CN114149913A - 一种基于声体波的实现细胞准周期图案排列的装置及方法 - Google Patents

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CN114149913A CN202111357507.9A CN202111357507A CN114149913A CN 114149913 A CN114149913 A CN 114149913A CN 202111357507 A CN202111357507 A CN 202111357507A CN 114149913 A CN114149913 A CN 114149913A
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Abstract

本申请涉及细胞排列技术领域，特别涉及一种基于声体波的实现细胞准周期图案排列的装置及方法。本申请提供的基于声体波的实现细胞准周期图案排列的方法包括以下步骤：将多个压电陶瓷片分别粘接在一多边形壳体的各个外壁上，得到声流控芯片；利用导线将各压电陶瓷片与信号发生器连接；将经离心后去除上清液的细胞加入到溶解成液态的水凝胶中，重新悬浮10～20次至混合均匀，得到细胞水凝胶溶液；将细胞水凝胶溶液滴加在多边形壳体围合成的容纳腔中，使细胞水凝胶溶液均匀铺展且无气泡，待液体稳定，启动信号发生器，向各压电陶瓷片施加信号，即实现细胞按照准周期图案排列。本申请提供的方法实现了微型化和集成化的细胞准周期结构图案化。

Description

一种基于声体波的实现细胞准周期图案排列的装置及方法
技术领域
本申请涉及细胞排列技术领域，特别涉及一种基于声体波的实现细胞准周期图案排列的装置及方法。
背景技术
准晶是高维度晶体的投影，准周期图案牺牲其平移对称性换来更高的旋转对称性，可以得到更复杂的图案和更灵活多样的几何元素的排列方式。细胞图案化对组织工程和器官芯片尤为重要，传统的微图案打印方法虽然可以高通量的排列细胞，但细胞只是孤立地随机分布在具有几何形状的生长“岛屿”上，无法建立细胞间的联系。相反，通过电力、磁力、光力和声力的作用操控细胞的方法称为主动式细胞图案方法。但“光镊”和“电镊”通量太小且对细胞有损伤；“磁镊”需要引入磁珠等标记物可能会对实验结果造成干扰；基于声表面波的“声镊”受到铌酸锂基底的各项异性的限制，不能构造准周期图案结构的声压场。
因此，目前亟需一种高通量无损伤非接触式的能实现细胞准周期图案排列的方法来填补细胞图案化在准周期领域的空白，从而拓宽细胞图案化的研究领域，进一步探讨准周期图案对细胞增值或分化等方面的影响。
发明内容
本申请实施例提供一种基于声体波的实现细胞准周期图案排列的方法，本申请提供的方法能够将细胞排列组装成准周期图案，避免了使用其他图案化方法的低通量、有损、需要标记和无法构建准周期图案的缺陷。
第一方面，本申请提供了一种基于声体波的实现细胞准周期图案排列的方法，包括以下步骤：
步骤S101,将多个压电陶瓷片分别粘接在一多边形壳体的各个外壁上，得到声流控芯片；
步骤S102,利用导线将各压电陶瓷片与信号发生器连接；
步骤S103,将经离心后去除上清液的细胞加入到溶解成液态的水凝胶中，重新悬浮10～20次至混合均匀，得到细胞水凝胶溶液；
步骤S104,将细胞水凝胶溶液滴加在多边形壳体围合成的容纳腔中，使细胞水凝胶溶液均匀铺展且无气泡，待液体稳定，启动信号发生器，向各压电陶瓷片施加信号，即实现细胞按照准周期图案排列。
一些实施例中，所述水凝胶选用EFL-GM-60水凝胶。
一些实施例中，所述多边形壳体的材质为聚甲基丙烯酸甲酯，聚甲基丙烯酸甲酯价格低廉，其熔点高于压电陶瓷片工作时发热产生的温度。
一些实施例中，实现细胞按照准周期图案排列后，利用紫外固化光源进行固化，即得到细胞准周期排列图案。
一些实施例中，所述压电陶瓷片的长度与多边形壳体的边长一致，所述压电陶瓷片的宽度与多边形壳体的高度一致。
一些实施例中，所述多边形壳体的形状为正多边形。一些优选实施例中，所述多边形壳体的形状为正五边形、正八边形、正十边形或正十二边形，压电陶瓷片的数量与多边形壳体的边数一致。
一些实施例中，所述多边形壳体采用3D打印的方法制得。
一些实施例中，所述信号发生器的频率为3MHz，功率为0.16W。
第二方面，本申请提供了一种基于声体波的实现细胞准周期图案排列的装置，包括：
声流控芯片，所述声流控芯片包括多边形壳体和多个压电陶瓷片，所述压电陶瓷片粘接在多边形壳体的外壁上，所述多边形壳体围合成的容纳腔用于填充细胞水凝胶溶液；
信号发生器，所述信号发生器与各压电陶瓷片电连接，用于向压电陶瓷片施加信号。
一些实施例中，所述多边形壳体的材质为聚甲基丙烯酸甲酯，聚甲基丙烯酸甲酯价格低廉，其熔点高于压电陶瓷片工作时发热产生的温度。
一些实施例中，所述压电陶瓷片的长度与多边形壳体的边长一致，所述压电陶瓷片的宽度与多边形壳体的高度一致。
一些实施例中，所述多边形壳体的形状为正多边形。一些优选实施例中，所述多边形壳体的形状为正五边形、正八边形、正十边形或正十二边形。
一些实施例中，所述多边形壳体采用3D打印的方法制得。
一些实施例中，所述信号发生器的频率为3MHz，功率为0.16W。
本申请实施例提供的装置的机理为：细胞排列时，压电陶瓷片可以产生声体波，四对对称的压电陶瓷片产生体波行波干涉形成驻波场，通过调节声波信号的相位和波矢可以调制声压场从而实现细胞的准周期图案化。本申请中八束对称声波干涉形成具有八重准周期结构的声势井场，处于声场中的细胞竖直方向受浮力和重力平衡，水平方向受声辐射力作用向波节点移动，按照八重准周期结构的声势井场排列，经过短暂的紫外固化，细胞便可按照八重准周期结构的图案在水凝胶中生长。
本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：
1、本申请提供的方法无需标记、对细胞无损伤，克服了传统细胞图案化方法的图案单一、空间位相简单和灵活性差等缺陷，实现了微型化和集成化的细胞准周期结构图案化；与传统的微结构打印细胞图案化方法相比，本申请提供的方法可以构建细胞间的关系且简化了步骤；与基于光力、电力、磁力和传统的声力细胞图案化方法相比，本申请提供的方法可以对细胞进行准周期图案结构组装，大大提高了灵活性，缩小了器件体积，降低了实验成本；
2、本申请提供的装置利用压电陶瓷片产生声体波，声体波干涉形成驻波，能够无损高效实现细胞的高通量准周期图案化，克服了“光镊”、“磁镊”和“电镊”等方法无法实现高通量无标记的细胞图案化的问题，实现了大通量、灵活可调、便捷及低成本地准周期细胞图案化地目的；
3、利用本申请提供的装置可以获得具有更高旋转对称性的准周期细胞图案，满足图案灵活多变的需求，在体外组织培养、器官芯片等领域有广阔的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的基于声体波的实现细胞准周期图案排列的装置的结构示意图；
图2为声波细胞排列的示意图；
图3为PS微球实验图；
图4为声学组装的细胞八重准周期图案化实验图。
图中，10、声流控芯片；101、多边形壳体；1011、容纳腔；102、压电陶瓷片；20、信号发生器；30、导线。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请实施例提供了一种基于声体波的实现细胞准周期图案排列的装置，该装置能够将细胞排列组装成准周期图案，避免了使用其他图案化方法的低通量、有损、需要标记和无法构建准周期图案的缺陷。
图1是本申请实施例提供的基于声体波的实现细胞准周期图案排列的装置的结构示意图，参考图1，该装置包括声流控芯片10和信号发生器20。
声流控芯片10包括多边形壳体101和多个压电陶瓷片102，压电陶瓷片102粘接在多边形壳体101的外壁上，多边形壳体101围合成的容纳腔1011用于填充细胞水凝胶溶液，细胞水凝胶溶液为待排列的细胞与水凝胶的混合溶液；本实施例中，多边形壳体101为通过3D打印制成的正八边形壳体，制作材质为聚甲基丙烯酸甲酯，边长为10mm，高度为5mm，厚度为0.3mm；压电陶瓷片102的数量为八个，压电陶瓷片102的宽度为5mm，长为10mm，频率为3MHz。
信号发生器20与各压电陶瓷片102通过导线30电连接，用于向压电陶瓷片102施加信号；本实施例中，信号发生器20的频率设置为3MHz，功率设置为0.16W；信号发生器20产生的射频信号在多边形壳体101的容纳腔1011中形成波长为500μm的驻波场，通过八个压电陶瓷片102施加不同的信号可以调节驻波场的波节点位置，此处波节位置排列被设置为八重准周期形状，处于该区域的所有细胞受声辐射力运动到波节处，从而实现准周期细胞图案化，当信号功率为0.16W时，置于水凝胶中的细胞可以实现完整地排列出八重准周期中心图案。
本申请实施例还提供了一种基于声体波的实现细胞准周期图案排列的方法，包括以下步骤：
步骤S101,将八个压电陶瓷片102分别粘接在一正八边形壳体的各个外壁上，得到声流控芯片10；
步骤S102,利用导线30将各压电陶瓷片102与信号发生器20连接，利用酒精对正八边形壳体进行擦拭消毒；
步骤S103,将经离心后去除上清液的细胞加入到溶解成液态的EFL-GM-60水凝胶中，重新悬浮10～20次至混合均匀，得到细胞水凝胶溶液，操作过程中保证无菌且37℃恒温；EFL-GM-60水凝胶购于Engineering For Life公司；
步骤S104,将细胞水凝胶溶液滴加在正八边形壳体围合成的容纳腔1011中，使细胞水凝胶溶液均匀铺展且无气泡，待液体稳定，设置信号发生器20的频率为3MHz、功率为0.16W，启动信号发生器20，向各压电陶瓷片102施加统一的信号，显微镜下可见细胞按照八重准周期图案排列时利用紫外固化光源固化10s。
图2显示了细胞准周期图案排列方法的示意图，图2中，A表示浮力；B表示重力；C表示声辐射力；D表示细胞；E表示声体波驻波场；图2中仅示出一对对称的压电陶瓷片102的声波干涉产生驻波场的作用，在正八边形壳体围合的容纳腔1011中，细胞被声辐射力推向波节点，通过紫外固化可固定位置，最终得到所设计的细胞排列图案。
本申请对声体波驻波进行细胞准周期结构图案化排列的可行性进行了验证，结果见图3,图3a是8μm PS微球(聚苯乙烯微球)的实验图，可以看到微粒排列成八重准周期图案，包含一个双棱型旋转对称中心图案和八个围绕双棱型图案旋转对称排布的花状图案；图3b和c分别是双棱型图案和花状图案的荧光场图。图4是按照上述方法排列HUVEC细胞的实验图，可以看到HUVEC细胞同样按照八重准周期图案排列，仅具有旋转对称性无平移对称性，与图3中PS微球实验结果完全一致。证明本申请提供的方法可以基本实现细胞的准周期图案化。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于声体波的实现细胞准周期图案排列的方法，其特征在于，包括以下步骤：
将多个压电陶瓷片(102)分别粘接在一多边形壳体(101)的各个外壁上，得到声流控芯片(10)；
利用导线(30)将各压电陶瓷片(102)与信号发生器(20)连接；
将去除上清液的细胞加入到液态的水凝胶中，重新悬浮至混合均匀，得到细胞水凝胶溶液；
将细胞水凝胶溶液滴加在多边形壳体(101)围合成的容纳腔(1011)中，启动信号发生器(20)，向各压电陶瓷片(102)施加信号，即实现细胞按照准周期图案排列。
2.根据权利要求1所述的基于声体波的实现细胞准周期图案排列的方法，其特征在于，所述水凝胶选用EFL-GM-60水凝胶。
3.根据权利要求1所述的基于声体波的实现细胞准周期图案排列的方法，其特征在于，所述多边形壳体(101)的材质为聚甲基丙烯酸甲酯。
4.根据权利要求1所述的基于声体波的实现细胞准周期图案排列的方法，其特征在于，实现细胞按照准周期图案排列后，利用紫外固化光源进行固化，即得到细胞准周期排列图案。
5.一种基于声体波的实现细胞准周期图案排列的装置，其特征在于，包括：
声流控芯片(10)，所述声流控芯片(10)包括多边形壳体(101)和多个压电陶瓷片(102)，所述压电陶瓷片(102)粘接在多边形壳体(101)的外壁上，所述多边形壳体(101)围合成的容纳腔(1011)用于填充细胞水凝胶溶液；
信号发生器(20)，所述信号发生器(20)与各压电陶瓷片(102)电连接，用于向压电陶瓷片(102)施加信号。
6.根据权利要求5所述的基于声体波的实现细胞准周期图案排列的装置，其特征在于，所述多边形壳体(101)的材质为聚甲基丙烯酸甲酯。
7.根据权利要求5所述的基于声体波的实现细胞准周期图案排列的装置，其特征在于，所述压电陶瓷片(102)的长度与多边形壳体(101)的边长一致，所述压电陶瓷片(102)的宽度与多边形壳体(101)的高度一致。
8.根据权利要求5所述的基于声体波的实现细胞准周期图案排列的装置，其特征在于，所述多边形壳体(101)的形状为正多边形。
9.根据权利要求5所述的基于声体波的实现细胞准周期图案排列的装置，其特征在于，所述多边形壳体(101)采用3D打印的方法制得。
10.根据权利要求5所述的基于声体波的实现细胞准周期图案排列的装置，其特征在于，所述信号发生器(20)的频率为3MHz，功率为0.16W。
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