述的任何子部件。在一些实施方案中，计算机1300被配置为执行用于进行活细胞培养、测定和/或方案的方法，例如本文所述的任何方法。在一些实施方案中，计算机1300可以被配置为控制、监测或以其他方式发送和/或接收电信号至和/或自本文描述的微流体启用式和/或多孔系统和/或设备中的任何一种或多种。在一些实施方案中，计算机1300可以是微处理设备，所述微处理设备被配置为设置在基底、层、或芯片上，所述基底、层、或芯片被包括于本文描述的系统、设备、模块、层和/或部件中的任何一种或多种中或与本文描述的系统、设备、模块、层和/或部件中的任何一种或多种相关联地提供。
计算机1300可以是连接到网络的主机。计算机1300可以是客户端计算机或服务器。如图13所示，计算机1300可以是任何合适类型的基于微处理器的设备，例如个人计算机；工作站；服务器；或手持式计算设备，例如电话或平板电脑。计算机可以包括例如处理器1310、输入设备1320、输出设备1330、储存器1340和通信设备1360中的一种或多种。
输入设备1320可以是提供输入的任何合适设备，例如触摸屏或监测器、键盘、鼠标或语音识别设备。输出设备1330可以是提供输出的任何合适设备，例如触摸屏、监测器、打印机、磁盘驱动器或扬声器。
储存器1340可以是提供储存的任何合适设备，例如电、磁或光学存储器，包括RAM、高速缓存存储器、硬盘驱动器、CD-ROM驱动器、磁带驱动器或移动存储盘。通信设备1360可以包括能够通过诸如网络接口芯片或卡之类的网络来传输和接收信号的任何合适设备。可以按任何适当的方式，例如经由物理总线或无线方式，来连接计算机的部件。储存器1340可以是包括一个或多个程序的非暂时性计算机可读存储介质，所述一个或多个程序当由一个或多个处理器(例如处理器1310)执行时，使一个或多个处理器执行本文描述的方法和/或技术，例如但不限于，用于控制系统和/或设备(包括用于自动进行活细胞培养、测定和其他方案的多孔设备)的任何方法的全部或部分。
可以存储在储存器1340中并由处理器1310执行的软件1350可以包括例如体现本公开文本的功能(例如，如在上文描述的系统、计算机、服务器和/或设备中所体现的那样)的编程。在一些实施方案中，可以在诸如应用程序服务器和数据库服务器之类的服务器的组合上实现并执行软件1350。
还可以在任何计算机可读存储介质中存储和/或运输软件1350，以由指令执行系统、装置或设备(如上文描述的那些)使用或与指令执行系统、装置或设备结合使用所述软件，所述指令执行系统、装置或设备可以读取或执行与来自所述指令执行系统、装置或设备的软件相关联的指令。在本公开文本的上下文中，计算机可读存储介质可以是任何介质(例如储存器1340)，其可以包含或存储供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合使用的编程。
还可以在任何运输介质中传播软件1350，以由指令执行系统、装置或设备(如上文描述的那些)使用或与指令执行系统、装置或设备结合使用所述软件，所述指令执行系统、装置或设备可以读取或执行与来自所述指令执行系统、装置或设备的软件相关联的指令。在本公开文本的上下文中，运输介质可以是可通信、传播或运输编程的任何介质，所述编程用于供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合使用。运输可读介质可以包括但不限于电子、磁性、光学、电磁、或红外的有线或无线传播介质。
计算机1300可以连接到网络，所述网络可以是任何合适类型的互连通信系统。所述网络可以实现任何合适的通信协议，并且可以由任何合适的安全方案保护。所述网络可以包括具有任何适当布置的网络链路，所述网络链路可以实现网络信号的传输和接收，例如为无线网络连接、T1或T3线路、线缆网络、DSL或电话线。
计算机1300可以实现适合在网络上操作的任何操作系统。可以用任何适当的编程语言(例如C、C++、Java或Python)编写软件1350。在各种实施方案中，可以将体现本公开文本功能的应用程序软件部署在不同的配置中，所述不同的配置例如为客户端/服务器布置或通过网络浏览器作为基于网络的应用程序或网络服务。
下文描述的是与本文阐述的系统、方法、技术和设备一致的三个实施例。
实施例1–接种和培养U2OS细胞至少24小时
材料和试剂：
清洁/灭菌溶液：70％乙醇(EtOH)，1M氢氧化钠(NaOH)，1x磷酸盐缓冲盐水(PBS)；
细胞培养试剂：培养基-DMEM/F-12，GlutaMAXTM补充剂(Giboco)+20mM HEPES(4-(2-羟基乙基)-1-哌嗪乙烷磺酸)+1x青霉素链霉素(Pen-Strep)+10％胎牛血清(FBS)，TrypLETMExpress酶(1X)，酚红
细胞制备：
将U2OS TOXORG(P 40.19)细胞接种到标准6孔(35mm)多孔板中，并培养3-5天，然后转移到微流体芯片中。在标准组织培养环境中制备细胞，并在标准6孔板中接种(2.5E5个细胞/mL)后，将2ml细胞培养基添加到包含U2OS细胞的每个孔中。然后将6孔板转移到组织培养箱(5％CO2)中。每48小时更换一次培养基，以确保适当的细胞培养条件和营养供应。视觉检查用于确定细胞汇合度。一旦孔的汇合度达到每孔约75％-80％，则选择U2OS细胞进行微流体细胞培养。然后将6孔板转移到生物安全罩中，对关闭的孔板和任何所使用的设备和部件进行表面灭菌是通过在表面上喷洒70％的EtOH溶液持续至少1min的接触时间来确保的，之后进行进一步处理。
同时，使用水浴将培养基和其他使用的试剂加温到37℃。
解离培养的细胞：
为了使标准6孔板中培养的细胞解离，在真空下使用无菌移液器和废液收集器从孔中吸出培养基。吸出培养基后，将细胞层用3mL无菌1x PBS溶液漂洗，吸出，然后将0.5mLTrypLE添加到孔中保持2分钟30秒。
解离试剂与细胞的准确/最佳接触时间是在经组装的微流体芯片中进行接种后和粘附实验的多次迭代来确定的。解离/接触时间直接影响微流体芯片内细胞的粘附能力；对玻璃基底层的粘附。更长的解离时间导致与微流体芯片的基底层的粘附时间更长，因为用于粘附的更多表面蛋白发生变性并需要重建。
在与TripLE接触2分钟30秒后，将3mL培养基添加到具有解离试剂的每个孔中，以淬灭试剂的作用。通过紧靠手掌剧烈摇动孔板来手动搅动6孔板，以解离孔内的细胞。
然后将解离的细胞-培养基-试剂悬浮液转移到15mL的Falcon管中，转移到台式离心机上，并以1200rpm离心3min。从生物安全柜内的15mL falcon管中洗脱上清液TripLE/培养基溶液，再次将任何进/出转移都与使用70％乙醇溶液对设备进行的表面灭菌相关联。
然后通过使用标准移液器用0.5mL新鲜培养基小心地将管内的溶液搅动来重悬细胞沉淀。之后，将细胞悬浮液转移到1.5mL Eppendorf管中。
现在将细胞悬浮液准备好以接种到微流体芯片上。接种前使用10μL细胞悬浮液以用于细胞计数。接种到微流体芯片中的目标细胞浓度约为1.0–4.0E6个细胞/mL。
微流体芯片制备/清洁：
在将细胞加载到微流体芯片之前，用几种溶剂清洁组装好的芯片，以确保微环境的完全无菌。在清洁方案漂洗并清洁芯片的同时，将集成的氧化铟锡(ITO)加热元件连接到系统的加热端口连接，并且在整个清洁方案中，所述元件将微流体芯片加热至37℃。
为了清洁芯片，在四个15mL falcon管中填充1)70％乙醇，2)1M氢氧化钠(NaOH)，3)1x PBS和4)培养基，以用于之后的自动化细胞培养。
用1.5mm活检穿孔器刺穿每个falcon管盖子以插入管件，以及刺出第二个1.5mm孔，在所述第二个1.5mm孔中插入无菌的、HEPA过滤的200μL移液器吸头。此经过滤的移液器吸头可确保无菌以及压力平衡(由于通过微型泵操作而通过管件抽取培养基)。
为了将试剂从falcon管连接到微流体芯片，将Tygon管件(0.64mm I.D./1.59mmO.D.)连接到微流体芯片的入口和出口二者。然后将出口管件连接到50mL的空falcon管，以收集清洁周期中的废液和试剂。入口1处的管件以及连接到入口2处的管件连接到70％乙醇溶液。(应注意，此实施例方案中使用的编号约定与图6W中所示的相同。)将具有清洁溶液的单独falcon管和废液管放置在标准falcon管架中微流体芯片的附近。
使用图形用户界面(GUI)，使用自动化灌注程序的类似方案启动清洁周期，所述方案随后将被配置用于长期细胞培养实验过程中的自动化培养基更换。
在使用自动化方案之前，使用直接系统控制设置，通过打开主入口1、行阀2和灌注阀以175ms的步进时间和500个泵冲程用乙醇溶液填充连接的管件。这有助于将乙醇溶液填充到管件中，并填充芯片的主要灌注通道。在此步骤之后，使用相同的设置(唯一的区别是入口2代替入口1)用乙醇溶液漂洗入口2和相应管件。一旦完成此过程，将来自入口2的管件转移到1M NaOH溶液中，并重复所述过程。此后，将来自入口2的管件转移到PBS溶液中，并重复所述过程。
在界面上配置的用于使用自动化清洁方案清洁芯片的主要参数是：1)微型泵致动的步进时间；2)每个以下过程的重复次数/冲程数：a)漂洗流体灌注通道和b)灌注/清洁可单独寻址的孔；以及3)在一个操作周期(漂洗每个灌注行和每个单独孔)之间的系统暂停。用于微流体芯片清洁方案的参数是1)175ms步进时间，2)a)每个灌注通道15个泵冲程和b)每个可单独寻址的孔10x8个泵冲程，以及3)每个操作周期之间暂停2分钟。
然后，系统自动开始在灌注通道与可单独寻址的孔之间循环，并用连接至入口1的乙醇溶液漂洗这些芯片隔室。将漂洗出的废液收集在与出口端口连接的50ml falcon管中。
在用乙醇溶液清洁15分钟后，在系统暂停步骤期间，将来自入口1的管件从乙醇falcon管转移到1M NaOH溶液中。现在，系统将继续清洁方案，但取代乙醇的使用，将1MNaOH溶液灌注到芯片和单独芯片隔室中。使用与灌注相同的系统配置，此清洁周期将再继续操作60分钟。在用1M NaOH漂洗系统60分钟后，然后将管件从1M NaOH溶液转移至1x PBS溶液，其方式与在清洁周期之间系统暂停期间第一次从70％乙醇改为1M NaOH的方式相同。
在用1x PBS将微流体芯片再进行灌注60分钟后，然后将入口转移到含有培养基的falcon管中以进行之后的自动化细胞培养实验，其方式与先前从一个falcon管转移到下一个falcon管的方式相同。
使用来自入口端口1的培养基进行的最后清洁周期为30分钟，以确保微流体芯片中的微环境已适应之后的细胞培养条件。
用户可以同时准备用于上述实验的细胞悬浮液。一旦完成最后的清洁步骤-用培养基漂洗微流体芯片，就停止自动化清洁方案。入口1中的已连接培养基将保持与芯片连接。在拆离入口2中的管件之前，将来自此入口的管件也转移到培养基溶液中，并通过入口2以175ms步进时间和150-250泵冲程的灌注进行培养基的最后灌注。此后，将来自入口2的管件拆离，并将具有HEPA过滤器的无菌200μL移液器吸头放在入口端口2中，以避免污染。将连接到出口的废液管移除，并用新的空/无菌50mL falcon管替代。
到现在为止，ITO加热元件还已将芯片的温度调节至37℃(单独细胞系和生物学应用的温度可能会有所不同，并且可以由用户在系统设置中进行调整)。
细胞加载和粘附时间设置：
当系统进行微流体芯片清洁方案时，用户可以如前所讨论的制备用于接种的细胞悬浮液。
现在可以对系统的GUI重新编程，以进行自动化细胞培养实验，所述实验包括将细胞自动接种到可单独寻址的孔中。
此方案所需的主要参数(参数可能因不同的细胞系以及生物学应用和测定而异)是1)微型泵致动的步进时间，2)每个以下过程的重复次数/冲程数：a)漂洗流体灌注通道和b)灌注可单独寻址的孔，3)将细胞接种到可单独寻址的孔中的泵冲程数，4)接种后在孔中的细胞的粘附时间，以及5)在单独孔的灌注间隔之间的系统暂停，确定灌注占空比。一旦设置了这些参数，用户就可以进而添加细胞悬浮液并开始自动化细胞培养方案。
用于培养U2OS TOXORG(P 40.19)细胞的所用设置是1)175ms，2a)15个泵冲程/灌注通道，2b)3x8个泵冲程/可单独寻址的孔，3)用于将细胞悬浮液接种到可单独寻址的孔中的5个泵冲程，4)在已将细胞加载到可单独寻址的孔中之后60分钟粘附时间以及5)在单独灌注周期之间15分钟暂停。
用户现在使用标准的实验室移液器和具有HEPA过滤器的200μL移液器吸头来取100μL制备好的细胞悬浮液。然后，将移液器吸头插入入口2中(在此处它会替代之前放置的空移液器吸头以避免污染微流体芯片)，并从移液器上拆离。移液器吸头内的HEPA过滤器确保细胞悬浮液不暴露于环境污染。
现在，用户可以启动自动化细胞培养和细胞加载配置文件。交互式界面由用户检查插入的参数，并在确认后启动方案。60秒的短暂延迟使细胞悬浮液可以在所附接的移液器吸头内略微沉淀。
系统现在打开入口阀2、行阀1和冲洗阀，并将50+15个泵冲程的细胞悬浮液泵入微流体芯片，以确保将细胞悬浮液插入微流体芯片中。一旦填充灌注通道1后，冲洗阀关闭，并且孔1阀打开，并且总共5个泵冲程(由用户早先定义，如上文在第3点所述)被递送至孔1。此后，孔1阀关闭，且孔2阀打开，并且5个泵冲程被递送至孔2。在填充行1中的孔之后，行1阀关闭，并且行阀2和冲洗阀打开。现在，用15个泵冲程灌注行2中的灌注通道，之后冲洗阀关闭，并且孔3阀打开，并且5个泵冲程被递送至孔3。
此后，孔3阀关闭，且孔4阀打开，并且5个泵冲程被递送至孔4。在填充行2中的孔之后，行2阀关闭，并且行阀3和冲洗阀打开。现在，用15个泵冲程灌注行3中的灌注通道，之后冲洗阀关闭，并且孔5阀打开，并且5个泵冲程被递送至孔5。
此后，孔5阀关闭，且孔6阀打开，并且5个泵冲程被递送至孔6。
现在，芯片中的每个孔中已填充来自入口2的5个泵冲程的细胞悬浮液。之后立即关闭入口2。
系统现在打开入口阀1、行阀1和冲洗阀，并将来自入口1的75个泵冲程的所连接培养基泵入微流体芯片中，以将仍在行1中的灌注通道内的任何剩余细胞悬浮液从微流体系统中漂洗出并进入废液中。
在漂洗行1中的灌注通道后，行1阀关闭，并且行阀2打开(冲洗阀仍打开)。现在，在行2中的灌注通道中灌注了75个泵冲程。
在漂洗行2中的灌注通道后，行2阀关闭，并且行阀3打开(冲洗阀仍打开)。现在，在行3中的灌注通道中灌注了75个泵冲程。
在清洁灌注通道期间，所有孔阀保持关闭。在行中的灌注通道的这个清洁周期之后，系统再一次重复相同的灌注通道清洁过程。
一旦完成清洁灌注通道的第二周期的清洁，系统将启动方案的细胞粘附暂停60分钟(由用户早先在第4点中指定)，并关闭入口阀1、行阀3和冲洗阀。在这段时间内，细胞将开始在孔中沉淀，并粘附在基底上并开始附着。
现在，用户可以用带有HEPA过滤器的无菌移液器吸头替代入口2中移液器吸头内的剩余细胞悬浮液，并将剩余的细胞悬浮液处置或重新接种在组织培养的标准孔板上，并在标准培养箱条件下作为对照实验运行。
在预定的细胞粘附时间后，系统重新打开入口阀1、行阀1和冲洗阀，并更换行1中灌注通道中的培养基。因此，系统使用在2a)中由用户指定的泵冲程/灌注通道，并通过15个泵冲程来更换灌注通道中的培养基。
一旦填充灌注通道1后，冲洗阀关闭，并且孔1阀打开，并且总共3x8个泵冲程(由用户早先定义，如上文在第2b点所述)被递送至孔1。此后，孔1阀关闭，且孔2阀打开，并且3x8个泵冲程被递送至孔2。在填充行1中的孔之后，行1阀关闭，并且行阀2和冲洗阀打开。现在，用15个泵冲程灌注行2中的灌注通道，之后冲洗阀关闭，并且孔3阀打开，并且3x8个泵冲程被递送至孔3。
此后，孔3阀关闭，且孔4阀打开，并且3x8个泵冲程被递送至孔4。在填充行2中的孔之后，行2阀关闭，并且行阀3和冲洗阀打开。现在，用15个泵冲程灌注行3中的灌注通道，之后冲洗阀关闭，并且孔5阀打开，并且3x8个泵冲程被递送至孔5。此后，孔5阀关闭，且孔6阀打开，并且3x8个泵冲程被递送至孔6。一旦孔6已被新鲜培养基更换，下一个系统暂停则开始15分钟(先前由用户在第5点中定义)。这样就完成了将培养基灌注到单独孔以进行自动化细胞培养方案的一般操作程序。
使用便携式歧管连接器，用户可以将微流体芯片定位在标准倒置显微镜或自动化板读取仪系统中，并将组装好的设置放置在标准倒置显微镜或自动化板读取仪系统上。这种配置允许在细胞加载以及之后的孔的自动化细胞培养期间进行视觉检查。此外，它允许延时记录可单独寻址的孔中的微流体自动化细胞培养。使用这样的系统配置，我们能够在至少72小时的时间段内记录孔内细胞粘附和增殖的图像。
实施例2-在多孔设备中U2OS的长期细胞培养
图14描绘了根据一些实施方案的在多孔设备中的长期细胞培养。将细胞接种到微流体芯片中，并在接种后第二天在孔1和2中达到汇合。接种后第二天，在成像后使用TrypLE对孔1和2进行传代。每15分钟进行培养基交换，每孔3x8个泵冲程，以维持培养。
在一些实施方案中，图14中描绘的细胞培养可以与上文实施例1中所阐述的方案的全部或部分一致。
实施例3-微流体芯片中U2OS的细胞粘附
图15描绘了根据一些实施方案的在微流体芯片中的细胞粘附。图15描绘了U2OSTOXORG(P 40.19)在微流体芯片中的细胞粘附，粘附时间为一小时，灌注间隔为15分钟。0分钟图像显示在完成接种后在孔中所添加的细胞。
下文中段落[0310]-[0512]包含与本文讨论的系统、设备、方法和技术有关的一些实施方案的进一步讨论。
1I期工作成果
在我们成功的I期工作期间，我们为创新的微流体启用式“智能板”开发了原型规格，以精密培养、控制和监测96孔板形式中的活细胞。我们的技术目标包括：(1)开发多用途智能板的初始概念设计；(2)鉴定用于智能板制造的合适材料；(3)组装、测试和优化传感器模块；(4)组装、测试和优化聚二甲基硅氧烷(PDMS)2x3(6孔)原型微流体阵列模块；(5)测试自动控制下的微流体模块；(6)使用2x3原型微流体阵列展示自动化定时化合物添加和洗涤；(7)完成96孔原型规格和制造标准。我们的I期项目的研究活动和结果总结如下，并在我们的I期最终报告中详细呈现。
智能板的初始概念设计包括定位于传感器和电子模块下方的微流体细胞培养层，所述微流体细胞培养层的占位大小和孔定位符合ANSI/SLAS标准96孔板规格。我们在将我们的初始概念设计在其用于各种高通量筛选和研究仪器(包括板读取仪、显微镜、机器人处理设备和板仓室)的适用性的背景下，审查了我们的初始概念设计。这个运用使我们能够将ANSI/SLAS板占位大小和孔定位标准鉴定为对于我们板几何形状而言所要符合的最关键的参数，以确保与尽可能广泛的设备兼容。我们评估了一组微流体兼容材料是否可包含在我们的原型制造规格中，并出于此目的对环烯烃共聚物(COC)优先考虑，因为它具有生物惰性、光学透明性并适合用于广泛的生物学应用和测定形式，例如典型的板读取仪发光和基于荧光的读数，包括高分辨率高通量活细胞显微镜测定(例如Cairn Biosciences正在开发的那些)。
我们通过以下方式来开发微流体模块层的规格：迭代和测试几种2x3(6孔)聚二甲基硅氧烷(PDMS)微流体阵列设计，首先使用快速原型制作，然后使用通过软光刻(softlithography)制造的具有详细孔几何形状的阵列，并使用流体动力学建模进一步优化所述规格。总的来说，实验芯片测试和流体动力学模拟使我们能够优化精密活细胞测定和培养所需的特征，所述特征包括均匀孔灌注；精密控制泵体积和流体流量；和在没有试剂串扰的情况下独立的孔寻址。
我们的概念验证传感器模块可控制和监测微流体层，并包括4种操作传感器(温度、湿度、％CO2和流速)。我们证明了使用内载电池为这些传感器供电和运行以及使用内载WiFi模块播送来自这些传感器的数据的能力，从而在板读取仪或其他仪器中使用传感器模块时可以实现传感器模块的全部功能。我们在试验板配置中测试了单独传感器的性能，然后设计、制造、安装并测试了将子组件集成到板上的PCB，其尺寸在标准多孔板的占位大小内。
我们确认了我们的6孔智能板适用于自动化多天无菌细胞培养，伴随通过我们的设备控制的闭环温度监测和控制以及培养基更换。我们在工作台上的设备中(即在培养箱外部)将U2OS细胞培养3天，并通过显微镜定期监测细胞健康状况。由于培养基蒸发问题，PDMS的渗透性最终限制了培养的最大持续时间。
来自微流体模块和传感器模块以及相关控制电子器件的开发和测试的综合结果用于为96孔原型智能板开发了更新的详细规格，所述详细规格将作为我们2期工作中此设备的开发、测试和制造的基础。
我们的项目建立了令人信服的概念验证，证明了开发集成的智能板设备以用于96孔形式自动化细胞培养的可行性，所述集成的智能板设备可与各种高通量板读取仪和机器人仪器兼容。我们设备的分层设计允许通过将传感器模块联接到与高压灭菌兼容的半可重复使用性微流体模块和一次性细胞基底层来重复使用传感器，所述一次性细胞基底层可根据应用需要使用各种不同的材料和几何形状进行配置。此外，在我们的1期项目历程中进行的工作以及发现的瓶颈和挑战，使我们能够找到机会简化96孔设备的开发和测试，并开发创新的新智能板功能(我们将在2期中实施)，例如通过在96孔阵列中的阻抗测量进行的汇合度监测以及逐孔pH感测。因此，我们成功的1期项目已为我们奠定了坚实的基础，使得能完全建立和优化稳健的创新的微流体启用式智能板，以在96孔形式中精密培养、控制和监测活细胞。我们相信，我们的最终设备将提供重要的培养和测定活细胞的新一代功能。
2详细途径和方法
2.1技术目标概述
本文所述的技术目标可以是围绕以下的总体项目而组成：为我们的设备交付创新的96孔智能板原型、相关联的测定应用方案以及稳健的产品制造技术。智能板被设计为在集成设备中实现基于板的微环境参数感测和自动化微流体启用式培养基更换及灌注功能，所述智能板的占位大小和孔定位符合ANSI/SLAS微板标准。
我们的项目建立在我们成功的I期工作的基础上，在I期工作中，我们开发并测试了概念验证2x3(6孔)微流体阵列以及相关联的传感器模块和控制电子器件。我们并行进行的所得的96孔原型规格和市场研究可以为全面系统要求和概念设计文档的汇编提供信息，这将构成我们项目的初始基础。在一些实施方案中，此II期项目的执行可以实现以下5个主要产品开发基准：
(1)生产和全面测试96孔原型智能板
(2)开发特定于设备的应用方案
(3)完成中试产品制造运行
(4)现场测试我们的原型设备和应用方案
(5)交付稳健的产品制造技术
在一些实施方案中，本文描述的方案可导致设备能立即进展到产品制造和商业化阶段。可以针对广泛的基于细胞的模型开发和基于细胞的测定应用，快速开发和商业化其他智能板产品的目录，并且此项目的执行将为我们的成功奠定格外坚实的基础。
下文描述的技术目标(TO)可以按照作为本文所述方案一部分的方法和/或技术来进行：
技术目标1：开发初始96孔智能板原型概念和要求
TO1是交付详细的系统要求和原型概念文档。我们将对我们的概念验证2x3阵列进行另外的活细胞测定测试以补充在1期中获取的数据，并使用结果以便为我们的要求和概念文档的内容提供信息。此外，我们将审查OEM传感器和其他现成的部件，以确保我们考虑到任何最近发布或更新的部件，这可有助于解决我们鉴定的要求。我们还将审查市场研究，并从Cairn的细胞生物学家那里收集其他详细的用户意见，以便为我们的文档准备提供信息。
技术目标2：鉴定、测试和验证智能板应用
此技术目标的主要重点在于鉴定特定于应用的系统要求和评价实现一系列基于细胞的测定应用所需的关键板功能。我们将鉴定潜在的传感器和微流体技术挑战，并实施克服这些挑战的方法。我们将考虑的初始智能板应用包括高通量转染、高含量筛选测定、诱导多能干细胞(iPSC)分化方案、以及用于长期细胞培养实验的自动化细胞分割，并且我们旨在在此技术目标的历程中确定多至3种应用的优先级以用于开发。
技术目标3：指定、构建和测试所有智能板原型子系统
在执行此技术目标期间，我们将构建和测试满足系统要求和在1期和TO1中收集的用户反馈所需的原型智能板子系统(主要是微流体模块和传感器模块以及微控制器，以及还有诸如歧管和储器之类的外围配件)。我们将表征和限定部件和子系统，以确保它们使我们的系统能够符合TO1中开发的系统要求和概念。此外，我们将设计、制造和测试我们的原型开发所需的定制部件。对所有子系统和部件进行严格的测试将使我们能够确认它们满足性能要求，并鉴定和减轻任何子系统风险。所得数据将用于为我们的最终96孔智能板原型的设计提供信息。
技术目标4：智能板原型系统集成
在技术目标4中，我们将使用具有独特风险/收益特征的不同方法和/或技术为每个子系统构建多至4个变体。我们将集成各种子系统，并对它们进行严格的测试，以揭示对应整体系统架构和子系统特征的优点和缺点，从而提供进一步的数据以便为我们的最终96孔智能板原型设计提供信息并去风险。
技术目标5：智能板原型制造和测试
为了达到此技术目标，我们将进一步选择在TO4中测试的子系统变体，以构建两个完全集成的原型，我们将用TO4中建立的方案对所述两个完全集成的原型进行测试。这些测试的结果以及我们在组成型子系统方面的集体经验，将使我们能够确立将要生产和测试的最佳单个最终原型设计。最后，此设计将经历可制造性设计(DFM)阶段，其中将完成设计包，以准备进行中试制造运行。
技术目标6：智能板产品制造中试
在此技术目标中，我们将与合同制造商合作以执行制造中试运行，以生产至少25个原型96孔智能板。在TO5中生产的设计包将用作此过程的输入，并且将与合同制造商合作执行所述中试。将产品从制造商运送到现场测试地点，为技术目标7做准备。
技术目标7：智能板产品的现场测试
在TO6制造中试生产单元的同时，我们将开发SOP和标准现场测试方案，以在常规实验室环境中和潜在客户的手中测试智能板系统的全部功能。我们将确定多至10个单独的现场测试地点。将分析从这些现场测试收集的数据，并对系统及其子部件的整体性能进行评价。这将使我们能够基于反馈进一步细化和优化设备，以确保我们拥有满足客户要求的稳定可靠的细胞培养分析系统设计。
技术目标8：交付详细的制造规格
我们将吸取在制造中试历程中取得的经验教训，并解决在现场测试历程中发现的问题，以产生最终的原型设计、特定于应用的方案和制造规格/技术。同时，我们将编写2期的最终报告。
2.2详细工作计划
下文呈现了每个技术目标的详细原理和方法以及相关任务。技术目标1：开发初始96孔智能板原型概念和要求
在1期工作的历程中，我们开发了96孔智能板原型概念，并交付了相关的详细设计文件和初步制造估算(参见I期技术报告)。我们的设计是基于对2x3孔原型及其子部件和相关联的基于PCB的传感器模块的密集迭代、测试和表征。本技术目标是将这些设计和概念进一步开发为详细的要求和概念文档，以便为下游技术目标提供信息。我们将在我们的2x3概念验证微流体设备中进行活细胞测定方案的其他测试和开发，以便为设备要求和概念的开发提供信息。此外，我们将审查新发布的小型化传感器和部件是否适合并入我们的设备。
我们还将基于对2x3概念验证阵列的测试，细化特定特征和部件的设计，以减轻在I期中鉴定的风险。例如，我们(1)测试芯片外脱气器的性能；(2)确保在高分辨率成像或其他灵敏应用的背景下，微流体泵操作引起的任何振动均不会对设备性能造成负面影响；(3)细化和测试我们的歧管设计，以确保其完全兼容用于板读取仪或显微镜室中；(4)进一步开发模块化喷墨式培养基储器的概念(3)进一步开发我们的对接站的概念，以确保其满足预期的用户要求。
在I期中开发的原型概念将使得技术目标1能够快速启动和进展，并且为在项目的前12个月内开发完整的96孔原型规格奠定了坚实的基础。
任务
任务1.1概念验证2x3阵列中的细胞实验
如本文详述，我们在I期项目的历程中完成了微流体模块的详细表征，包括泵送速率和体积、交叉污染、定时添加培养基和洗涤，并启动了实验以表征在活细胞培养实验的背景下这些相同参数。由于时间所限，我们无法完成这些实验，因此我们将在2期项目开始时完成更深入的细胞培养实验分析，以提供另外的关于流体处理和脱气器定位、孔优化和孔灌注以及细胞加载和系统密封的实践见解。我们旨在建立一种可靠的方案，以使用至少3个具有不同特征的细胞系成功进行至少2周持续时间的无菌细胞培养。我们测试了具有不同粘附特征和倍增时间的两种人永生化细胞系和一种iPSC系，如下：
子任务1.1.1测试多西环素稀释系列到2x3阵列的活报告细胞的递送。
监测对稀释系列的荧光响应的扩展。与手动对标准96孔板的6孔中铺板的细胞进行的实验进行比较。
子任务1.1.2测试单个多西环素浓度到包含2x3阵列的活报告细胞的单独孔的定 时递送
监测相对于化合物递送时间安排而言的荧光信号感应时间安排。与手动对标准96孔板的6孔中铺板的细胞进行的实验进行比较。
子任务1.1.3测试单个多西环素浓度到包含2x3阵列的活报告细胞的单独孔的定 时洗出
监测相对于化合物洗出时间安排而言的荧光信号降低时间安排。与手动对标准96孔板的6孔中铺板的细胞进行的实验进行比较。
任务1.2初始产品系统要求
我们将针对我们的96孔原型智能板系统细化预期的使用情况和相关要求。我们将评价我们的I期数据、来自任务1.1的活细胞数据以及我们的市场研究数据以详细说明我们的智能板、相关外围设备和控制系统的设备和仪器要求。我们将优先考虑解决利益相关者要求和痛点的要求；即我们的最终产品需要为用户做什么。收集的要求将确定以下项：
·传感器模块测量和控制要求：例如，什么是要监测和控制的最高优先级参数，以及达到什么样的准确度？
·流体运输要求：例如，进/出孔需要什么样的流体转移频率和体积
·细胞基底要求：材料，表面光洁度，涂层和其他相关特征
·流体储器要求：多少个可重复使用与一次性等的储器，体积
·基/对接站要求：整个系统外壳、用户界面和其运行环境的所需特征(此处要确定的关键参数是系统应位于组织培养箱的内部还是外部)。
·控制器要求：数据处理/存储/传输和系统控制
·软件/GUI要求：数据表示和用户界面
完成此任务后，我们将进行设计审查，在所述设计审查中，我们将对最终要求清单上达成共识的所有要求的有效性和可及性进行审查，以用于执行下游技术目标。
任务1.3初始产品概念设计
在任务1.3中，我们将对I期中提出的初步原型系统进行评价和迭代，并开发出更详细的一种或多种概念设计，以满足任务1.2中更新的要求清单。在系统部件和子系统的概念设计中，我们还将整合在市场研究中收集的征求到的用户反馈以及从2x3系统处理中收集的初步经验。此任务还包括调查可用于满足任务1.2中定义的产品要求的所有可用技术，并评估如何将这些技术最佳地集成到子系统中。然后，我们将为可行的概念定义详细的系统架构和框图，所述可行的概念包括但不限于：
·PCB/传感器概念 ·储器概念
·微流体概念 ·基/对接站概念
·细胞基底概念 ·控制器概念
·歧管/连接器概念 ·软件/GUI概念
最后，将进行设计审查，其中将评价所有概念是否符合顶级要求和派生要求。
在完成此任务之后，我们将进行设计审查，其中我们将审查所有开发的概念，以确保它们符合任务1.2的历程中定义的要求，并对要用于执行下游技术目标的最终概念文件达成一致。
任务1.4指定OEM部件并鉴定定制部件需求
我们将组装OEM部件列表，并鉴定构建满足任务1.2中定义的产品要求的在任务1.3中定义的一种或多种产品概念的一种或多种原型所需的定制部件，并完整记录这些部件的规格。为了达到这些规格，将根据需要采用广泛的工程模型(热应力和机械应力FEA、CFD等)。我们将通过对照要求审查这些部件规格以确保合规性来完成此任务。
替代途径
我们认为与TO1相关的风险是细胞培养数据收集或者概念和要求定义所花费的时间可能比预期的长。我们通过分配一名副工程师和一名应用科学家执行来慷慨地支持细胞培养活动。如果需要，可以通过Cairn Biosciences公司的细胞生物学专家的参与来进一步加快这些任务。我们领会到概念和要求定义可能成为一项非常开放性的任务。
技术目标2：鉴定、测试和验证智能板应用
本技术目标是鉴定多至3个智能板应用，以便在以后的现场测试历程中进行进一步的开发和评价。我们将考虑的初始智能板应用包括高通量转染、高含量筛选测定、诱导多能干细胞(iPSC)分化方案、以及用于长期细胞培养实验的自动化细胞分割。在确定多至3个应用的优先级之后，我们将鉴定特定于应用的系统要求，并评价实现一系列基于细胞的测定应用所需的关键板功能。我们将鉴定潜在的传感器微流体技术挑战，并且测试使用我们的2x3 6孔概念验证设备克服这些挑战的方法并开发初步应用方案。
任务2.1鉴定智能板应用和确定智能板应用的优先级
我们将为智能板原型定义并鉴定与我们预期设计兼容的潜在应用(基于TO1中开发的概念和要求)。我们进行的市场研究表明，智能板在以下应用中有很高的需求，所述应用包括：(1)iPSc分化，(2)高含量/基于显微镜的测定，(3)大规模优化细胞转染和(4)用于长期培养和测定的自动化细胞培养维持。我们将密切评价这些应用，并审查更近的市场文献，以鉴定之前未鉴定的任何其他优先领域。
在确立了多至3个潜在应用的简短清单后，我们将评价执行它们所需的仪器、传感器、电子器件和微流体要求，并优先考虑在使用我们的设备实施的可行性与高市场需求上取得平衡的应用。
任务2.2在智能板原型上的应用测试
为了验证可行性和实验程序，我们将在我们的2x3概念验证阵列中测试从任务2.1中选择的应用，并实施必要的概念验证子系统以执行这些测试。我们将编写初始应用标准操作程序(SOP)，然后在TO7中开发现场测试方案的历程中对其进行进一步细化。
替代途径：
我们认为与此TO相关联的主要潜在缺陷是细胞培养测试花费的时间可能比预期的长。因此，我们将确保我们优先考虑至少一个涉及高度增殖细胞系的应用，以确保我们可以快速测试和迭代我们的方案。减轻此风险的第二种方式是取消对涉及高度敏感和/或增殖缓慢的细胞(例如iPSC)的应用的优先考虑，此类细胞会使应用更加耗时且难以建立。但是，鉴于稳健的iPSC培养相关应用具有巨大的商业潜力，我们仅会将取消对这些应用的优先考虑作为最后的手段。
技术目标3：指定、构建和测试所有智能板原型子系统
此技术目标将与TO1.2-1.4中开始的概念和计划阶段并行进行，并允许我们在迭代最终规格的同时测试初步部件。基于1期开发的初步设计规格，我们已经可以使用先前制造的现有仪器和设备来生产首个96孔微流体子部件并评价它。此外，也可以制造传感器板(sensor-board)并单独测试。本部分的主要目的是表征和限定符合主要系统要求的部件和子系统。对所有子系统和部件进行严格的测试将使我们能够确认它们满足性能要求，并鉴定和减轻任何子系统风险。所得数据将用于为我们的最终96孔智能板原型的设计提供信息。
任务3.1设计定制部件
由于系统的大多数部件都是基于OEM和现成的部件，因此大多数部件都可以容易购买到，但是有一些零件需要定制制造。在我们的I期工作中，微流体和传感器模块将由供应商制造以用于这些目的。定制部件(例如单独寻址孔的气动歧管)将需要定制制造。在此早期阶段，仅设计我们已针对其明确开发了所定义的要求和概念的部件。
任务3.2编写初始规格以满足系统要求并征求用户反馈
基于在任务3.1中开发的系统的定制设计的子部件，我们将为每个子部件交付详细的规格数据表以及其性能估计和局限性。系统的所有定制子部件都将包含这些规格：
·PCB/传感器规格
·微流体规格
·细胞基底规格
·歧管/连接器规格
·储器规格
·基/对接站规格
·控制器规格
·软件/GUI规格
任务3.3测试OEM部件；构建和测试定制部件
一旦已对规格和设计进行了优化并符合所需的标准，就将订购、组装和测试用于单独系统子部件的OEM和现成零件。子系统和部件将被原型化并进行迭代优化，直到符合在任务3.1和3.2中开发出的性能和规格标准为止。这项开发工作可能会包括给定系统部件或子系统的多个候选变体，以进行并行开发和之后的进一步选择。
任务3.4子系统构建和测试
为了交付可靠的96孔智能板原型并测试其整体功能和能力，我们将按以下顺序确定最关键部件的制造的优先级：
·微流体96孔模块
·传感器板(sensor-board)，其包括温度控制和环境传感器
·气动歧管控制器
·对接站以及初步培养基和化合物储器
以这种方式对系统的子部件进行优先级确定将使我们能够展示功能、概念上的工作方案，并满足TO1中指定的要求。我们将子系统集成在一起，测试其性能，并收集来自Cairn细胞生物学家的用户反馈。我们将迭代我们的GUI和控制器的设计，以提高用户与系统交互的便利性。我们将确定以下列出的子系统部件的构建和测试的优先级(首先是最高优先级的项目)：
1.使用基本控制器构建、表征和测试PCB、微流体、细胞基底和歧管的单独子部件
允许展示智能板功能、概念、要求
2.添加储器、升级的控制器和基本GUI
允许在仪器中使用，非专家用户通过基本界面使用
3.添加基本对接站和升级的GUI
允许在使用普通仪器之间进行再充电、长期培养
4.添加升级的对接站
完全集成系统功能
替代途径
时间限制是与此技术目标相关联的最重大缺陷。因此，我们将积极地确定优先级，以确保我们交付子系统集合，所述子系统集合使我们能够在可用时间内展示和验证智能板功能和能力的最大可能范围。
技术目标4：智能板原型系统集成
TO1和TO3的结果将产生各种不同的设计和子部件选项。在技术目标4中，我们将进一步选择以优先考虑2个系统设计，这两个系统设计在功能、商业潜力和可制造性上取得最佳平衡。并行开发和严格测试/表征这些系统将揭示对应的整体系统架构和子系统特征的优点和缺点，从而为稳健的最终系统设计提供输入。
任务4.1原型系统设计x2
使用先前TO中生成的概念、要求和子系统测试数据，我们将为原型制造开发至少两个原型系统设计。此任务将以设计审查来结束。
任务4.2机械布局x2
我们将为任务4.1中开发的每个原型系统设计完成机械布局。布局将定义子系统及其接口的物理关系。在此阶段结合针对人为因素(人体工程学、安全性、耐用性)的设计。此任务将以设计审查来结束。
任务4.3详细机械设计
使用任务4.2中完成的机械布局，我们完成了足以构建原型的详细机械设计和机电一体化设计。此任务将以设计审查来结束。
任务4.4电气设计x2
使用任务4.1中生成的系统设计，我们将完成原理图级的电气设计和试验板测试，然后进行完全集成的PCB和线缆组件设计。此任务将以设计审查来结束。
替代途径
TO3中已完全解决了部件和子系统的风险，因此，此时的风险低。如果所需的部件与现有的测试物品有所不同，则潜在的风险主要与专用部件的供应商的交付周期有关。我们将优先考虑及早购买，并为显现可能需要较长交付周期的任何部件确定替代供应商，以减轻这种风险。
技术目标5：智能板原型制造和测试
此技术目标始于在TO4结束时交付的两个原型设计，并得出单个经测试的可制造设计。将构建两个原型设计，然后使用在TO4中建立的方案进行测试。然后，将对系统进行少量外部用户的阿尔法测试，以鉴定问题并征求用户反馈。我们打算邀请设备的潜在NCATS用户参加此测试。有了这些测试的结果以及我们在系统上的集体经验，我们然后将进一步选择到单个原型设计。最后，此设计将经历可制造性设计(DFM)阶段，其中将完成设计包，以准备进行中试制造运行。
任务5.1制造前2种原型设计
使用在TO4中生产的设计包，将制造少量个(每种最多10个)至少两种原型设计变体。
任务5.2重复在原型系统上的测试方案
使用项目早期开发的测试方案，对原型进行验证测试，以确认是否符合要求并发现优点和缺点。
任务5.3阿尔法测试(用户)
以高度受控的方式，将很少量的所有原型变体提交给选定的用户，以便根据预定义方案进行评价，从而征求反馈并验证设计。
任务5.4进一步选择
在分析了阿尔法测试和其他并行内部测试的结果之后，选择最终的系统设计(或基于候选系统中子系统的组合来定义最终的系统)。
任务5.5用于制造的最终产品设计
改编系统设计以适应所选的部件生产制造方法，并将所选的子系统集成到最终的可制造设计中。
替代途径
系统设计的某些方面虽然可以作为部件或子系统很好地工作，但从大小、成本与性能、易于制造等观点来看，可能无法与系统的其余部分很好地集成。这种多管齐下的原型开发途径(其中我们构建了多个变体)通过沿开发路径往下进一步汇集多个互补的想法来减轻这种风险，保留了我们取代替代性部件来解决在原型构建和测试历程中鉴定的这类问题的能力。技术目标6：智能板产品制造中试
此技术目标需要与合同制造商合作，以尽可能接近最终产品的方式从TO5生产最终设计包。使用最终设计包作为输入，可以产生相应的制造方法/技术/规格。然后，这可以由合同制造商执行，并且可以将产品存仓并运送到测试地点。
任务
任务6.1开发智能板产品制造技术
定义用于制造智能板系统的完整技术，包括设施、供应链管理、合同制造商、产品存仓、订单履行等。
任务6.2执行智能板制造中试
只要有可能，仅使用最终意向的生产方法即可生产多至100个智能板系统。
任务6.3将产品直接运送到现场测试地点
使用存仓和订单履行方法，将生产意向单元交付到测试地点进行评价。
替代途径
在制造中试时，设计已经被原型化，在整个过程中都已考虑了高度强调的可制造性。因此，将设计从原型过程转到全速率制造过程的风险将最小化。如果在执行这些任务时存在显著的明显风险，则可以同时采取多种途径来制造可用零件。设备组装中的主要风险与智能板微流体及其相关部件的粘结相关联。制造成本是一种另外的风险，因为我们已经根据目前预期的要求和范围立基于中试制造运行的估算成本。与此背离的重大偏差可能会导致制造成本增加，在这种情况下，我们将制造更少的单位以补偿。同样，如果我们能够找到机会简化设计和我们的设计的制造过程，那么我们的偏差可能会降低制造成本。
技术目标7：智能板产品的现场测试
在TO6制造中试生产单元的同时，我们将开发SOP和标准现场测试方案，以在常规实验室环境中和潜在客户的手中测试智能板系统的全部功能。如果需要，我们将鉴定多至10个单独的现场测试地点，以包括NCATS的用户实验室。将分析从这些现场测试收集的数据，并对系统及其子部件的整体性能进行评价。这将使我们能够基于反馈进一步细化和优化设备，以确保我们拥有满足客户要求的稳定可靠的细胞培养分析系统设计。通过这种方式，我们将设备原型与TO2中开发的应用方案结合，以便在用户手中进行测试，使得我们可以提供智能板产品，所述智能板产品已针对重要使用情况对实用性进行了验证并在设备的典型用户手中展示了可用性。
任务7.1定义现场测试方案
在制造过程期间，我们将基于TO2中开发的应用SOP和项目中较早建立的测试方案，为总体系统处理建立主要的SOP方案和用户手册。
任务7.2进行现场测试
选定的用户将使用系统工作并测试各种测定法和方案。此外，设备的功能和处理将由各种不同的熟练用户测试。还可以测试智能板在可商购的实验室仪器和常规实验室环境中的使用。Cairn技术人员将密切监测现场测试，并可以解决用户的问题和疑虑。
任务7.3现场测试数据分析
对从现场测试中收集的数据和经验进行分析，并对整体系统性能进行调查。
替代途径
这项任务的潜在缺陷是系统将被送到和谐“友好”的地点，这些地点不会就使用它们的经验提供诚实和直接的反馈。坦率地讲，客观的反馈极其有价值，因为此测试是根据用户评论来细化设备并将设备释放到可能为设备的极其挑剔用户的市场之前的最后一步。为了避免这种情况，应特别要求诚实和完整的反馈，并且我们可以考虑由第三方管理现场测试过程，以确保接收到的反馈是客观的。
第二个潜在的缺陷是用户接收设备但不进行所要求的测试和/或在期望的时间轴上提供他们的反馈。我们将努力密切监测现场测试，以减少发生此问题的可能性。
3附录
3.1 I期技术报告
主要结果概述
在此项目中，我们为用于活细胞测定的创新微流体启用式“智能板”开发了原型规格。我们的板配置包括在传感器模块下方的微流体细胞培养层，其占位大小和孔布局符合标准96孔板规格。我们通过迭代和测试2x3孔聚二甲基硅氧烷(PDMS)微流体阵列设计来开发微流体层规格，以优化特征，所述特征包括均匀孔灌注；可重现的精密泵送；和在没有试剂串扰的情况下独立的孔寻址。我们优先考虑将生物惰性的光学透明的材料环烯烃共聚物(COC)用于96孔设备的制造。传感器模块控制和监测微流体层。我们通过以下方式交付原型传感器模块：表征候选传感器和相关的电气部件(电池、WiFi模块)，然后将单独子部件集成到单个印刷电路板(PCB)上。我们确认了我们的6孔智能板适用于自动化多天无菌细胞培养，伴随通过我们的设备控制的温度监测和控制以及培养基更换。
我们的项目建立了令人信服的概念验证，证明了开发集成的智能板设备以用于96孔形式自动化细胞培养的可行性。在2期，我们将利用这一基础来交付和全面测试创新设备，所述创新设备实现了进行活细胞的长期精密培养和测定的新一代功能。
项目结果与讨论
1.技术目标1：完成多用途智能板的初始概念设计
对于此技术目标，我们提议使用图形可视化和设计工具来完成我们的多用途智能板的初始概念设计，以指导我们随后的原型制作活动(技术目标2-5)。如下详述，我们为我们的微控制器和传感器电子模块及其连接开发了初步的概念设计，作为后续里程碑中后续测试和迭代的基础。我们在我们的初始传感器模块概念设计中并入了6个优先特征，并在我们的初始微流体模块概念设计中并入了4个优先特征，因此超过了相应的里程碑要求。我们确认了我们的初步设备规格与各种高通量机器人和板读取仪仪器的兼容性。
1.1结果与讨论
任务1.1：建立微控制器和传感器电子模块的概念设计
我们预期与仪器的兼容性会要求我们的板符合96孔测定板的标准占地大小。鉴于若干种机器人和高通量仪器能够处理较厚的物体(例如吸头盒)，我们评估出板高度对于我们的设备而言是最灵活的尺寸。因此，我们提出了具有96孔板占位大小的初始分层设计概念，因为这将使我们能够最大程度地利用PCB上微控制器和传感器电子器件可用的空间，并在下层为微流体保留完整的96孔尺寸的占位大小。我们展望到，随后的优化和原型制作活动会使我们能够减小此分层配置的板高度。我们还强调了简化的设计，以最大程度地降低制造技术风险和成本。
每个传感器模块层的概念设计的其他详细信息如下：
第1层(底部)：包括所有直接传感器(例如pH和微流体流速)、环境控制(例如加热器元件)以及对流体阀的控制。
第2层(中间)：微控制器/电源/放大：此层用于项目所需的大多数计算和传感器输入/输出(I/O)。此层上的集成电路(IC)包括无线通信接口、ATMega2560、微控制器、运算放大器、复用器/解复用器(mux/demux)、电平位移器、和其他通常与信号处理和I/O工作相关联的部件。
第3层(顶部)：电池：此层包括2个电池、用于对接站的电源连接、电池充电控制器IC、和电池安装部。
任务1.2：建立微流体模块的概念设计
出于说明目的，显示了6孔2x3阵列；我们的8x12 96孔阵列将根据ANSI/SBS孔位置标准进行配置，其体积减小到容纳传感器和致动部件所需的程度。微流体模块定位于任务1.1中所述的分层机电模块下方。微流体模块的占位大小应符合ANSI/SBS 96孔板标准，而传感器和驱动部件将被设计为在标准多孔形式内占据最小可能的体积。阀和气动控制件被配置为允许根据典型药物发现测定的需要(例如稀释系列、定时化合物添加)，进行单独孔寻址，以便快速自动地添加和更换测定试剂。本文包括芯片模块设计的进一步详细讨论。
任务1.3：建立歧管连接器模块的概念设计
由于我们预期传感器和微流体模块设计的几何形状会在项目历程中发生很大变化，因此我们将我们的连接器模块的概念设计限制在以下要并入最终原型设计的特征列表中：
·弹簧负载，用于快速附接/脱离微流体系统
·用于气动致动微型泵和微型阀的连接端口
·集成在微流体层中的传感器/控制器的电气连接销
·试剂和培养基储器的流体连接端口。
任务1.4：确认智能板概念设计与一系列相关仪器的兼容性。
我们评价了诸如加州大学旧金山分校(UCSF)的小分子发现中心和UCSF的尼康成像中心等核心设施处的显微镜、板读取仪、和高通量机器人仪器，以鉴定仪器的会限制我们提出的智能板的尺寸的方面。我们评价了与由以下类别的仪器(在括号中注明所评价的实际仪器)的处理兼容的板尺寸：板处理机器人(Thermo F5 6-轴线板处理机器人)；板仓室(Liconic孵育板仓室)；板读取仪(GE InCell Analyzer 2000高含量读取仪)；研究级自动化显微镜(带多孔板扫描模块的尼康TiE显微镜)。此评价确认，确保我们的板设计符合板占地大小(宽度和长度)的SBS指南极其重要，因为通常容纳更宽些或更长些尺寸的板的容许度很小。虽然一些板读取仪在读取具有不同孔配置的板的能力方面具有一定的灵活性，但自动化(和手动多通道)分配器通常无法容纳具有非标准孔间距的板，因此，我们优先考虑将标准孔间距用于我们的扩大规模的96孔设计。我们鉴定的板高度的最大限制是加载板的开口尺寸。例如，GE InCell Analyzer 2000将板高度限制到约2cm。由于不同的板读取仪具有不同的板加载机构设计，因此我们将在2期期间评价其他仪器的机械规格以鉴定这些仪器中的任一个是否对板高度施加更严格的限制。
2.技术目标2：测试和表征可重复使用的材料
出于此技术目标，我们提出评价并表征一组材料的适用性，以鉴定最适合于我们的智能板应用的材料。我们对相关材料的审查和测试使我们优先考虑环烯烃共聚物(COC)，其为生物兼容的光学透明材料，与微流体制造工艺兼容，并且适合于基于典型板读取仪发光和荧光的读出(包括高分辨率高通量活细胞显微镜测定)。
2.1结果与讨论
任务2.1：研究候选微流体兼容材料的短清单
我们评价了12种材料和材料类别(附录A)作为制造我们的可重复使用的智能板的候选材料。我们的发现使我们优先考虑将热塑性COC用于我们的初始测试，因为它通常用作细胞培养基底，已证明适用于高分辨率荧光显微镜，并且可重复使用。它还与使用热压花的具有3D通道轮廓的复合多层微流体部件的成本效益好的制造兼容1。
任务2.2：根据经验测试多至5种材料与常规细胞培养和高分辨率荧光显微镜的兼容性
一些制造商提供了用于基于细胞的测定的COC板。我们通过以下方式测试了可商购的COC板(Corning 96孔COC板#4680)的性能：在3天的时间段内培养A549细胞并与在玻璃板(Corning 96孔玻璃板#353072)和聚苯乙烯板(Corning 96孔聚苯乙烯板#4580)中培养的细胞的结果进行比较。在所有3个板中的整个孵育历程中，细胞保持健康，并具有相当的增殖速率。根据我们的测量以及在细胞培养应用中关于使用COC的广泛文献和商业先例以及其在微流体设备制造中的适用性的报告，我们优先考虑这种材料，以纳入我们的详细原型规格中。
3.技术目标3：配置和测试微控制器和传感器
出于此技术目标，我们提出优先考虑一组传感器以在我们的智能板中使用。我们评价和测试了一组可商购的传感器，并鉴定了对具有高昂成本或过长交付周期的传感器的替代物。我们的最终原型包括4种操作传感器(温度、湿度、CO2、流速)，超出了里程碑要求(包括3种传感器)。我们证明了使用内载电池为这些传感器供电和运行以及通过内载WiFi模块播送来自这些传感器的数据的能力，从而在板读取仪或其他仪器中使用传感器模块时可以实现传感器模块的全部功能。我们的PCB设计还包括实现后续添加pH测量和阻抗测量(针对细胞汇合度)的部件。我们在试验板配置中测试了单独传感器的性能，然后设计、制造、安装并测试了将各种子组件集成到板上的PCB，其尺寸在标准多孔板的占位大小内。
3.1结果与讨论
任务3.1：评价可商购的传感器是否可集成到智能板中
表1总结了为智能板传感器模块原型提议的传感器和相关联部件，并在下文和任务3.2中进行了更详细的讨论。
Figure GDA0004080381780000691
表1：集成在传感器模块原型PCB上的优先考虑的传感器和相关联部件。对于自行开发的传感器，我们注意到一种应急的可商购传感器。
任务3.2：将3个最高优先级传感器与微控制器组装在一起，测试并展示设备通信和控制
我们获得了表1中所指出的CO2、温度和湿度传感器，并实现了基于热敏电阻的流量传感器原型。我们通过具有积分增益控制的16位AGC模数转换器(ADC)来按路线发送Murata热敏电阻读数，以确保流体温度和因此流体流量的比率量度测量的足够精度。我们集成了所有传感器，并使用到微控制器的串行接口测试了这些传感器的输出。读取还包括集成用于pH测量目的的阻抗放大器2，它通过16位ADC进行全量程报告。来自所有集成传感器的代表性状态报告示于下文：
/////报告字符串示例/////
Thrm A,13478,Thrm B,13524,流量,1.0034,pH,210,湿度(％RH),41.85,温度(C),26.90,Co2(ppm),620
Thrm A,13487,Thrm B,13527,流量,1.0030,pH,210,湿度(％RH),41.72,温度(C),26.90,Co2(ppm),630
Thrm A,13509,Thrm B,13545,流量,1.0027,pH,210,湿度(％RH),41.68,温度(C),26.90,Co2(ppm),630
Thrm A,13522,Thrm B,13559,流量,1.0027,pH,210,湿度(％RH),41.65,温度(C),26.90,Co2(ppm),630
Thrm A,13504,Thrm B,13559,流量,1.0041,pH,210,湿度(％RH),41.68,温度(C),26.90,Co2(ppm),640
Thrm A,13494,Thrm B,13561,流量,1.0050,pH,210,湿度(％RH),41.72,温度(C),26.72,Co2(ppm),640
Thrm A,13524,Thrm B,13591,流量,1.0050,pH,210,湿度(％RH),41.65,温度(C),26.90,Co2(ppm),640
Thrm A,13521,Thrm B,13604,流量,1.0061,pH,210,湿度(％RH),41.68,温度(C),26.90,Co2(ppm),650
////示例结束/////
传感器模块测试数据
WiFi模块
我们修改了我们的组件的WiFi部件的代码，以与我们的系统一起运行并提供无线状态更新。我们在thingspeak.com上展示了将传感器输出数据上传到实时网络读出的功能。
电池
我们测试了仅使用电池系统的完整传感器运行的功率预算。不断对传感器系统进行轮询，并在整个测试中为所有传感器和无线模块供电。每15分钟向在线传感器通道发布一次报告。测试得出全开时有9个小时的接通电源持续时间。如果各种子系统中都使用全睡眠状态模式并以充满电的电池开始的话，则WiFi模块、CO2传感器和微控制器(在网络更新之间)使用睡眠状态模式会将系统的有用报告时间显著延长至估计的7天正常运行时间估计量。
CO2
尽管有许多传感器可用于将CO2测量集成到空气质量系统、环境系统和HVAC组件中，但我们模块中使用的传感器必须满足3个不寻常的要求：(1)形状因子尽可能小；(2)无气体输入端口/室，和(3)浓度范围为0-10％。在可用的传感器中，只有CO2计K30-10000模块提供了这些特征。此传感器使用非色散红外辐射测量，以9600波特通过串行UART报告CO2，以十进制的百万分率表示。非色散IR测量方法可受到背景变化(加热)的影响。模块提供了自动背景补偿方法，以产生声称的1％灵敏度和3％准确度。传感器以2秒的最大间隔读取。我们的控制器比这更频繁地轮询系统；当以比测量更快的速率进行轮询时，将返回上一个测量值。因此，与所使用的其他传感器相比，CO2传感器的响应时间较慢。典型的新鲜空气测量应反映400-450ppm的值。
为了首先验证CO2传感器在至少10％的范围内的响应(根据传感器规格和数据表)，我们将其配置用于电池供电操作伴随通过WiFi报告，然后将其密封在具有30mm深的干冰颗粒层的聚苯乙烯泡沫盒中。虽然我们发现所述传感器响应于CO2，但我们发现其读数限制在4.2％内，这促使我们从供应商获得替代品，以用于后续测试并用于我们最终的PCB构建。我们在42小时时间段内测试了替代的CO2传感器，检测到的平均读数为441ppm(标准差为17.3ppm；相对标准差为3.9％)
湿度
我们选择了Sensirion SHT21传感器进行湿度％监测，所述传感器实现从低功率、小形状因子(3mm x 3mm)的经预先校准的设备(其还可以感测温度)感测。制造商规定的此设备的相对湿度感测准确度为+/-2.0％。设备通信是通过常见的i2c协议进行。单个微控制器调用导致设备返回全套数据(湿度和温度测量)。准确的测量需要8秒以使传感器响应，但是可以按11.75Hz的最大速率以14位的输出分辨率查询传感器。我们测量了将传感器从室内转移到寒冷时的湿度变化。我们在42小时的时间段内测试了传感器，并测得平均相对湿度为23.68％(标准差为0.31％；相对标准差为1.3％)。将传感器放在密封的干冰盒中时测得的湿度增加。
温度
如上所指出，Sensirion SHT21传感器还测量温度。制造商规定的温度感测准确度为+/-0.3℃。测量了将传感器从室内转移到寒冷时的温度变化。我们在42小时的时间段内测试了传感器，并测得平均温度为46.1℃(标准差为2.93℃；相对标准差为6.4％)。
值得注意的是，测得的振荡表明所述传感器相对于其数据表规格而言显现具有相对低的温度性能。我们对此鉴定了3个可能的原因，我们没有时间进一步探索。首先，此传感器不包括制造商推荐的被推荐为最佳性能的热传递和清除路线。这可能导致COB出现引导程序功能。第二种可能性是所测量的振荡是准确的，并且应归咎于PCB上或房间内的热瞬变(例如，温度下降、HVAC打开、温度上升，并且几天内会发生多次)。第三种可能性是此传感器的箱体选择恰好低于规定的性能。我们将进一步对此进行评价，因为在我们提出的2期项目中要测试此传感器。
流量
由于合适的可商购流量传感器(例如Sensirion LPG10)的成本高，我们选择使用基于2个Murata NTC 100kΩ1％珠形热敏电阻的比率量度式热敏电阻偏倚测量系统来构建我们自己的流量测量。使用流动室组装和测试系统，并将通过热敏电阻测量值计算出的流速与输入的注射泵驱动的流量进行比较。在此测试期间，我们注意到系统对流量变化做出了响应，除非流动流体的输入温度与热敏电阻所在位置的温度相同。由于我们需要将智能板和输入培养基的温度保持在37℃以进行细胞培养，即输入温度和热敏电阻温度相等，因此我们需要重新配置我们的流量测量系统以将此考虑在内。
这可以通过与这2个热敏电阻串联地放置小的加热元件例如电阻来解决。接近加热器时，流体温度沿流动方向增加，并且在加热器上游的加热效果更加明显。相关的下游/上游温度差可用于测量流量，在此配置中，使用加热器注入的已知温度，而不是上游流体的输入温度。尽管我们没有时间相应地配置我们的流量传感器，但我们在环境条件下测试了42个小时内的热敏电阻性能。我们使用用于阻抗测量的同一ADS1115 ADC的通道2和3进行了这些测量。这些数据确认了热敏电阻测量的稳定性。在42小时时间段内，热敏电阻1的平均读数为15380，其中标准差为138，相对标准差为0.9％。在相同时间段内热敏电阻2的平均读数为13925，其中标准差为146，相对标准差为1.05％。
此测量仍然产生几个重要结果。首先，两个热敏电阻都通过通道2和3路由到用于阻抗的相同ADC，即ADS1115。在下面的42小时时间内，两个热敏电阻均暴露在环境条件下。于是，通过ADS IC获得的测量结果可用于指示IC负载下的性能，以及用于测量2个热敏电阻彼此之间的相对性能。如果传感器和ADC完美，则所有测量结果的比率均为0.000。此结果的任何偏差都表明2个热敏电阻之间存在偏倚，或者表明ADC出现内部错误。结果是，下文呈现了几个图，以研究这3个因素之间的相互影响。
阻抗
我们用于监测阻抗的配置包括INA116放大器，其输出被路由至16位ADS1115低功率ADC。此套件提供用于单端测量的四路输入(quad input)、稳定的内部基准、可扩展的增益、低占位大小和宽电源范围。传感器数据通过i2c接口输出，从而可直接连接到我们的微控制器。
由于时间不足，我们无法测试此传感器测量汇合度的能力。但是，通过使未连接到探头的传感器运行42小时，我们可以评价设计中固有的系统噪声。我们的数据表明，此设置提供了低噪声基线，可用作2期进一步开发的基础。报告的数据是16位带符号标度，即可以从这些测量中获得0-65535的值。下文测量值在202-204之间变化。
PCB生产与测试
在以试验板配置对传感器进行测试之后，我们通过布局将先前测试过的所有子组件集成在一块板上的PCB设计来开发我们的最终传感器原型的设计。我们的设计的占位大小为100x80mm，完全在标准多孔板的128x85mm尺寸之内。通过剥离Arduino微控制器头并仅使用满足我们需求的部件，我们实现了尺寸和复杂性的显著降低。由于CO2和WiFi模块的复杂性以及因此重新设计这些部件需要较长的交付周期，因此这些部件仍然在子板配置中；我们可审查和重新设计这些部件。
我们的PCB设计包括2个阻抗放大器，没有前端多路复用，从而能够对2个单独孔中的对比细胞汇合进行概念验证测量。在实现此功能的历程中，我们鉴定了需要克服的障碍，以便将此方案扩展到96孔或更高密度的形式中。由于可使用单一放大器实现每个单独孔的测量的多路复用系统会将阻抗注入任何获得的测量中，因此这些多路复用系统不适用于此特定应用。一个直接的方案是为每个孔分配单个阻抗放大器，但是由于电路板空间的限制和制造成本的增加，这与扩展到96孔形式不兼容。因此，我们选择实施系统以在此项目的2个孔中获得概念验证阻抗测量结果，并且我们开发了创新的方案，以在2期将此功能扩展到96孔形式。
我们使用气相流动焊接安装了我们的初始PCB和焊接部件。在对电路板进行测试时，我们鉴定了一些问题，我们认为这些问题对于重新设计比对于尝试排除其周围的故障要更省时。关键调整包括：(1)放置调整，以确保阻抗传感器与微流体模块上的阻抗电极更准确地对齐；(2)启用电池或USB操作的开关；(3)简化的布线和部件放置，以使故障排除更加容易；(4)改进的部件标记，以实现更快的部件安装。附录C中包含PCB制造和传感器设计文件。
4.技术目标4：建立和测试概念验证2x3微流体阵列
出于此技术目标，我们提出使用在PDMS中的快速原型制作来构建和测试初始概念验证2x3阵列原型。我们使用快速原型制作重复了我们的初步概念设计的几次初始迭代。我们测试了这些芯片，并利用我们的发现融合在可行的设计上，以利用流体动力学建模和高分辨率光刻法制造进一步进行迭代和优化，最终产生了2x3原型微流体设计，所述设计被用作我们扩大规模的96孔原型设计的基础。
4.1结果与讨论
任务4.1：以2x3阵列规模设计各种初步设计，以进行快速原型制作
我们开发了我们最初的2个初始设计构想，并使用加州大学伯克利分校建立的快速原型制作技术制造了它们以及相关的变体。首个原理验证设备是使用CNC切割机和光掩模制造的，这使我们可在几天之内测试多种设计，而无需在净室中经历软光刻的更费时费力的过程。这些设计与我们的第一代微控制器设计组装在一起。
我们对设计进行了迭代，以最大程度地减少设计中的层数，并适应在设计传感器模块的历程中鉴定的新特征。我们使用软光刻向前实施我们的版本3(v3)设计，从而使得我们改进了设计的分辨率和细节。我们将这些设计与改进的Gen2微控制器单元(使得能控制更多端口)和新的歧管连接器(允许快速可靠的芯片连接，而无需与玻璃基底进行UV/O3粘接)组装在一起。
系统控制单元是使用OEM和机架部件设计和构建的，并具有已开发的微流体芯片的特征。Arduino Mega(Arduino Mega 2560Rev3；Adafruit)用作主要的微处理器，以控制一组交换板(ULN2803交换板；elexol)，进而驱动一组电磁阀(GAV010E1-12DC；Koganei)，具有键座的简单2行LCD显示器(HD44780；Adafruit)允许控制步进时间、直接控制系统中运输的流体的流速。此外，使用诸如Arduino之类的常规微处理器允许对单元进行通用的计算机独立性编程。将来，Arduino将被RaspberryPi替代，后者具有基于Python的图形用户界面(GUI)上的触摸屏，以直接反馈控制系统并进行可靠的测定-方案设计和配置。初步的GUI设计已经开始，并呈现了迄今取得的进展。这将在2期中进一步细化和开发。
任务4.2：使用快速原型制作和复制模制来制造设计
后续设备设计的迭代是基于经验测试结果和流体动力学模拟数据。具体而言，我们使用模拟数据来优化孔几何形状，以确保均匀的孔灌注特征。
随后的几轮优化使我们最终确定了2x3原型设计，我们以此作为将原型设计扩大规模到96孔形式的基础。最新的两个设计是使用软光刻制造的，具有两种微流体通道宽度大小(150μm和500μm)。所有软光刻制造的芯片具有约95μm的最终通道高度。最终的2x3原型涵括：对每个单独孔的独立寻址，从而防止了孔之间培养基流的串扰；改进的孔几何形状，以确保完全均匀的孔灌注；以及每行末端的冲洗阀，以实现对洗出和培养基更换的可靠控制以及更快的洗出和培养基更换。
我们的迭代芯片设计适用于不断进行的细胞培养。对最终的2x3原型的测试表明，我们可以在由微控制器自动驱动的温度和培养基更换的情况下，在工作台(培养箱外部)上的芯片中培养U2OS细胞持续至少3天。没有观察到污染，表明在我们的原型设备内部进行无菌培养是可能的。
5.技术目标5：将2x3微流体阵列与传感器和控制电子器件组合并进行测试
出于此技术目标，我们提出将我们的微流体系统与气动控制件和传感器组装在一起，然后进行初始系统校准以及系统性能和稳定性的表征。我们进行的测试表明，我们的微流体系统的优越可重复性和可靠性验证了脱气器几何结构去除空气泡的能力，并确认了芯片设计的行-列寻址功能可实现独立的孔寻址，而不会在孔之间造成交叉污染。
5.1结果与讨论
任务5.1：组装微流体系统，并添加外部控制元件以进行初步表征和系统评价。
使用商用流量计(SLG1430-480；CMOSens)和各种测试方案对微流体系统进行了表征，以确保完全的阀控制，从而对芯片进行精确的流体控制。流体按路线从入口端口通过第二行阀进入第四孔室，并从系统通过泵排向出口端口。然后分析校准数据并确定流量曲线。我们的数据表明，我们可以按75ms的步进时间使置换低至10nL，并且这是一致且可重现的。
微流体层包括脱气器系统，所述脱气器系统将空气泡在到达孔层之前从入口去除。
将使用罗丹明b(Fastman；14352)和对照(水)的初步交叉污染实验递送到单独孔中，然后使用荧光光谱仪(Spectrofluormeter F-750；Jasco)进行测量。交叉污染可以忽略不计，小的残留荧光信号归因于PDMS的孔隙，所述孔隙导致捕获了一些在洗出步骤中无法完全去除的染料分子。当在所有玻璃、COC或其他无孔材料中制造微流体层时，不应发生染料分子的这种捕获。我们原本打算制造玻璃芯片来对此进一步测试，但是在项目的最后2周交付延迟和停电使我们无法这样做。我们将在2期的非PDMS芯片中对此进行进一步表征。
任务5.2：微流体系统的细胞培养和自动化培养基更换测试
在将微流体系统加载上完整的培养基以进行细胞维持和生长后，无需进行CO2平衡(Leibovitz的15，补充有10％的胎牛血清和青霉素/链霉素)。为了控制温度，我们集成了珀耳帖热元件(peltier thermo-element)加热器元件，以维持37℃的恒定细胞培养条件。热图像显示39.2℃的稍高温度，这是补偿热量损失和环境耗散所需的。我们以106、105和104个细胞/ml接种U2OS细胞(人骨肉瘤细胞系)。接种后三个小时，我们每30分钟以200nl/冲程的速度开始自动流动(步进时间为125ms；更换约2.3孔体积)，持续2天。
为了评价细胞健康状况和生长，我们每天为每个孔采集图像。
6.技术目标6：在2x3原型阵列中展示定时化合物添加和洗出
在完成技术目标5的历程中，我们鉴定了我们的设备的使其无法在细胞培养环境中常规使用的一些局限性。因此，我们花费了大量的精力进行设备优化与细胞培养测试之间的迭代，以最终生成适用于如任务5.2所示的细胞培养的设备。我们鉴定的主要局限性是仅使用微流体递送很难将细胞接种到设备中；这对于常规使用而言非常耗时，并且生物学家不太希望使用微控制器对细胞接种进行编程，因为他们可以使用手动微量移液器快速容易地解决。
因此，我们重新配置了设备，以允许通过手动微量移液直接接种孔，从而使我们能够成功完成任务5.2和技术目标5。不幸的是，由于制造/交付延迟，一些订购的零件和部件到达的时间比预期的晚，这减慢了我们的进度。我们经历的延迟和优化芯片这些方面所花费的额外时间是以完成技术目标6的任务和里程碑为代价的，但是，我们相信，在重新配置设备和对其进行彻底测试方面花费的精力将使我们在2期工作开始时坚定地继续进行细胞培养测试。鉴于技术目标5中的设备表征和测试的结果，我们在其中显示出系统的精度及其以精确且重复的方式处理纳升体积的能力以及其对活细胞培养的适用性，我们相信成功实现技术目标6所需的定时给予多西环素至活细胞不应构成任何无法克服的技术挑战。此外，任务5.1中交叉污染染料实验的结果确认了我们的系统具有使用可编程接口进行精确、定时的洗入和洗出测定的功能。
6.1结果与讨论
可以对系统进行优化，以确保长达两周的长期细胞培养，如上文TO5.2中所述。
任务6.1：测试多西环素稀释系列到2x3阵列的活报告细胞的递送。
人们可能会利用系统展示的以设定的时间间隔将精确体积的流体递送到孔中的能力。
任务6.2：测试单个多西环素浓度到包含2x3阵列的活报告细胞的单独孔的定时递送。
关于任务6.1和上文讨论的，我们展示了完成此任务所必需的设备功能。
任务6.3：测试单个多西环素浓度到包含2x3阵列的活报告细胞的单独孔的定时洗出。
关于任务6.1和6.2，我们展示了完成此任务所必需的设备功能。
7.技术目标7：最终确定96孔形式智能板的详细原型规格和成本估算
出于此技术目标，我们提出了从先前技术目标评价综合性能数据，以将我们的初始概念设计细化到96孔设备的详细要求和设计文件中，其中包括机械、电气和微流体设计细节，硬件规格，通信协议和制造成本估算。
7.1结果与讨论
任务7.1：基于实验数据的详细微板设计
我们使用任务4.2中所述的最终2x3原型孔设计，将其作为符合ANSI/SLAS占位大小标准的扩大规模的96孔微流体模块的基础。
孔层
我们注意到，将孔层设计为单独的模块可以为我们提供最终灵活性，使得可以更改其配置以包括例如其他传感器(例如阻抗感测电极)；替代的孔几何形状(例如用于3D培养的微图案化或专用孔形状)；或替代材料(例如玻璃、COC等)和涂层(例如纤连蛋白、聚赖氨酸等)。此外，这种途径减轻了我们的产品设计中的风险，因为如果我们在孔设计方面遇到了无法克服的障碍，那么就不必对整个微流体系统进行大修，而只需重新设计孔层即可。简而言之，这种途径最大程度地降低了风险，并最大程度地提高了原型制作和新产品制造的灵活性。
流体层
气动层
气动层包括2个子层：(1)气动选孔层和(2)气动控制层。
在设计气动选孔层时，我们认识到将6孔设计扩展为每孔1个电磁阀并不是产生具有成本效益的96孔智能板的明智选择。因此，我们起草了由步进电机驱动的气动歧管的初步设计。此歧管将96孔智能板的单独孔寻址所需的电磁阀从96个减少到一个电磁阀，从而大大降低了成本。此歧管的详细设计、构建和测试将被包含在我们的2期项目中。
传感器模块
如任务3.2(PCB生产和测试小节)所指出，我们已将WiFi模块和CO2传感器保留为子板配置。我们相信，当我们将更多时间分配给此任务时，我们将能够在2期中解决将它们安装在主PCB层上的问题。为了在96孔形式智能板上感测CO2、湿度和温度条件，需要的额外部件最少，因为这些参数将作为“全局”板参数进行测量，而不是基于每个孔测量。如任务3.2(PCB生产和测试小节)中详细讨论的那样，将每孔微环境测量的规模扩展到96孔，例如对于阻抗或pH感测而言，与其他技术开发可以是兼容的。这样的测量与对孔层的修改(例如，并入用于汇合度感测的电极)以及在传感器模块PCB上必要的复用/解复用的实现可以是兼容的。
智能板对接站和外围设备的初步概念。
尽管没有如此请求的要求，但我们已开始概念化智能板对接站的可能性，当在板读取仪器或其他实验环境中不使用智能板时，可以将智能板返回至智能板对接站。对接站将具有以下功能：通过传感器模块从主电源为电池再充电、监测和报告板微环境，并将培养基或其他试剂更换/灌注到板中。我们已经概念化了一种用于培养基灌注的喷墨盒样系统，其使得能够将培养基或其他试剂直接添加到对接站中的板上，并且我们已经开始考虑如何将其适配于即插即用式储器系统(所述即插即用式储器系统可以容易地安装到标准板读取仪器中)。我们将在2期的工作中细化这些想法，并在此实践期间将寻求来自潜在客户和其他利益相关者的意见。
任务7.2：详细的制造设计文件，包括成本估算
附录B和C中呈现了详细的设计文件。表2中呈现的我们的微流体制造成本估算是基于以下假定：
·使用精密注射模制来制造由COC制成的生产零件
·每个零件都需要机加工的钢阴模(固定成本的工具投资)
·每个模具可用于制造多至100,000个单元
·每次运行中材料和生产人工的额外成本(运行成本)
·在100,000个单元的制造规模下，基于以下计算的孔层成本为$2：经标准组织培养物处理的塑料96孔板的成本为$6，假设70％余裕。
·在大容量制造时，屏障层成本假定为孔层成本的50％
Figure GDA0004080381780000801
Figure GDA0004080381780000811
表2：假定制造1,000和100,000个单元的情况下微流体模块的制造成本估算
如表2所示，根据制造的容量，我们的制造成本估算为$11-35。100,000个单元的规模经济实际上要比对于流体层和气动层所指出的要大，因为将以多于1,000个单元的运行来制造这些。孔层和弹性片材的这种规模经济得到了考虑，因为我们已使用了基于标价的估算来说明这一点。此外，这些估算是基于用于美国制造的典型模具、材料和生产成本；这些成本可以通过外包给海外制造工厂来进一步降低。综合而言，假定大容量制造(>$100k单元)，这些因素得出实际制造成本估算值为$5-$10/微流体单元。
表3中呈现的我们的传感器模块制造成本估算是基于以下假定：在低于100个单元时，美国制造、测试和组装是最具成本效益的，并且批量购买的部件折扣可忽略不计。超过100个单位时，由于材料和部件购买的规模经济以及将制造、组装和测试外包给海外的能力，成本迅速下降。
Figure GDA0004080381780000812
表3：假定制造2、100、1000和10,000个单元的情况下传感器模块的制造成本估算
如表3所示，根据制造的容量，我们的制造成本被预期为$30-$120。实际上，我们期望能够通过采购或构建更具成本效益的温度、湿度和CO2感测单元以及WiFi模块(这些是造成传感器模块成本的主要因素)来进一步降低这些成本。假定我们可以通过这种方式将部件成本降低50％，这将使我们的制造成本降低至$20-$75，具体取决于容量。
假定传感器模块的制造规模为至少10,000个单元，而微流体模块的制造规模为至少100,000个单元，则完整智能板(传感器+微流体模块)的估算成本为约$25，其中的$5-10是半可重复使用的微流体模块的成本，$15-$20是可重复使用的传感器模块的成本。
8结束语
上文报告的项目结果有力地将Cairn Biosciences定位为在我们的2期工作中交付创新的96孔智能板原型。我们已经验证了我们团队以概念验证2x3(6孔)阵列形式对我们的智能板的设计进行概念化、构建、测试和迭代的能力，并展示了我们的设备与几天内的活细胞培养的兼容性。我们还基于我们的原型构建和测试周期的结果，计划将我们的原型阵列扩展至96孔设备。
我们对概念验证设备的开发和测试推动了我们的初始96孔原型规格的设计。我们的96孔原型并入了所有使能扩展至商业上可行的96孔智能板(用于基于细胞的测定)所需的关键特征，所述智能板适用于各种仪器和板读取仪，所述关键特征为：(i)严格遵守ANSI/SLAS关于板占位大小和孔定位的微板标准；(ii)与快速修改以适应不同的孔类型、形状、材料和其他特征(例如用于汇合度监测的电极)兼容的孔层；(iii)与逐孔寻址兼容的微流体设计，使得孔可用于样品或执行其他功能(例如培养基存储、样品收集)；(iv)与几天内的活细胞培养的兼容性；(v)通过WiFi实时传输来自动感测环境参数(湿度、温度和CO2)；(vi)高度模块化的设计，其使得能将新特征并入孔或微流体层或传感器模块中，从而快速生成新的特定于应用的产品线；(vii)与既定的制造程序(标准的PCB制造和组装，以及COC的精密注射模制)兼容；(viii)整个设备在商业上可行的制造成本为$25。
通过构建和测试我们的96孔智能板并开发所述设备的稳健制造技术，这些成就为我们奠定了成功解决所有2期请求要求的非常坚实的基础。此外，我们1期项目的发现与市场研究数据相结合，得出了关键的见解，这些见解促使我们：(i)投入额外的时间来细化我们的96孔智能板的概念和要求，以确保其完全满足最关键的用户需求；(ii)优先考虑智能板的特定于应用的开发，以确保我们交付针对特定用途进行了充分优化的设备，我们对所述设备进行了测试和细化，并且测试/现场测试涉及智能板的潜在用户。我们还通过进行中试制造运行以产生我们的设备的至少25个单元(将用于现场测试)来确保我们制造技术的稳健性。我们的项目还通过在Cairn Biosciences团队中增加内部专业知识，并在2期中补充分包商和顾问的专业知识，来帮助我们鉴定与项目和团队相关联的关键风险并加以解决。
总之，从此项目获得的综合数据和经验教训使我们能够在2期全面建立并商业化创新、稳健且经过充分验证的智能板。我们设备的成功开发和商业化将进一步增强CairnBiosciences实现其开发新一代基于细胞的测定和可实现可扩展实施的转化技术的企业使命的能力。
12附录
附录A-用于智能板的候选微流体兼容材料
附录A-表1：常见的微流体兼容聚合物基质的材料特性
Figure GDA0004080381780000831
附录A-表2：适用于微流体设备制造的材料类别概述
Figure GDA0004080381780000841
附录C-PCB和传感器制造设计文件
PCB是使用Gerber x274形式来制作的。
消费者需求
3.2 SBIR项目的价值、预期成果和影响
3.2.1拟议项目和关键技术目标
我们已经围绕着以下的总体项目构造了我们2期提案的技术目标：交付创新的96孔智能板原型和相关联的测定应用方案(旨在满足关键的客户需求)，以及为我们的设备提供稳健的产品制造技术。智能板被设计为在集成设备中实现基于板的微环境参数感测和自动化微流体启用式培养基更换及灌注功能，所述智能板的占位大小和孔定位符合ANSI/SLAS微板标准。我们的项目的构建是基于我们成功的I期工作，在I期我们开发并测试了概念验证2x3(6孔)微流体阵列以及相关联的传感器模块和控制电子器件，并使用我们的结果开发了用于精密培养、控制和监测活细胞的96孔“智能板”的原型规格。
在技术目标1中，我们将使用在1期开发的96孔智能板原型规格作为初始基础以便为全面系统要求和概念设计文档的汇编提供信息，这将构成我们项目的初始基础。技术目标1将帮助我们解决用户的担忧，即应将板概念化以避免增加不必要的特征(参见下文的客户引述)。同时，我们将鉴定、测试和验证多至3种智能板应用，并建立标准化方案以在技术目标2中将这些应用用于智能板。在技术目标3中，我们将设计、构建和测试所有智能板子系统，并使用结果完成技术目标4中的智能板原型系统集成。在技术目标5中，我们制造并测试原型，使用结果以便为将在技术目标6中进行的制造技术和中试制造运行提供信息。技术目标5将使我们能够满足在我们的市场研究历程中会见的潜在用户的需求，这些用户们希望在考虑进一步评价我们的设备之前看到原型(见下文)。在技术目标7中，我们将使用技术目标2中开发的标准化应用方案作为我们的现场测试方案的基础，对我们的设备进行现场测试。我们与我们的市场调查研究的受访者重新建立了联系，这些受访者们表示有兴趣对智能板进行贝塔测试。在技术目标2中的应用开发和测试、技术目标5的原型测试和技术目标7的现场测试满足了我们的受访者对数据和验证研究的要求。来自技术目标1-7的综合数据和发现将用于为在技术目标8中详细制造技术和最终报告的准备提供信息。成功完成我们的2期项目将使Cairn Biosciences能够达到5个主要产品开发里程碑：
(1)生产和全面测试96孔原型智能板
(2)开发特定于设备的应用方案
(3)完成中试产品制造运行
(4)现场测试我们的原型设备和应用方案
(5)交付稳健的产品制造技术/方法/规格
总而言之，我们的SBIR项目的主要价值来自于(1)我们开发和交付了创新的智能板设备，所述智能板设备将为药物发现和细胞生物学研究中基于细胞的测定提供新的范例，(2)开发和记载经验证的应用方案，以确保用户迅速采用所述设备，以及(3)交付详细的制造技术/方法/规格，以使我们的设备能够通过尽快以最小风险的制造而进展。因此，我们的项目产生了智能板原型，所述智能板原型可以快速进展到成功的产品制造和商业化。
3.2.2由项目满足的客户需求
根据市场规模(通过我们的二次研究评估，在下文进一步讨论)、总体需求、未满足的用户需求和预期的板功能，我们的客户调查将复杂细胞培养市场鉴定为我们设备最有吸引力的细分市场。在复杂培养市场内，长期2D培养、诱导多能干细胞(iPSC)和3D培养成为最重要的市场机遇。因此，我们建立了此项目(参见表2)，以朝着开发这些领域中的功能来构建。我们的2期策略考虑了我们在市场研究历程中鉴定的客户对我们设备的以下要求，这些要求并未被当前的行业标准工作流程或其他可商购设备很好地解决：
·与用于基于细胞的测定的各种可商购仪器如板读取仪、机器人、板仓室兼容
·适于升级以确保与新兴的新平台兼容
·与成像仪器兼容，这被认为是关键的
·使用经证实的生物兼容性和测定兼容性材料进行构建
·允许对长期细胞培养或较短期测定操作所需的细胞培养条件和环境参数(例如温度、pH、流速、汇合度、代谢物检测)进行监测、报告和在线分析。
·自动灵活的流体处理，以支持添加和更换用于常规细胞培养(贴壁，悬浮和诱导多能干细胞(iPSC)培养和分化)和灌注(针对3D模型)的试剂
·化合物系列稀释和组合的测试化合物添加
·技术人员级别的员工易于使用以进行常规和可重复的实验室工作
实施满足上文所列要求的智能板将使我们的设备能够满足以下领域中未满足的客户需求：(1)基于长期2D细胞培养和悬浮细胞培养的测定；(2)诱导多能干细胞(iPSC)培养和分化；(3)开发3D细胞培养模型；和(4)使用利用了这些细胞类型和细胞模型的测定。
在这些领域工作的受访对象反复提到在基于长期细胞培养的测定中需要新技术来解决培养基更换，提供了进行用于肿瘤药物发现的克隆形成测定的2-3周时间轴的例子，基于巨噬细胞的测定的持续时间通常为3周，在标准孔板中进行，需要每天手动换培养基并且需要“技术人员棘手”的方案以用于3D细胞培养模型开发。这些相同的受访者指出，尽管机器人非常适合于HTS应用，但对于涉及在96孔板中的细胞培养维持的自动化长期测定，并无具有成本效益的方案。此外，这些受访者都提到需要增加测定控制和自动化以改进可靠性并提高通量。
根据我们的会见，对于优化和标准化方案以确保可靠性的新途径的需求对于致力于iPS细胞的研究人员而言显现是最为迫切的。这些研究人员指出，iPSC对环境变化特别敏感，这使得我们的板的微环境监测功能成为这个群体的合意特征。
鉴于我们的市场研究鉴定的可以由我们的智能板满足的一系列迫切的客户需求，我们相信我们的设备会迅速获得市场关注。此外，我们利用我们的智能板支持和加速了我们的内部活细胞高含量筛选测定开发和iPSC模型开发活动。
3.2.3创新和商业应用
在药物发现中，先进的基于细胞的疾病模型和长期活细胞分析的使用正在迅速增加。将这些细胞系统维持在行业标准多孔板中通常依赖于重复的繁琐且耗时的目视检查和手动培养基更换。因此，需要能够在几周的时间段内对多孔板中的细胞培养物进行高效监测和操作的新途径。
智能板原型设备可形成开发新系列智能板产品的基础，这些产品被配置为可满足实施复杂细胞培养方法(包括iPSC细胞培养、共培养和3D细胞模型)以及相关测定(参见表3)的客户的需求。我们预期从事这些领域的研究人员将是我们的初始客户，并且他们的需求将推动我们产品的商业应用。创新的应用方案可以验证智能板的用途并说明智能板满足关键客户需求的能力。
我们的设备被配置为以96孔形式进行微流体启用式细胞培养、控制和监测，与现有的具有多至仅32个孔的可商购微流体板(Fluidigm Callisto板)形成对比。此外，我们将我们的原型设计为与每个孔的独立寻址兼容，从而使得能够将孔用于实验目的，或根据实验需要用作测定试剂的储器。总的来说，我们的芯片的微流体模块的这些特征满足了客户对于以96孔形式长期培养细胞的自动化方案的需求。
与现有的相关商业产品相比，我们将我们的板设计为与尽可能广泛的板读取仪和显微镜仪器兼容，并适于广泛的应用。板占位大小和孔位置符合SBS/ANSI标准的板尺寸可确保仪器兼容性。我们的微流体板的创新模块化设计可通过以下方式使其直接适于广泛的细胞生物学应用：根据实验需要用不同的材料、涂层或孔形状取代孔层，从而使得能扩展产品线以满足广泛的应用。
我们的微流体模块与可重复使用的传感器模块的集成代表了我们产品的又一个创新方面，这个方面是相关可商购产品无法满足的。传感器模块原型被设计为实现对微环境参数的闭环控制和监测，并能够通过WiFi播送测量值，并且可以完全重复使用。
最后，我们一直密切关注我们的智能板设备的制造成本，并通过使用使得相关联制造成本最小化的简化微流体设计、以及在我们的传感器模块中优先使用可商购的OEM部件降低了成本。这些创新将确保得到的板与现有产品相比具有有竞争力的价格。总而言之，我们的项目将交付高度创新96孔智能板的经验证原型，所述经验证原型被优化为满足客户需求，并有望以有竞争力的价格点进行快速制造和商业化。
3.2.4社会效益
我们的智能板产品以及其将实现的新一代基于细胞的测定和模型将通过以下方式使公众健康受益：显著增强活细胞系统(用于评价治疗功效)的通量和稳健性，进而提高鉴定有益疗法的能力以用于未满足的医疗需求。我们的智能板与Cairn Biosciences的创新活细胞高含量测定以及基于iPS细胞的模型相结合，将使学术界和行业研究人员能够产生对以下的更好理解：患病细胞亚群内表型状态的动态波动的性质，以及由此异质性在疾病演变和对药物治疗的反应中发挥的作用。
行业上需要一种新的具有商业潜力的测定，所述测定可以询问以前无法获得的疾病生物学，从而提高临床前药物发现的速度和精度。本文公开了满足此需求的各种方案，包括最先进的基于细胞的测定和相关技术，并且实现基于细胞的新测定形式的创新智能板与我们公司的使命紧密连接。这些方案与创新的高通量活细胞显微镜测定平台和新一代iPSC模型引擎兼容，如下进一步讨论的。本文公开的方案将满足iPSC研究人员的几个重要需求，并且与成像仪器的兼容性和/或内置成像功能对于我们智能板的最终用户而言是高度优先的。本文中的公开内容实现了这样的智能板，所述智能板被最佳配置为满足客户需求，并且已在针对我们设备的最终用户的优先应用定制的方案的背景下进行了测试和验证。
3.2.5智能板应用
应用领域可包括复杂培养；毒性测试；和药物发现。在复杂培养市场内，诱导多能干细胞(iPSC)和3D培养可以是重要的应用领域。从事于使用iPSC和3D培养的疾病建模领域的生物制药科学家可能需要本文所述的方案。由于基于iPSC的测定和模型在药物化合物的毒性评估和神经元障碍的疾病建模中越来越受关注，因此从事于这些领域的科学家可能需要本文所述的方案。我们的智能板的癌症研究应用也呈现出有前景的潜在应用领域，因为它占相当大的3D细胞培养市场的约40％。
全球基于细胞的测定市场中的应用可包括3D模型和iPSC。基于支架的3D模型以及iPSC市场的分化和分析细分领域可以是用于以微流体启用式形式实施的重要应用。基于支架的3D模型可以是3D培养市场空间中的重要应用。细胞分析和分化子细分领域可以是iPSC空间中的重要应用。
对本文所述方案、特别是关于广泛的基于细胞的测定的需求不断增长，可能是由以下驱使：研发支出增加；与其他方法相比，基于细胞的测定具有日益增长的益处；在药物发现中越来越多地采用基于细胞的测定，以及与基于细胞的测定兼容的自动化和高通量技术的进步2,10。基于细胞的测定在药物发现中的增长很大程度上是由于它们成为生化筛选的更相关替代方案2,10。此外，对于体外毒理学测试的基于细胞的测定市场，对本文所述方案的需求可能迅速地不断增长，这可能是由对体外方法相对于体内研究而言的接受程度日益提高所驱使。此外，政府用新的有前景的技术取代动物测试的举措和监管压力正在激励这一细分领域的增长7。
我们提出的智能板的一项应用是在药物发现中多种应用的实验室分析组中进行基于细胞的测定。我们领会到我们的设备在体外诊断的邻近应用细分领域中也可能具有应用。
转换成本
与采用另外的或替代的消耗品提供者相关联的转换成本主要与实施新设备并将现有测定重新配置为新的消耗品形式的成本相关联。我们认为，我们的设备可符合96孔板的尺寸这一事实大大缓解了这一障碍，所述96孔板的尺寸已被生命科学研究人员广泛用作主要消耗品。此外，我们认为，使板具有包括微流体和传感器功能在内的附加功能远远超过任何知晓的其余转换成本。我们认为与从竞争对手产品的转换相关联的转换成本相对较低，因为Fluidigm Callisto或CellAsic Onix系统都没有特别良好确立，并且我们的产品与他们的供给品有很大差异。
产品差异化
本文描述的方案和产品将自己与已知方案清晰地区分开。本文所述的方案和产品优先考虑直接符合客户需求的特征。
3.2.6竞争格局和智能板优势
我们通过以下方式鉴别这些竞争对手：研究市场文献，审查公司报告、网站和目录，以及通过会见客户，以得到每个竞争对手的规模、位置、收入、主要公司活动、关键服务和主要客户的详细介绍。
根据我们的分析，与竞争产品相比，我们的智能板平台的某些区别性优势在于：(1)它与成像仪器兼容以及适合于将来并入成像功能；(2)微环境控制与监测以及与汇合度监测兼容；和(3)高密度96孔形式，其大大超过了任何其他可商购设备上的孔数量。
因此，智能板在以下方面具有几个显著的优势：(1)与现有产品相比，功能有改进且新；(2)应用方案被明确定义且经过验证，和(3)具有比竞争设备更具成本效益的价格点。总而言之，我们认为稀少构成的竞争格局以及我们的智能板与现有产品相比的显著差异为智能板满足客户需求提供了令人振奋的机会。
表3总结了针对我们的智能板平台的根据一些实施方案的产品开发技术。我们可通过开发实现广泛通用功能(例如初始为长期常规2D细胞培养)以及一套相关应用(我们将为所述相关应用开发SOP)的智能板模块，采取应用为中心的途径来开发产品。因此，板和相关应用SOP为我们的产品开发策略奠定了基础。随后开发的功能需要相继升级不同的智能板模块功能，以实现相继更具挑战性的功能和应用，例如：将我们的基本微流体启用式2D培养基底升级为专用基底，以实现长期的复杂2D细胞培养功能。此产品开发概念可以在应用开发的历程中进一步开发和验证。本文所述的智能板可与以下兼容和/或可包括以下：控制盒，可重复使用的传感器模块，以及包括半可重复使用的气动激活层(在玻璃中制造并因此可高压灭菌)和一次性微流体基底的微流体模块。
Figure GDA0004080381780000911
Figure GDA0004080381780000921
表3：以应用为中心的4期产品开发技术始于智能板模块的开发，以实现(1)常规2D培养功能和相关应用的开发。通过逐步升级相关的智能板模块(粗体)并开发相关联的应用SOP，可以实现下游功能(2-4)。
4工作陈述
I背景信息和目标
A.背景信息
在药物发现中，先进的基于细胞的疾病模型和长期活细胞分析的使用正在迅速增加。将这些细胞系统维持在行业标准多孔板中通常依赖于重复的繁琐且耗时的目视检查和手动培养基更换。因此，需要能够在几周的时间段内对多孔板中的细胞培养物进行高效监测和操作的新途径。我们通过交付多孔智能板满足了此需求，所述多孔智能板在集成设备中实现基于板的微环境参数感测和自动化微流体启用式培养基更换及灌注功能，所述多孔智能板的占位大小和孔定位符合ANSI/SLAS微板标准。
B.II期技术目标
技术目标1：开发初始智能板原型概念和要求
技术目标2：鉴定、测试和验证智能板应用
技术目标3：指定、构建和测试所有智能板原型子系统
技术目标4：智能板原型系统集成
技术目标5：智能板原型制造和测试
技术目标6：智能板产品制造中试
技术目标7：智能板产品的现场测试
预期的最终结果：
提供了多孔智能板原型并完成了中试制造运行。
技术目标1：开发初始智能板原型概念和要求
在TO1中，我们将开发初始智能板原型概念和要求，所述概念和要求将从我们的实验数据、用户反馈和市场研究结果中获得信息。
任务
任务1.1概念验证设备中的细胞实验
我们将在我们的概念验证2x3微流体阵列中为成功培养细胞2周建立可靠的方案。
任务1.2初始产品系统要求
我们将细化和记录我们的设备的预期用途和基本的最高要求。
任务1.3初始产品概念设计
我们将开发并记录将满足任务1.2中鉴定的要求的一种或多种详细概念设计。
任务1.4指定OEM部件并鉴定定制部件需求
我们将编写一份材料清单，其中包含构建原型智能板所需的OEM和定制部件。
技术目标2：鉴定、测试和验证智能板应用
此技术目标的主要重点在于针对特定于应用的系统要求以及对关键参数的评价，以实现基于细胞的测定应用。
任务2.1鉴定智能板应用和确定智能板应用的优先级
我们将基于当前设计以及系统特征和市场研究数据，为智能板原型定义和鉴定潜在的应用。
任务2.2在智能板原型上的应用测试
我们将在我们的智能板原型中测试T2.1中鉴定的应用。
技术目标3：指定、构建和测试所有智能板原型子系统
此TO的主要目的是将部件和子系统表征和鉴定为符合我们先前记录的系统要求和概念。
任务
任务3.1设计定制部件
对于缺少OEM和现成部件的那些特征，我们将设计定制的子部件。
任务3.2编写初始规格以满足系统要求并征求用户反馈
我们将为每个子部件准备详细的规格数据表，并提供其性能估计和限制。
任务3.3测试OEM部件；构建和测试定制部件
我们将订购用于单独系统的OEM和现成零件，订购、组装和测试子部件。
任务3.4子系统构建和测试
我们将把OEM和定制部件组装到子系统中并进行测试。
技术目标4：智能板原型系统集成
在此技术目标中，我们将严格测试和表征TO5中内置的子系统，并使用优先部件作为2种候选原型系统设计的基础。
任务
任务4.1原型系统设计x2
使用优先子系统设计2种候选原型。
任务4.2机械布局x2
基于系统要求和各个子系统的特征，定义子系统及其接口的物理关系。
任务4.3详细机械设计
给定完整的机械布局的情况下，进行足以构建原型的详细机械设计和机电一体化设计。
任务4.4电气设计x2
给定TO4.1中定义的系统设计的情况下，进行原理图级的电气设计和试验板测试。
技术目标5：智能板原型制造和测试
我们将构建和测试两种原型，并选择一种原型设计进行制造。选定的设计将经历可制造性设计(DFM)阶段，其中将完成设计包，以准备进行中试制造运行。
任务5.1制造前2种原型设计
我们将制造少量个(每种多至10个)这2种原型。
任务5.2重复在原型系统上的测试方案
我们将测试原型，以确认是否符合要求并发现优点和缺点。任务5.3阿尔法测试(用户)
我们将邀请并选择用户使用我们将开发的详细方案来测试我们的原型。
任务5.4进一步选择
在分析了阿尔法测试和其他并行内部测试的结果之后，我们将优先考虑单个原型设计以用于制造。
任务5.5用于制造的最终产品设计
改编系统设计以适应所选的部件生产制造方法，并将所选的子系统集成到最终的可制造设计中。
技术目标6：智能板产品制造中试
我们将与合同制造商合作，以便为制造人员细化我们的设计，然后完成中试制造运行，伴随将产品存仓并运送到现场测试地点。
任务
任务6.2执行智能板制造中试
只要有可能，仅使用最终意向的生产方法即可生产多至100个智能板单元。
任务6.3将产品直接运送到现场测试地点
使用存仓和订单履行方法，将生产意向单元交付到测试地点进行评价。
技术目标7：智能板产品的现场测试
我们将开发标准现场测试方案，并将其提供给将在其实验室中测试我们的设备的现场测试人员。对从这些测试中收集的数据进行分析。
任务7.1定义现场测试方案
我们将开发应用方案和设备用户手册，以在我们的设备进行现场测试期间指导用户。
任务7.2进行现场测试
选定的用户将在其实验室中对所述设备进行现场测试。
任务7.3现场测试数据分析
对从现场测试中收集的数据和经验进行分析，并对整体系统性能进行调查。
以下是某些实施方案的列举清单。在一些实施方案中，以下任何一个或多个实施方案的特征中的任何一种或多种可以与任何一个或多个其他实施方案组合，即使实施方案的依存关系未明确表明实施方案可以组合也如此。
1.一种用于对细胞培养的流体进行微流体控制的微流体启用式多孔设备，其包括：
微流体模块，所述微流体模块包括孔层、流体通道层和气动层，传感器模块，所述传感器模块包括一个或多个传感器，所述一个或多个传感器被配置为检测关于所述微流体模块内部的环境的数据；以及
一个或多个处理器；以及
储存指令的存储器，所述指令被配置为由所述一个或多个处理器执行，以使所述多孔设备执行细胞培养过程，包括：
接收从所述一个或多个传感器收集的关于所述微流体模块内部的环境的数据；以及
至少部分地基于所接收的数据，使流体流动到所述多孔设备中的可单独寻址的孔中。
2.根据实施方案1所述的微流体启用式多孔设备，其中所述微流体启用式多孔设备还包括基底层。
3.根据实施方案1-2中任一项所述的微流体启用式多孔设备，其中所述气动层包括气动选孔层和气动控制层。
4.根据实施方案1-3中任一项所述的系统，其中所述微流体模块包括脱气器层，所述脱气器层包括多个特定于孔的脱气器，每个特定于孔的脱气器被配置为从所述孔层中的特定孔去除气泡。
5.根据实施方案4所述的系统，其中所述微流体模块包括在所述孔层与所述脱气器层之间的透气型脱气器膜。
6.根据实施方案4-5中任一项所述的系统，其中所述微流体模块包括脱气器控制层，所述脱气器控制层包括气动地联接至一个或多个所述特定于孔的脱气器的多个气动通道。
7.根据实施方案4-6中任一项所述的系统，其中所述微流体模块包括全局脱气器，所述全局脱气器被配置为从流体通道去除气泡，所述流体通道被配置为将流体递送至所述孔层的两个或更多个所述孔中。
8.根据实施方案1-7中任一项所述的微流体启用式多孔设备，其还包括控制模块。
9.根据实施方案8所述的微流体启用式多孔设备，其中所述控制模块中包括所述一个或多个处理器中的至少一个。
10.根据实施方案1-9中任一项所述的微流体启用式多孔设备，其中：
所述微流体模块包括多个泵；以及
使流体流动到所述多孔设备中的单独孔中包括致动所述多个泵中的一个或多个。
11.根据实施方案10所述的微流体启用式多孔设备，其中所述多个泵包括注射驱动泵、微型隔膜泵、具有门垫阀几何形状的气动微型泵、或具有提升式闸阀几何形状的气动微型泵中的一种或多种。
12.根据实施方案1-11中任一项所述的微流体启用式多孔设备，其中所述多孔设备包括集成到所述多孔设备的微流体模块中的一个或多个微流体模块传感器，其中所述一个或多个微流体模块传感器被配置为检测所述微流体模块内部的环境参数的特征。
13.根据实施方案1-12中任一项所述的微流体启用式多孔设备，其中所述传感器层包括一个或多个传感器，所述一个或多个传感器被配置为检测所述多孔设备周围的环境的外部特征。
14.根据实施方案1-13中任一项所述的微流体启用式多孔设备，其中所述指令被配置为由所述一个或多个处理器执行，以使所述设备在所述存储器中存储从所述一个或多个传感器收集的关于所述微流体模块内部的环境的数据。
15.根据实施方案1-14中任一项所述的微流体启用式多孔设备，其中所述指令被配置为由所述一个或多个处理器执行，以使所述设备将从所述一个或多个传感器收集的关于所述微流体模块内部的环境的数据传输到远程计算设备以进行存储。
16.根据实施方案1-15中任一项所述的微流体启用式多孔设备，其中所述指令被配置为由所述一个或多个处理器执行以使所述设备：
传输显示图形用户界面的指令；
检测由所述设备的用户通过所述图形用户界面执行的输入；以及
响应于检测到所述输入，使流体流动到所述多孔设备的由用户指示的单独孔中。
17.根据实施方案1-16中任一项所述的微流体启用式多孔设备，其中所述多孔设备的占位大小符合一种或多种SBS/ANSI多孔板标准。
18.根据实施方案1-17中任一项所述的微流体启用式多孔设备，其中所述多孔设备与行业标准实验室板读取设备和行业标准自动化设备中的一个兼容。
19.根据实施方案1-18中任一项所述的微流体启用式多孔设备，其中所述微流体模块和所述传感器模块中的一个或多个被配置为可重复用于多种细胞培养程序。
20.根据实施方案1-19中任一项所述的微流体启用式多孔设备，其中所述微流体模块和所述传感器模块中的一个或多个被配置为可从所述多孔设备移除。
21.根据实施方案1-20中任一项所述的微流体启用式多孔设备，其中所述微流体模块和所述传感器模块中的一个或多个被配置为在第一细胞培养程序之后可从所述多孔设备移除，以在第二细胞培养程序之前被另一种组分替代。
22.根据实施方案1-21中任一项所述的微流体启用式多孔设备，其中所述孔层被配置为可从所述微流体模块移除。
23.根据实施方案1-22中任一项所述的微流体启用式多孔设备，其中所述孔层被配置为在第一细胞培养程序之后可从所述微流体模块移除，以在第二细胞培养程序之前被另一种组分替代。
24.根据实施方案1-23中任一项所述的微流体启用式多孔设备，其中所述孔层包括玻璃、环烯烃共聚物、塑料或PDMS中的一种或多种。
25.根据实施方案1-24中任一项所述的微流体启用式多孔设备，其中所述孔层的涂层包括聚赖氨酸、纤连蛋白或基质胶中的一种或多种。
26.根据实施方案1-25中任一项所述的微流体启用式多孔设备，其中所述孔层被微图案化。
27.根据实施方案1-26中任一项所述的微流体启用式多孔设备，其中所述孔层的厚度、材料、微图案化、涂层和几何构型中的一种或多种被配置用于显微成像。
28.根据实施方案1-27中任一项所述的微流体启用式多孔设备，其中所述孔层的材料、微图案化、涂层和几何构型中的一种或多种被配置用于贴壁细胞的2D培养。
29.根据实施方案1-28中任一项所述的微流体启用式多孔设备，其中所述孔层的材料、微图案化、涂层和几何构型中的一种或多种被配置用于多于一种类型的贴壁细胞的共培养。
30.根据实施方案1-29中任一项所述的微流体启用式多孔设备，其中所述孔层的材料、微图案化、涂层和几何构型中的一种或多种被配置用于贴壁细胞与其他细胞类型的共培养。
31.根据实施方案1-30中任一项所述的微流体启用式多孔设备，其中所述孔层的材料、微图案化、涂层和几何构型中的一种或多种被配置用于悬浮细胞的培养。
32.根据实施方案1-31中任一项所述的微流体启用式多孔设备，其中所述孔层的材料、微图案化、涂层和几何构型中的一种或多种被配置为用于3D培养模型的培养。
33.根据实施方案32所述的微流体启用式多孔设备，其中所述3D模型包括肿瘤球体、类器官、血管网络、生物打印的3D组织模型、和iPSC衍生的3D组织模型中的一种或多种。
34.根据实施方案1-33中任一项所述的微流体启用式多孔设备，其中所述孔层的材料、微图案化、涂层和几何构型中的一种或多种被配置用于培养永生化细胞、iPSC、iPSC衍生的细胞、或原代细胞中的一种或多种。
35.根据实施方案1-34中任一项所述的微流体启用式多孔设备，其中所述指令被配置为由所述一个或多个处理器执行，以使多孔设备控制用于所述细胞培养过程的液体持续至少24小时。
36.根据实施方案1-35中任一项所述的微流体启用式多孔设备，其中使流体流动到可单独寻址的孔包括致动阀并关联所述气动层的一部分的位移。
37.根据实施方案1-36中任一项所述的微流体启用式多孔设备，其中所述指令被配置为由所述一个或多个处理器执行，以使所述多孔设备根据针对以下中的一种或多种预定义的程序将营养物、试剂和培养基中的一种或多种灌注到所述多孔设备中的多个可单独寻址的孔中：贴壁细胞的2D培养，多于一种类型的贴壁细胞的共培养，贴壁细胞与其他细胞类型的共培养，悬浮细胞的培养，3D培养模型的培养，永生化细胞的培养，iPSC的培养，iPSC衍生的细胞的培养，或原代细胞的培养。
38.根据实施方案1-37中任一项所述的微流体启用式多孔设备，其中所述微流体模块包括直径小于1000μm的一个或多个通道。
39.根据实施方案1-38中任一项所述的微流体启用式多孔设备，其中所述微流体模块的一个或多个微型泵被配置为每个泵冲程泵送小于500nL的体积。
40.根据实施方案1-39中任一项所述的微流体启用式多孔设备，其包括96个或更多个可单独寻址的孔的阵列。
41.根据实施方案1-40中任一项所述的微流体启用式多孔设备，其中所述指令被配置为由所述一个或多个处理器执行，以使所述微流体模块引起细胞培养基的自动更换。
42.根据实施方案1-41中任一项所述的微流体启用式多孔设备，其中所述指令被配置为由所述一个或多个处理器执行，以使所述微流体模块引起对培养细胞的自动胰蛋白酶消化。
43.根据实施方案1-42中任一项所述的微流体启用式多孔设备，其中所述指令被配置为由所述一个或多个处理器执行，以使所述微流体模块引起细胞的自动传代。
44.根据实施方案1-43中任一项所述的微流体启用式多孔设备，其中所述指令被配置为由所述一个或多个处理器执行，以使所述设备在所述多孔设备中执行基于细胞的自动化测定和方案。
45.根据实施方案44所述的微流体启用式多孔设备，其中所述指令被配置为由所述一个或多个处理器执行，以使所述设备在执行所述测定期间监测所述测定持续至少24小时的时间段。
46.根据实施方案44-45中任一项所述的微流体启用式多孔设备，其中执行所述测定包括使一种或多种化合物自动添加至细胞。
47.根据实施方案44-46中任一项所述的微流体启用式多孔设备，其中所述测定是克隆形成测定。
48.根据实施方案44-47中任一项所述的微流体启用式多孔设备，其中所述方案是转染方案。
49.根据实施方案44-48中任一项所述的微流体启用式多孔设备，其中所述方案包括对细胞进行重编程以诱导多能性。
50.根据实施方案44-49中任一项所述的微流体启用式多孔设备，其中所述方案是使多能细胞分化的方案。
51.根据实施方案44-50中任一项所述的微流体启用式多孔设备，其中所述测定是以下中的一种：基于细胞的高通量测定，存活测定，病毒传代测定，肿瘤学以外的克隆形成测定，T细胞克隆，用以评价治疗抗性的测定，或用以评价治疗抗性演变的测定。
52.根据实施方案44-51中任一项所述的微流体启用式多孔设备，其中所述测定包括显微镜测量。
53.根据实施方案44-52中任一项所述的微流体启用式多孔设备，其中所述测定的细胞包括永生化细胞、原代细胞、多能细胞、多能细胞衍生的细胞、贴壁细胞或悬浮细胞中的一种或多种。
54.根据实施方案44-53中任一项所述的微流体启用式多孔设备，其中所述测定的细胞衍生自临床样品。
55.根据实施方案44-54中任一项所述的微流体启用式多孔设备，其中经受测定的细胞包括3D培养模型、类器官模型和共培养模型中的一种或多种。
56.根据实施方案44-55中任一项所述的微流体启用式多孔设备，其中经受测定的细胞包括报告细胞。
57.根据实施方案44-56中任一项所述的微流体启用式多孔设备，其中经受测定的细胞包括排列在所述设备中的细胞文库。
58.根据实施方案44-57中任一项所述的微流体启用式多孔设备，其中在没有组织培养箱的情况下进行所述测定和方案。
59.根据实施方案44-58中任一项所述的微流体启用式多孔设备，其中在实验室环境中进行所述测定和方案。
60.根据实施方案44-59中任一项所述的微流体启用式多孔设备，其中在现场位置、护理点位置和药房中的一个中进行测定和方案。
61.根据实施方案1-60中任一项所述的微流体启用式多孔设备，其中在没有组织培养箱的情况下进行细胞培养。
62.根据实施方案1-61中任一项所述的微流体启用式多孔设备，其中在实验室环境中进行细胞培养。
63.根据实施方案1-62中任一项所述的微流体启用式多孔设备，其中在现场位置、护理点和药房中的一个或多个中进行细胞培养。
64.根据实施方案1-63中任一项所述的微流体启用式多孔设备，其中孔层包含冷冻保存的细胞，所述冷冻保存的细胞在细胞培养期间解冻。
65.根据实施方案1-64中任一项所述的微流体启用式多孔设备，其中所述指令被配置为由所述一个或多个处理器执行以使所述设备：
根据接收到从所述一个或多个传感器收集的关于所述微流体模块内部的环境的数据，控制所述微流体模块内部的环境的一种或多种参数，
其中所述一种或多种参数包括以下中的一种或多种：温度、压力、pH、湿度、CO2、O2、汇合度、流体流量、碱度、输入流体温度、输出流体温度或环境光强度。
66.根据实施方案1-65中任一项所述的微流体启用式多孔设备，其中所述指令被配置为由所述一个或多个处理器执行以使所述设备：
通过所述传感器模块监测所述多孔设备周围的环境的一种或多种参数；
将关于监测所述多孔设备周围的环境的参数的数据存储在所述设备的计算机储存器上；以及
将所存储的关于监测所述多孔设备周围的环境的参数的数据无线传输给用户。
67.根据实施方案1-66中任一项所述的微流体启用式多孔设备，其中所述指令被配置为由所述一个或多个处理器执行以使所述设备：
通过所述传感器模块监测所述多孔设备周围的环境的一种或多种参数；
根据监测一种或多种环境参数，调整所述微流体模块内部的环境的一种或多种参数。
68.根据实施方案1-67中任一项所述的微流体启用式多孔设备，其中：
所述孔层包括被布置成多个行的第一多个孔；
所述流体通道层包括第一输入通道和第一输出通道，所述第一输入通道和所述第一输出通道均对应于所述多个行中的第一行；
所述流体通道层包括第二输入通道和第二输出通道，所述第二输入通道和所述第二输出通道均对应于所述多个行中的第二行；
所述第一行的两个孔通过第一多个对应输入阀可单独流体地连接至所述第一输入通道；
所述第一行的所述两个孔通过第一多个对应输出阀可单独流体地连接至所述第一输出通道；
所述第二行的所述两个孔通过第二多个对应输入阀可单独流体地连接至所述第二输入通道；
所述第二行的所述两个孔通过第二多个对应输出阀可单独流体地连接至所述第二输出通道。
69.根据实施方案68所述的微流体启用式多孔设备，其中：
所述第一输入通道通过第一通道输入阀可流体地连接至共同输入通道；
所述第一输出通道通过第一通道输出阀可流体地连接至共同输出通道；
所述第二输入通道通过第二通道输入阀可流体地连接至共同输入通道；
所述第二输出通道通过第二通道输出阀可流体地连接至共同输出通道。
70.根据实施方案69所述的微流体启用式多孔设备，其中使流体流动到所述多孔设备中的可单独寻址的孔包括：
打开所述第一通道输入阀和所述第一通道输出，以允许流入所述第一输出通道和从所述第一输出通道流出；
打开所述第一多个输入阀中的一个和第一多个输出阀中的一个，以允许流入所述可单独寻址的孔和从所述可单独寻址的孔流出。
71.根据实施方案68-70中任一项所述的微流体启用式多孔设备，其中微型泵被配置为提供真空力，以选择性地使流体流过所述第一行的所述两个孔和所述第二行的所述两个孔中的任何单独孔。
72.根据实施方案71所述的微流体启用式多孔设备，其中所述微型泵在所述共同输出通道的下游。
73.根据实施方案1-72中任一项所述的微流体启用式多孔设备，其中所述设备被配置为由对接部件接收。
74.根据实施方案73所述的微流体启用式多孔设备，其中所述设备被配置为流体地联接至所述对接部件。
75.根据实施方案73-74中任一项所述的微流体启用式多孔设备，其中所述设备被配置为气动地联接至所述对接部件。
76.根据实施方案73-75中任一项所述的微流体启用式多孔设备，其中所述设备被配置为电子通信地联接至所述对接部件。
77.一种用于对细胞培养的流体进行微流体控制的系统，其包括：
根据实施方案1-76中任一项所述的微流体启用式多孔设备；和
对接部件，所述对接部件被配置为接收所述多孔设备并流体地联接至所述多孔设备。
78.根据实施方案77所述的系统，其中所述对接部件被配置为气动地联接至所述设备。
79.根据实施方案77-78中任一项所述的系统，其中所述对接部件被配置为电子通信地联接至所述设备。
80.根据实施方案77-79中任一项所述的系统，其中所述对接部件包括桌面对接站。
81.根据实施方案77-80中任一项所述的系统，其中所述对接部件包括便携式对接模块，所述便携式对接模块被配置为在将所述便携式对接模块插入板读取仪或显微镜台中的一个或多个中时实现所述多孔设备的操作。
82.根据实施方案77-81中任一项所述的系统，其中所述对接部件包括被配置为显示图形用户界面的显示器。
83.根据实施方案77-82中任一项所述的系统，其中所述对接部件包括用户输入设备，所述用户输入设备被配置为接收包括指令的用户输入。
84.根据实施方案77-83中任一项所述的系统，其包括喷墨式输入储器系统，所述喷墨式输入储器系统被配置为流体地联接至所述多孔设备并且向所述多孔设备供应培养基、细胞悬浮液和试剂中的一种或多种。
85.根据实施方案77-84中任一项所述的系统，其包括：输出储器，所述输出储器被配置为流体地联接至所述多孔设备，并且从所述多孔设备接收培养基、细胞悬浮液和试剂中的一种或多种的流。
86.根据实施方案77-85中任一项所述的系统，其包括被配置为附接到储器或真空管线中的一种或多种的歧管。
87.一种用于对细胞培养的流体进行微流体控制的方法，其包括：
在微流体启用式多孔设备处，所述微流体启用式多孔设备包括微流体模块，所述微流体模块包括孔层、流体通道层和气动层；传感器模块，所述传感器模块包括一个或多个传感器，所述一个或多个传感器被配置为检测关于所述微流体模块内部的环境的数据：
接收从所述一个或多个传感器收集的关于所述微流体模块内部的环境的数据；以及
至少部分地基于所接收的数据，使流体流动到所述多孔设备中的可单独寻址的孔中。
88.根据实施方案87所述的方法，其包括在所述微流体启用式多孔设备处，存储从所述一个或多个传感器收集的关于所述微流体模块内部的环境的数据。
89.根据实施方案87-88中任一项所述的方法，其包括在所述微流体启用式多孔设备处，将从所述一个或多个传感器收集的关于所述微流体模块内部的环境的数据传输到远程计算设备以进行存储。
90.根据实施方案87-89中任一项所述的方法，其包括在所述微流体启用式多孔设备处：
传输显示图形用户界面的指令；
检测由所述设备的用户通过所述图形用户界面执行的输入；以及
响应于检测到所述输入，使流体流动到所述多孔设备的由用户指示的单独孔中。
91.根据实施方案87-90中任一项所述的方法，其包括在所述微流体启用式多孔设备处，控制用于所述细胞培养过程的流体持续至少24小时。
92.根据实施方案87-91中任一项所述的方法，其中使流体流动到可单独寻址的孔包括致动阀并关联所述气动层的一部分的位移。
93.根据实施方案87-92中任一项所述的方法，其包括在所述微流体启用式多孔设备处：
根据接收到从所述一个或多个传感器收集的关于所述微流体模块内部的环境的数据，控制所述微流体模块内部的环境的一种或多种参数，
其中所述一种或多种参数包括以下中的一种或多种：温度、压力、pH、湿度、CO2、O2、汇合度、流体流量、碱度、输入流体温度、输出流体温度或环境光强度。
94.根据实施方案87-93中任一项所述的方法，其包括在所述微流体启用式多孔设备处：
通过所述传感器模块监测所述多孔设备周围的环境的一种或多种参数；
将关于监测所述多孔设备周围的环境的参数的数据存储在所述设备的计算机储存器上；以及
将所存储的关于监测所述多孔设备周围的环境的参数的数据无线传输给用户。
95.根据实施方案87-94中任一项所述的方法，其包括在所述微流体启用式多孔设备处：
通过所述传感器模块监测所述多孔设备周围的环境的一种或多种参数；
根据监测一种或多种环境参数，调整所述微流体模块内部的环境的一种或多种参数。
96.根据实施方案87-95中任一项所述的方法，其中：
所述孔层包括被布置成多个行的第一多个孔；
所述流体通道层包括第一输入通道和第一输出通道，所述第一输入通道和所述第一输出通道均对应于所述多个行中的第一行；
所述流体通道层包括第二输入通道和第二输出通道，所述第二输入通道和所述第二输出通道均对应于所述多个行中的第二行；
所述第一行的两个孔通过第一多个对应输入阀可单独流体地连接至所述第一输入通道；
所述第一行的所述两个孔通过第一多个对应输出阀可单独流体地连接至所述第一输出通道；
所述第二行的所述两个孔通过第二多个对应输入阀可单独流体地连接至所述第二输入通道；
所述第二行的所述两个孔通过第二多个对应输出阀可单独流体地连接至所述第二输出通道；
所述第一输入通道通过第一通道输入阀可流体地连接至共同输入通道；
所述第一输出通道通过第一通道输出阀可流体地连接至共同输出通道；
所述第二输入通道通过第二通道输入阀可流体地连接至共同输入通道；
所述第二输出通道通过第二通道输出阀可流体地连接至共同输出通道；
使流体流动到在所述多孔设备中的可单独寻址的孔包括：
打开所述第一通道输入阀和所述第一通道输出，以允许流入所述第一输出通道和从所述第一输出通道流出；以及
打开所述第一多个输入阀中的一个和第一多个输出阀中的一个，以允许流入所述可单独寻址的孔和从所述可单独寻址的孔流出。
97.一种具有闭环微环境监测和控制的微流体启用式多孔设备，所述设备包括：
基底模块层；
微流体模块层；和
传感器模块层；
98.根据实施方案97所述的设备，其中所述基底模块层是一次性的。
99.根据实施方案97-98中任一项所述的设备，其中所述微流体模块层是可重复使用的或一次性的。
100.根据实施方案97-99中任一项所述的设备，其中所述传感器模块层是可重复使用的。
101.根据实施方案97-100中任一项所述的设备，其中所述基底模块层、所述微流体模块层和所述传感器模块层中的一个或多个被配置为可从所述设备移除以由不同的层替代。
102.根据实施方案97-101中任一项所述的设备，其中所述基底模块包括玻璃和环烯烃共聚物中的一种或多种。
103.根据实施方案97-102中任一项所述的设备，其中所述基底模块的厚度、材料、微图案化、涂层和几何构型中的一种或多种被配置用于显微成像。
104.根据实施方案97-103中任一项所述的设备，其中所述基底模块的材料、微图案化、涂层和几何构型中的一种或多种被配置用于贴壁细胞的2D培养。
105.根据实施方案97-104中任一项所述的设备，其中所述基底模块的材料、微图案化、涂层和几何构型中的一种或多种被配置用于多于一种类型的贴壁细胞的共培养。
106.根据实施方案97-105中任一项所述的设备，其中所述基底模块的材料、微图案化、涂层和几何构型中的一种或多种被配置用于贴壁细胞与其他细胞类型的共培养。
107.根据实施方案97-106中任一项所述的设备，其中所述基底模块的材料、微图案化、涂层和几何构型中的一种或多种被配置用于悬浮细胞的培养。
108.根据实施方案97-107中任一项所述的设备，其中所述基底模块的材料、微图案化、涂层和几何构型中的一种或多种被配置用于3D培养模型的培养。
109.根据实施方案108所述的设备，其中所述3D模型包括肿瘤球体、类器官、血管网络、生物打印的3D组织模型、和iPSC衍生的3D组织模型中的一种或多种。
110.根据实施方案97-109中任一项所述的设备，其中所述基底模块的材料、微图案化、涂层和几何构型中的一种或多种被配置用于永生化细胞、iPSC、iPSC衍生的细胞、和原代细胞培养中的一种或多种。
111.根据实施方案97-110中任一项所述的设备，其中所述微流体模块包括直径范围为10-1000μm的一个或多个通道。
112.根据实施方案97-111中任一项所述的设备，其中所述微流体模块包括一个或多个微型泵，所述一个或多个微型泵被配置为每个泵冲程泵送范围为10-500nl的体积。
113.根据实施方案97-112中任一项所述的设备，其中所述微流体模块包括泵几何结构，所述泵几何结构包括以下中的一种或多种：注射驱动泵、微型隔膜泵、和具有门垫或提升式闸阀几何形状的气动微型泵。
114.根据实施方案97-113中任一项所述的设备，其中所述传感器模块应用校准信息并控制微环境参数，所述微环境参数包括以下中的一种或多种：温度、pH、湿度、CO2、O2、汇合度、流体流量、输入流体温度、输出流体温度、微流体/基底层的可视化2D/3D梯度热图、环境光强度。
115.根据实施方案97-114中任一项所述的设备，其中所述传感器模块收集微环境数据以进行本地存储。
116.根据实施方案97-115中任一项所述的设备，其中所述传感器模块无线地传输测量值，用于远程或本地用户交互。
117.根据实施方案97-116中任一项所述的设备，其中所述基底模块被微图案化。
118.根据实施方案97-117中任一项所述的设备，其中所述基底模块的涂层包括聚赖氨酸、纤连蛋白中的一种或多种。
119.根据实施方案97-118中任一项所述的设备，其中所述设备包括多至96个孔。
120.根据实施方案97-119中任一项所述的设备，其中所述设备包括多于96个孔。
121.根据实施方案97-120中任一项所述的设备，其中所述设备的占位大小符合一种或多种SBS/ANSI多孔板标准，并且与多种行业标准实验室板读取和自动化设备和装置兼容。
122.一种执行和监测自动化细胞培养的方法，其包括：
监测多孔微流体启用式设备中的一种或多种细胞持续至少24小时的时间段，其中所述一种或多种细胞包括永生化细胞、原代细胞、多能细胞、多能细胞衍生的细胞、3D模型、类器官和共培养中的一种或多种。
123.根据实施方案122所述的方法，其中所述自动化细胞培养过程包括将曾在根据实施方案97-121中任一项所述的设备中冷冻保存的细胞解冻。
124.根据实施方案122-123中任一项所述的方法，其中所述多孔微流体启用式设备被配置用于闭环微环境监测和控制，并包括基底模块层、微流体模块层和传感器模块层。
125.根据实施方案124所述的方法，其包括：
由所述传感器模块监测一种或多种环境参数；
在所述设备的计算机储存器上存储关于所述监测的数据；和
将所述数据无线传输给用户。
126.根据实施方案125所述的方法，其包括根据监测一种或多种环境参数，调节细胞微环境的一种或多种参数。
127.根据实施方案125-126中任一项所述的方法，其中所述一种或多种参数包括温度。
128.根据实施方案125-127中任一项所述的方法，其中所述一种或多种参数包括酸度和/或碱度。
129.根据实施方案125-128中任一项所述的方法，其中所述一种或多种参数包括细胞汇合度。
130.根据实施方案124-129中任一项所述的方法，其包括由所述微流体模块执行细胞培养基的自动更换。
131.根据实施方案124-130中任一项所述的方法，其包括由所述微流体模块执行培养细胞的自动胰蛋白酶消化。
132.根据实施方案124-131中任一项所述的方法，其包括由所述微流体模块执行细胞的自动传代。
133.一种方法，其包括：
在多孔微流体启用式设备中执行基于细胞的自动化测定和方案持续至少24小时的时间段；和
在所述多孔微流体启用式设备中监测基于细胞的自动化测定和方案持续至少24小时的时间段。
134.根据实施方案133所述的方法，其中所述测定需要向细胞自动添加一种或多种化合物。
135.根据实施方案133-134中任一项所述的方法，其中所述测定是克隆形成测定。
136.根据实施方案133-135中任一项所述的方法，其中所述方案是转染方案。
137.根据实施方案133-136中任一项所述的方法，其中所述方案包括对细胞进行重编程以诱导多能性。
138.根据实施方案133-137中任一项所述的方法，其中所述方案是使多能细胞分化的方案。
139.根据实施方案133-138中任一项所述的方法，其中所述测定是以下中的一种：基于细胞的高通量测定，存活测定，病毒传代测定，肿瘤学以外的克隆形成测定，T细胞克隆，用以评价治疗抗性的测定，或用以评价治疗抗性演变的测定。
140.根据实施方案133-139中任一项所述的方法，其中所述测定包括显微镜测量。
141.根据实施方案133-140中任一项所述的方法，其中所述细胞包括永生化细胞、原代细胞、多能细胞、多能细胞衍生的细胞、贴壁细胞、悬浮细胞中的一种或多种。
142.根据实施方案133-141中任一项所述的方法，其中所述细胞衍生自临床样品。
143.根据实施方案133-142中任一项所述的方法，其中所测定的细胞包括3D培养模型、类器官模型和共培养模型中的一种或多种。
144.根据实施方案133-143中任一项所述的方法，其中所测定的细胞是报告细胞。
145.根据实施方案133-144中任一项所述的方法，其中所测定的细胞是排列在所述设备中的细胞文库。
146.根据实施方案122-145中任一项所述的方法，其中在没有组织培养箱的情况下进行所述细胞培养、测定和方案中的至少一种。
147.根据实施方案122-146中任一项所述的方法，其中在标准实验室环境中进行所述细胞培养、测定或方案中的至少一种。
148.根据实施方案122-147中任一项所述的方法，其中在现场位置、护理点和药房中的一个或多个中进行所述细胞培养、测定或方案中的至少一种。
149.一种对接站，其被配置为容纳根据实施方案97-121中任一项所述的设备。
150.一种喷墨式输入储器，其被配置为向根据实施方案97-121中任一项所述的设备供应培养基和试剂中的一种或多种。
151.一种输出储器，其被配置为从根据实施方案97-121中任一项所述的设备收集分析物。
152.一种歧管，其被配置为将根据实施方案97-121中任一项所述的设备连接到储器、真空管线和其他仪器中的一种或多种上。
153.一种便携式歧管连接器/对接模块，用以在将根据实施方案97-121中任一项所述的设备插入标准实验室设备例如板读取仪、显微镜台等中时允许所述设备的放置、操作和监测。
出于解释的目的，已经参考具体实施方案说明了前述描述。然而，以上说明性讨论并非旨在穷举或将本发明限制为所公开的精确形式。鉴于以上传授，许多修改和变化是可能的。选择实施方案并进行了描述，从而最好地解释了技术原理及其实际应用。从而使本领域的其他技术人员能够最好地利用所述技术，并且具有各种修改的各种实施方案可适于设想的特定用途。
尽管已经参照附图充分描述了本公开文本和实施例，但是应注意，各种改变和修改对于本领域技术人员而言是清楚的。这样的改变和修改应理解为被包括于如权利要求所定义的本公开文本和实施例的范围内。最后，本申请中所引用的任何和所有专利和出版物的整个披露均通过引用特此并入本文。本文在任何地方提及的所有参考文献、引用文献、项目、文件或其他出版物均通过引用以其整体特此并入。

Claims (76)

1.一种用于对细胞培养的流体进行微流体控制的微流体启用式多孔设备，其包括：
微流体模块，所述微流体模块包括孔层、流体通道层和气动层，传感器模块，所述传感器模块包括一个或多个传感器，所述一个或多个传感器被配置为检测关于所述微流体模块内部的环境的数据；以及
一个或多个处理器；以及
储存指令的存储器，所述指令被配置为由所述一个或多个处理器执行，以使所述多孔设备执行细胞培养过程，包括：
使细胞悬浮液流过流体入口并进入流体通道层；
接收从所述一个或多个传感器收集的关于所述微流体模块内部的环境的数据；
至少部分地基于所接收的数据，使所述细胞悬浮液通过所述流体通道层中的一个或多个通道流动到所述多孔设备中的可单独寻址的孔中；
通过所述传感器模块监测所述多孔设备周围的环境的一种或多种参数；以及
根据监测所述多孔设备周围的环境的一种或多种参数，调整所述微流体模块内部的环境的一种或多种参数；以及
所述气动层包括(i)气动选孔层，其被配置为偏转气动偏转室内的气动膜以用于对应的特定于孔的流体阀，和(ii)气动控制层，其包括一个或多个气动路径通道，该通道被配置为使主要气动连接端口连接到气动偏转室。
2.根据权利要求1所述的微流体启用式多孔设备，其中所述微流体启用式多孔设备还包括基底层。
3.根据权利要求1或2所述的微流体启用式多孔设备，其中所述微流体模块包括脱气器层。
4.根据权利要求3所述的微流体启用式多孔设备，其中所述脱气器层包括多个特定于孔的脱气器，每个特定于孔的脱气器被配置为从所述孔层中的特定孔去除气泡。
5.根据权利要求3所述的微流体启用式多孔设备，其中所述微流体模块包括在所述孔层与所述脱气器层之间的透气型脱气器膜。
6.根据权利要求3所述的微流体启用式多孔设备，其中所述微流体模块包括脱气器控制层，所述脱气器控制层包括气动地联接至一个或多个所述特定于孔的脱气器的多个气动通道。
7.根据权利要求3所述的微流体启用式多孔设备，其中所述微流体模块包括全局脱气器，所述全局脱气器被配置为从流体通道去除气泡，所述流体通道被配置为将流体递送至所述孔层的两个或更多个所述孔中。
8.根据权利要求1或2所述的微流体启用式多孔设备，其还包括控制模块。
9.根据权利要求8所述的微流体启用式多孔设备，其中所述控制模块中包括所述一个或多个处理器中的至少一个。
10.根据权利要求1或2所述的微流体启用式多孔设备，其中：
所述微流体模块包括多个泵；以及
使流体流动到所述多孔设备中的单独孔中包括致动所述多个泵中的一个或多个。
11.根据权利要求10所述的微流体启用式多孔设备，其中所述多个泵包括注射驱动泵、微型隔膜泵、具有门垫阀几何形状的气动微型泵、或具有提升式闸阀几何形状的气动微型泵中的一种或多种。
12.根据权利要求1或2所述的微流体启用式多孔设备，其中所述多孔设备包括集成到所述多孔设备的微流体模块中的一个或多个微流体模块传感器，其中所述一个或多个微流体模块传感器被配置为检测所述微流体模块内部的环境参数的特征。
13.根据权利要求1或2所述的微流体启用式多孔设备，其中所述传感器模块包括一个或多个传感器，所述一个或多个传感器被配置为检测所述多孔设备周围的环境的外部特征。
14.根据权利要求1或2所述的微流体启用式多孔设备，其中所述指令被配置为由所述一个或多个处理器执行，以使所述设备在所述存储器中存储从所述一个或多个传感器收集的关于所述微流体模块内部的环境的数据。
15.根据权利要求1或2所述的微流体启用式多孔设备，其中所述指令被配置为由所述一个或多个处理器执行，以使所述设备将从所述一个或多个传感器收集的关于所述微流体模块内部的环境的数据传输到远程计算设备以进行存储。
16.根据权利要求1或2所述的微流体启用式多孔设备，其中所述指令被配置为由所述一个或多个处理器执行以使所述设备：
传输显示图形用户界面的指令；
检测由所述设备的用户通过所述图形用户界面执行的输入；以及
响应于检测到所述输入，使流体流动到所述多孔设备的由用户指示的单独孔中。
17.根据权利要求1或2所述的微流体启用式多孔设备，其中所述多孔设备的占位大小符合一种或多种SBS/ANSI多孔板标准。
18.根据权利要求1或2所述的微流体启用式多孔设备，其中所述多孔设备与行业标准实验室板读取设备和行业标准自动化设备中的一个兼容。
19.根据权利要求1或2所述的微流体启用式多孔设备，其中所述微流体模块和所述传感器模块中的一个或多个被配置为可重复用于多种细胞培养程序。
20.根据权利要求1或2所述的微流体启用式多孔设备，其中所述微流体模块和所述传感器模块中的一个或多个被配置为可从所述多孔设备中移除。
21.根据权利要求1或2所述的微流体启用式多孔设备，其中所述微流体模块和所述传感器模块中的一个或多个被配置为在第一细胞培养程序之后可从所述多孔设备移除，以在第二细胞培养程序之前被另一种组分替代。
22.根据权利要求1或2所述的微流体启用式多孔设备，其中所述孔层被配置为可从所述微流体模块移除。
23.根据权利要求1或2所述的微流体启用式多孔设备，其中所述孔层被配置为在第一细胞培养程序之后可从所述微流体模块移除，以在第二细胞培养程序之前被另一种组分替代。
24.根据权利要求1或2所述的微流体启用式多孔设备，其中所述孔层包括玻璃、环烯烃共聚物、塑料或PDMS中的一种或多种。
25.根据权利要求1或2所述的微流体启用式多孔设备，其中所述孔层的涂层包括聚赖氨酸、纤连蛋白或基质胶中的一种或多种。
26.根据权利要求1或2所述的微流体启用式多孔设备，其中所述孔层被微图案化。
27.根据权利要求1或2所述的微流体启用式多孔设备，其中所述孔层的材料、微图案化、涂层和几何构型中的一种或多种被配置用于贴壁细胞的2D培养。
28.根据权利要求1或2所述的微流体启用式多孔设备，其中所述指令被配置为由所述一个或多个处理器执行，以使多孔设备控制用于所述细胞培养过程的液体持续至少24小时。
29.根据权利要求1或2所述的微流体启用式多孔设备，其中使流体流动到可单独寻址的孔包括致动阀并关联所述气动层的一部分的位移。
30.根据权利要求1或2所述的微流体启用式多孔设备，其中所述微流体模块包括直径小于1000μm的一个或多个通道。
31.根据权利要求1或2所述的微流体启用式多孔设备，其中所述微流体模块的一个或多个微型泵被配置为每个泵冲程泵送小于500nL的体积。
32.根据权利要求1或2所述的微流体启用式多孔设备，其包括96个或更多个可单独寻址的孔的阵列。
33.根据权利要求1或2所述的微流体启用式多孔设备，其中所述指令被配置为由所述一个或多个处理器执行以使所述微流体模块引起细胞培养基的自动更换。
34.根据权利要求1或2所述的微流体启用式多孔设备，其中所述指令被配置为由所述一个或多个处理器执行以使所述微流体模块引起对培养细胞的自动胰蛋白酶消化。
35.根据权利要求1或2所述的微流体启用式多孔设备，其中所述指令被配置为由所述一个或多个处理器执行以使所述设备在所述多孔设备中执行基于细胞的自动化测定和方案。
36.根据权利要求35所述的微流体启用式多孔设备，其中所述指令被配置为由所述一个或多个处理器执行，以使所述设备在执行所述测定期间监测所述测定持续至少24小时的时间段。
37.根据权利要求35所述的微流体启用式多孔设备，其中执行所述测定包括使一种或多种化合物被自动添加至细胞。
38.根据权利要求35所述的微流体启用式多孔设备，其中所述测定包括显微镜测量。
39.根据权利要求35所述的微流体启用式多孔设备，其中所述测定的细胞包括永生化细胞、原代细胞、多能细胞、多能细胞衍生的细胞、贴壁细胞或悬浮细胞中的一种或多种。
40.根据权利要求35所述的微流体启用式多孔设备，其中在没有组织培养箱的情况下进行所述测定和方案。
41.根据权利要求35所述的微流体启用式多孔设备，其中在实验室环境中进行所述测定和方案。
42.根据权利要求35所述的微流体启用式多孔设备，其中在现场位置、护理点位置和药房中的一个中进行所述测定和方案。
43.根据权利要求1或2所述的微流体启用式多孔设备，其中在没有组织培养箱的情况下进行所述细胞培养。
44.根据权利要求1或2所述的微流体启用式多孔设备，其中在实验室环境中进行所述细胞培养。
45.根据权利要求1或2所述的微流体启用式多孔设备，其中在现场位置、护理点和药房中的一个或多个中进行所述细胞培养。
46.根据权利要求1或2所述的微流体启用式多孔设备，其中所述孔层包含冷冻保存的细胞，所述冷冻保存的细胞在所述细胞培养期间解冻。
47.根据权利要求1或2所述的微流体启用式多孔设备，其中所述指令被配置为由所述一个或多个处理器执行以使所述设备：
根据接收到从所述一个或多个传感器收集的关于所述微流体模块内部的环境的数据，控制所述微流体模块内部的环境的一种或多种参数，其中所述一种或多种参数包括以下中的一种或多种：温度、压力、pH、湿度、CO2、O2、汇合度、流体流量、碱度、输入流体温度、输出流体温度或环境光强度。
48.根据权利要求1或2所述的微流体启用式多孔设备，其中所述指令被配置为由所述一个或多个处理器执行以使所述设备：
将关于监测所述多孔设备周围的环境的参数的数据存储在所述设备的计算机储存器上；以及
将所存储的关于监测所述多孔设备周围的环境的参数的数据无线传输给用户。
49.根据权利要求1或2所述的微流体启用式多孔设备，其中：
所述孔层包括被布置成多个行的第一多个孔；
所述流体通道层包括第一输入通道和第一输出通道，所述第一输入通道和所述第一输出通道均对应于所述多个行中的第一行；
所述流体通道层包括第二输入通道和第二输出通道，所述第二输入通道和所述第二输出通道均对应于所述多个行中的第二行；
所述第一行的两个孔通过第一多个对应输入阀可单独流体地连接至所述第一输入通道；
所述第一行的所述两个孔通过第一多个对应输出阀可单独流体地连接至所述第一输出通道；
所述第二行的所述两个孔通过第二多个对应输入阀可单独流体地连接至所述第二输入通道；
所述第二行的所述两个孔通过第二多个对应输出阀可单独流体地连接至所述第二输出通道。
50.根据权利要求49所述的微流体启用式多孔设备，其中：
所述第一输入通道通过第一通道输入阀可流体地连接至共同输入通道；
所述第一输出通道通过第一通道输出阀可流体地连接至共同输出通道；
所述第二输入通道通过第二通道输入阀可流体地连接至共同输入通道；所述第二输出通道通过第二通道输出阀可流体地连接至共同输出通道。
51.根据权利要求50所述的微流体启用式多孔设备，其中使流体流动到在所述多孔设备中的可单独寻址的孔包括：
打开所述第一通道输入阀和所述第一通道输出，以允许流入所述第一输出通道和从所述第一输出通道流出；
打开所述第一多个输入阀中的一个和第一多个输出阀中的一个，以允许流入所述可单独寻址的孔和从所述可单独寻址的孔流出。
52.根据权利要求49所述的微流体启用式多孔设备，其中所述微流体模块的一个或多个微型泵被配置为提供真空力，以选择性地使流体流过所述第一行的所述两个孔和所述第二行的所述两个孔中的任何单独孔。
53.根据权利要求50所述的微流体启用式多孔设备，其中所述微流体模块的一个或多个微型泵位于所述共同输出通道的下游。
54.根据权利要求1或2项所述的微流体启用式多孔设备，其中所述设备被配置为由对接部件接收。
55.根据权利要求54所述的微流体启用式多孔设备，其中所述设备被配置为流体地联接至所述对接部件。
56.根据权利要求54所述的微流体启用式多孔设备，其中所述设备被配置为气动地联接至所述对接部件。
57.根据权利要求54所述的微流体启用式多孔设备，其中所述设备被配置为电子通信地联接至所述对接部件。
58.一种用于对细胞培养的流体进行微流体控制的系统，其包括：
根据权利要求1-57中任一项所述的微流体启用式多孔设备；以及
对接部件，所述对接部件被配置为接收所述多孔设备并流体地联接至所述多孔设备。
59.根据权利要求58所述的系统，其中所述对接部件被配置为气动地联接至所述设备。
60.根据权利要求58或59所述的系统，其中所述对接部件被配置为电通信地联接至所述设备。
61.根据权利要求58或59所述的系统，其中所述对接部件包括桌面对接站。
62.根据权利要求58或59所述的系统，其中所述对接部件包括便携式对接模块，所述便携式对接模块被配置为在将所述便携式对接模块插入板读取仪或显微镜台中的一个或多个中时实现所述多孔设备的操作。
63.根据权利要求58或59所述的系统，其中所述对接部件包括被配置为显示图形用户界面的显示器。
64.根据权利要求58或59所述的系统，其中所述对接部件包括用户输入设备，所述用户输入设备被配置为接收包括指令的用户输入。
65.根据权利要求58或59所述的系统，其包括喷墨式输入储器系统，所述喷墨式输入储器系统被配置为流体地联接至所述多孔设备并且向所述多孔设备供应培养基、细胞悬浮液和试剂中的一种或多种。
66.根据权利要求58或59所述的系统，其包括：输出储器，所述输出储器被配置为流体地联接至所述多孔设备，并且从所述多孔设备接收培养基、细胞悬浮液和试剂中的一种或多种的流。
67.根据权利要求58或59所述的系统，其包括被配置为附接到储器或真空管线中的一种或多种的歧管。
68.一种用于对细胞培养的流体进行微流体控制的方法，其包括：
在微流体启用式多孔设备处，所述微流体启用式多孔设备包括微流体模块，所述微流体模块包括孔层、流体通道层和气动层，所述气动层包括(i)气动选孔层，其被配置为偏转气动偏转室内的气动膜以用于对应的特定于孔的流体阀，和(ii)气动控制层，其包括一个或多个气动路径通道，该通道被配置为使主要气动连接端口连接到气动偏转室；传感器模块，所述传感器模块包括一个或多个传感器，所述一个或多个传感器被配置为检测关于所述微流体模块内部的环境的数据：
使细胞悬浮液流过流体入口并进入流体通道层；
接收从所述一个或多个传感器收集的关于所述微流体模块内部的环境的数据；
至少部分地基于所接收的数据，使所述细胞悬浮液通过所述流体通道层中的一个或多个通道流动到所述多孔设备中的可单独寻址的孔中；通过所述传感器模块监测所述多孔设备周围的环境的一种或多种参数；以及
根据监测所述多孔设备周围的环境的一种或多种参数，调整所述微流体模块内部的环境的一种或多种参数。
69.根据权利要求68所述的方法，其包括在所述微流体启用式多孔设备处，存储从所述一个或多个传感器收集的关于所述微流体模块内部的环境的数据。
70.根据权利要求68或69所述的方法，其包括在所述微流体启用式多孔设备处，将从所述一个或多个传感器收集的关于所述微流体模块内部的环境的数据传输到远程计算设备以进行存储。
71.根据权利要求68或69所述的方法，其包括在所述微流体启用式多孔设备处：
传输显示图形用户界面的指令；
检测由所述设备的用户通过所述图形用户界面执行的输入；以及
响应于检测到所述输入，使流体流动到所述多孔设备的由用户指示的单独孔中。
72.根据权利要求68或69所述的方法，其包括在所述微流体启用式多孔设备处，控制用于所述细胞培养过程的流体持续至少24小时。
73.根据权利要求68或69所述的方法，其中使流体流动到可单独寻址的孔包括致动阀并关联所述气动层的一部分的位移。
74.根据权利要求68或69所述的方法，其包括在所述微流体启用式多孔设备处：
根据接收到从所述一个或多个传感器收集的关于所述微流体模块内部的环境的数据，控制所述微流体模块内部的环境的一种或多种参数，其中所述一种或多种参数包括以下中的一种或多种：温度、压力、pH、湿度、CO2、O2、汇合度、流体流量、碱度、输入流体温度、输出流体温度或环境光强度。
75.根据权利要求68或69所述的方法，其包括在所述微流体启用式多孔设备处：
将关于监测所述多孔设备周围的环境的参数的数据存储在所述设备的计算机储存器上；以及
将所存储的关于监测所述多孔设备周围的环境的参数的数据无线传输给用户。
76.根据权利要求68或69所述的方法，其中：
所述孔层包括被布置成多个行的第一多个孔；
所述流体通道层包括第一输入通道和第一输出通道，所述第一输入通道和所述第一输出通道均对应于所述多个行中的第一行；
所述流体通道层包括第二输入通道和第二输出通道，所述第二输入通道和所述第二输出通道均对应于所述多个行中的第二行；
所述第一行的两个孔通过第一多个对应输入阀可单独流体地连接至所述第一输入通道；
所述第一行的所述两个孔通过第一多个对应输出阀可单独流体地连接至所述第一输出通道；
所述第二行的所述两个孔通过第二多个对应输入阀可单独流体地连接至所述第二输入通道；
所述第二行的所述两个孔通过第二多个对应输出阀可单独流体地连接至所述第二输出通道；
所述第一输入通道通过第一通道输入阀可流体地连接至共同输入通道；
所述第一输出通道通过第一通道输出阀可流体地连接至共同输出通道；
所述第二输入通道通过第二通道输入阀可流体地连接至共同输入通道；
所述第二输出通道通过第二通道输出阀可流体地连接至共同输出通道；
使流体流动到在所述多孔设备中的可单独寻址的孔包括：
打开所述第一通道输入阀和所述第一通道输出，以允许流入所述第一输出通道和从所述第一输出通道流出；以及
打开所述第一多个输入阀中的一个和第一多个输出阀中的一个，以允许流入所述可单独寻址的孔和从所述可单独寻址的孔流出。
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Families Citing this family (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11701651B2 (en) * 2017-11-28 2023-07-18 Inje University Industry-Academic Cooperation Foundation Microfluidic device capable of removing microbubbles in channel by using porous thin film, sample injection device for preventing inflow of bubbles, and method for bonding panel of microfluidic element by using mold-releasing film
US11731126B2 (en) 2018-04-19 2023-08-22 Nanyang Technological University Microfluidic board and method of forming the same
EP3880796A1 (en) * 2018-11-16 2021-09-22 Cairn Biosciences, Inc. Methods for dynamic evolution, adaptation, and monitoring of characteristics in living cells using a microfluidic-enabled multi-well cell culture devices and systems
WO2020185576A1 (en) * 2019-03-08 2020-09-17 Advanced Solutions Life Sciences, Llc Modular and expandable low flow pumping assemblies
EP3943588A4 (en) * 2019-03-19 2022-05-25 FUJIFILM Corporation INFORMATION PROCESSING DEVICE, CELL CULTURE SYSTEM, INFORMATION PROCESSING METHOD AND INFORMATION PROCESSING PROGRAM
WO2020189218A1 (ja) * 2019-03-19 2020-09-24 富士フイルム株式会社 細胞培養システム及び細胞培養方法
US20220212192A1 (en) * 2019-06-01 2022-07-07 Northeastern University Microfluidic Device for High-Throughput Screening of Tumor Cell Adhesion and Motility
US20220362765A1 (en) * 2019-09-26 2022-11-17 University Of Washington Device, system, and method for trapping tissue samples
US11959057B2 (en) * 2019-10-17 2024-04-16 New Jersey Institute Of Technology Automated addressable microfluidic technology for minimally disruptive manipulation of cells and fluids within living cultures
JP2023510681A (ja) * 2019-11-19 2023-03-15 フイ－チュン ホー，ジェニファー 細胞培養システムおよびその使用方法
US20230012125A1 (en) * 2019-11-27 2023-01-12 Corning Incorporated Sensing vessels for cell cultures
JP2023529600A (ja) * 2020-06-02 2023-07-11 アイビタ バイオメディカル インコーポレイテッド 自己樹状細胞ワクチンキットおよび使用
JP2021185891A (ja) * 2020-06-04 2021-12-13 ウシオ電機株式会社 マイクロ流体デバイス
WO2022035335A1 (en) * 2020-08-13 2022-02-17 Ineb (Instituto Nacional De Engenharia Biomédica) Fabrication of microactuator and in-line degasser in organ-ona_chip devices and methods thereof
CN111948968A (zh) * 2020-08-16 2020-11-17 天津智橙物联科技有限公司 一种高通量微反应细胞培养柔性自动化控制系统及方法
WO2022180595A1 (en) * 2021-02-26 2022-09-01 Universidade Do Minho Multiorgan-on-a-chip device with integrated microbiosensors, methods and uses thereof
CN113110329B (zh) * 2021-04-14 2023-01-10 深圳赛动智造科技有限公司 基于干细胞制备的并行操作控制方法、装置、系统及介质
CN115521874A (zh) * 2021-11-03 2022-12-27 上海万何圆生物科技有限公司 一种类器官自动化培养系统及其切样工作站
WO2023129627A1 (en) * 2021-12-29 2023-07-06 Memorial Sloan-Kettering Cancer Center Vessels, devices, processes, and systems for tracking and managing items with circuitous custody chains
WO2023131698A1 (en) * 2022-01-07 2023-07-13 Sophion Bioscience A/S Semi-automated patch-clamp apparatus and a method for carrying out a patch-clamp procedure
TWI797020B (zh) * 2022-06-07 2023-03-21 國立中興大學 自動升降裝置及具有其自動升降裝置的跨細胞膜阻抗即時監測系統
WO2024040223A1 (en) * 2022-08-18 2024-02-22 Cerillo Inc Manufacturable co-culture module
WO2024046548A1 (en) * 2022-08-30 2024-03-07 Asociatia Transylvanian Institute of Neuroscience Automated well unit, computer implemented method of automated perfusing and washout of solutions, non-transitory computer-readable storage medium encoded with a computer program, and automated screening platform for screening biological samples
US11939565B1 (en) * 2023-06-28 2024-03-26 Trisk Bio Ltd. Methods and systems for performing biotechnological processes

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1630707A (zh) * 2002-02-12 2005-06-22 色雷特康公司 用于快速改变传感器周围溶液环境的系统与方法
CN101198688A (zh) * 2005-03-16 2008-06-11 罗比奥系统有限公司 细胞组织熟化和运输系统
CN105682802A (zh) * 2013-05-27 2016-06-15 星阵私人有限公司 一种微流控装置及控制其流体流动的方法

Family Cites Families (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ATE290166T1 (de) 1999-06-28 2005-03-15 California Inst Of Techn Elastisches mikropumpen- oder mikroventilsystem
CA2445458C (en) * 2001-04-25 2016-12-13 Cornell Research Foundation, Inc. Devices and methods for pharmacokinetic-based cell culture system
US7470518B2 (en) * 2002-02-12 2008-12-30 Cellectricon Ab Systems and method for rapidly changing the solution environment around sensors
US20060199260A1 (en) 2002-05-01 2006-09-07 Zhiyu Zhang Microbioreactor for continuous cell culture
WO2005033263A1 (en) * 2003-10-01 2005-04-14 Athena Capital Partners, Llc Circulating flow device for assays of cell cultures, cellular components and cell products
US8658349B2 (en) 2006-07-13 2014-02-25 Seahorse Bioscience Cell analysis apparatus and method
CN100370022C (zh) * 2004-11-22 2008-02-20 中国人民解放军军事医学科学院生物工程研究所 细胞培养与产品回收的工艺方法及其一体化系统
US8257964B2 (en) * 2006-01-04 2012-09-04 Cell ASIC Microwell cell-culture device and fabrication method
WO2008115626A2 (en) 2007-02-05 2008-09-25 Microchip Biotechnologies, Inc. Microfluidic and nanofluidic devices, systems, and applications
CN101827931A (zh) 2008-08-29 2010-09-08 北京大学 用于可准确控制的细胞培养的微流体芯片
US10023832B2 (en) 2013-07-16 2018-07-17 Vanderbilt University Interconnections of multiple perfused engineered tissue constructs and microbioreactors, multi-microformulators and applications of the same
WO2013086505A1 (en) * 2011-12-09 2013-06-13 Vanderbilt University Integrated organ-on-chip system and applications of the same
US20120245042A1 (en) * 2011-03-14 2012-09-27 The Trustees Of The University Of Pennsylvania Debubbler for microfluidic systems
CN104245917B (zh) 2011-12-03 2017-07-21 Emd密理博公司 用于微流体细胞培养的微型培育系统和方法
US20130337565A1 (en) * 2012-06-19 2013-12-19 Medtrain Technologies, Llc Method and Apparatus for Patterning Cells
WO2014100725A1 (en) * 2012-12-21 2014-06-26 Micronics, Inc. Portable fluorescence detection system and microassay cartridge
WO2015191916A1 (en) * 2014-06-11 2015-12-17 Micronics, Inc. Microfluidic cartridges and apparatus with integrated assay controls for analysis of nucleic acids
US9861982B2 (en) 2015-03-09 2018-01-09 Emd Millipore Corporation Connectors for pneumatic devices in microfluidic systems
WO2017062609A1 (en) 2015-10-06 2017-04-13 University Of Miami Multiwell culture devices with perfusion and oxygen control

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1630707A (zh) * 2002-02-12 2005-06-22 色雷特康公司 用于快速改变传感器周围溶液环境的系统与方法
CN101198688A (zh) * 2005-03-16 2008-06-11 罗比奥系统有限公司 细胞组织熟化和运输系统
CN105682802A (zh) * 2013-05-27 2016-06-15 星阵私人有限公司 一种微流控装置及控制其流体流动的方法

Also Published As

Publication number Publication date
US11946035B2 (en) 2024-04-02
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