CN114196537A - 拓扑结构的单轴细胞拉伸芯片及其制备方法 - Google Patents
拓扑结构的单轴细胞拉伸芯片及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114196537A CN114196537A CN202111445730.9A CN202111445730A CN114196537A CN 114196537 A CN114196537 A CN 114196537A CN 202111445730 A CN202111445730 A CN 202111445730A CN 114196537 A CN114196537 A CN 114196537A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- stretching
- chip
- layer
- cell
- uniaxial
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title description 18
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 111
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 59
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims abstract description 37
- 230000007547 defect Effects 0.000 claims abstract description 7
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 271
- 239000010408 film Substances 0.000 claims description 140
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 105
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 claims description 103
- 239000004205 dimethyl polysiloxane Substances 0.000 claims description 98
- 229920000435 poly(dimethylsiloxane) Polymers 0.000 claims description 98
- -1 polydimethylsiloxane Polymers 0.000 claims description 83
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 49
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 43
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims description 36
- 238000004088 simulation Methods 0.000 claims description 34
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 31
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 claims description 31
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 26
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 claims description 25
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 22
- 102000012422 Collagen Type I Human genes 0.000 claims description 21
- 108010022452 Collagen Type I Proteins 0.000 claims description 21
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 20
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims description 19
- 238000002444 silanisation Methods 0.000 claims description 17
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 claims description 16
- 230000001954 sterilising effect Effects 0.000 claims description 14
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 claims description 13
- 238000013461 design Methods 0.000 claims description 13
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 13
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 12
- 230000004048 modification Effects 0.000 claims description 12
- 238000012986 modification Methods 0.000 claims description 12
- 230000003075 superhydrophobic effect Effects 0.000 claims description 12
- 238000004659 sterilization and disinfection Methods 0.000 claims description 11
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 9
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 238000004113 cell culture Methods 0.000 claims description 8
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims description 8
- 239000006059 cover glass Substances 0.000 claims description 8
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 8
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 8
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 claims description 8
- 238000005538 encapsulation Methods 0.000 claims description 7
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 7
- 239000002052 molecular layer Substances 0.000 claims description 7
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 claims description 7
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N Silane Chemical compound [SiH4] BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 6
- 238000004132 cross linking Methods 0.000 claims description 6
- 239000008055 phosphate buffer solution Substances 0.000 claims description 6
- 229910000077 silane Inorganic materials 0.000 claims description 6
- AVXLXFZNRNUCRP-UHFFFAOYSA-N trichloro(1,1,2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,8-heptadecafluorooctyl)silane Chemical group FC(F)(F)C(F)(F)C(F)(F)C(F)(F)C(F)(F)C(F)(F)C(F)(F)C(F)(F)[Si](Cl)(Cl)Cl AVXLXFZNRNUCRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 claims description 6
- 102000008186 Collagen Human genes 0.000 claims description 5
- 108010035532 Collagen Proteins 0.000 claims description 5
- 229920001436 collagen Polymers 0.000 claims description 5
- 239000003085 diluting agent Substances 0.000 claims description 5
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 claims description 5
- 238000002715 modification method Methods 0.000 claims description 5
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 claims description 5
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 5
- ABTOQLMXBSRXSM-UHFFFAOYSA-N silicon tetrafluoride Chemical compound F[Si](F)(F)F ABTOQLMXBSRXSM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 4
- 238000009832 plasma treatment Methods 0.000 claims description 4
- 238000006884 silylation reaction Methods 0.000 claims description 4
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims description 3
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 3
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 claims description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 3
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 3
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 3
- 238000005094 computer simulation Methods 0.000 claims description 3
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 3
- 238000007865 diluting Methods 0.000 claims description 3
- 239000000017 hydrogel Substances 0.000 claims description 3
- 230000005660 hydrophilic surface Effects 0.000 claims description 3
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 3
- 238000000678 plasma activation Methods 0.000 claims description 3
- 238000004080 punching Methods 0.000 claims description 3
- 238000007711 solidification Methods 0.000 claims description 3
- 230000008023 solidification Effects 0.000 claims description 3
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 claims description 3
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 claims description 3
- 230000037303 wrinkles Effects 0.000 claims description 3
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 claims description 2
- 230000000638 stimulation Effects 0.000 abstract description 8
- 230000004907 flux Effects 0.000 abstract description 6
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 abstract description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 12
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 7
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 6
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 description 6
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 4
- 238000011160 research Methods 0.000 description 4
- 229920001486 SU-8 photoresist Polymers 0.000 description 3
- 230000001464 adherent effect Effects 0.000 description 3
- 238000011161 development Methods 0.000 description 3
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 3
- 229920002521 macromolecule Polymers 0.000 description 3
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 206010013710 Drug interaction Diseases 0.000 description 2
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 2
- 230000010261 cell growth Effects 0.000 description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 2
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 2
- 235000019441 ethanol Nutrition 0.000 description 2
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000005459 micromachining Methods 0.000 description 2
- 239000012299 nitrogen atmosphere Substances 0.000 description 2
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 2
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 2
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004971 Cross linker Substances 0.000 description 1
- 238000004115 adherent culture Methods 0.000 description 1
- 239000012790 adhesive layer Substances 0.000 description 1
- 238000004630 atomic force microscopy Methods 0.000 description 1
- 238000007664 blowing Methods 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 230000021164 cell adhesion Effects 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 1
- 239000003431 cross linking reagent Substances 0.000 description 1
- 238000012938 design process Methods 0.000 description 1
- 239000013013 elastic material Substances 0.000 description 1
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 description 1
- 239000000806 elastomer Substances 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 238000002309 gasification Methods 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000011534 incubation Methods 0.000 description 1
- 230000036512 infertility Effects 0.000 description 1
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 1
- 102000004169 proteins and genes Human genes 0.000 description 1
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 230000007306 turnover Effects 0.000 description 1
- 238000000233 ultraviolet lithography Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
- C12M35/00—Means for application of stress for stimulating the growth of microorganisms or the generation of fermentation or metabolic products; Means for electroporation or cell fusion
- C12M35/04—Mechanical means, e.g. sonic waves, stretching forces, pressure or shear stimuli
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C41/00—Shaping by coating a mould, core or other substrate, i.e. by depositing material and stripping-off the shaped article; Apparatus therefor
- B29C41/02—Shaping by coating a mould, core or other substrate, i.e. by depositing material and stripping-off the shaped article; Apparatus therefor for making articles of definite length, i.e. discrete articles
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29L—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASS B29C, RELATING TO PARTICULAR ARTICLES
- B29L2007/00—Flat articles, e.g. films or sheets
- B29L2007/008—Wide strips, e.g. films, webs
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Zoology (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Genetics & Genomics (AREA)
- Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
- Biotechnology (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Wood Science & Technology (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Microbiology (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Cell Biology (AREA)
- Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
Abstract
本公开涉及一种拓扑结构的单轴细胞拉伸芯片及其制备方法，该拓扑结构的单轴细胞拉伸芯片包括：基底，以及形成于该基底上的多个拉伸单元；其中，该多个拉伸单元形式上为阵列化布置的多个圆形，相邻的两个拉伸单元之间通过气路管道连接。每个拉伸单元结构包括圆形空腔以及形成在该圆形空腔上方具有周期沟槽结构的弹性薄膜层。本公开通过在弹性薄膜上制备周期的微米尺度沟槽结构，利用沟槽的结构约束在周向膨胀的弹性薄膜上构建出单轴拉伸应变场，克服了现有细胞拉伸芯片中拉伸应变幅值单一、拉伸通量低、细胞原位培养能力差的缺点，实现了细胞的片上培养，长时间实时显微观测，高通量的单轴拉伸应变力学刺激。
Description
技术领域
本公开涉及细胞拉伸芯片的设计和制备技术领域，具体而言，涉及一种拓扑结构的单轴细胞拉伸芯片及其制备方法。
背景技术
细胞拉伸是指利用各种驱动装置驱动特定的可拉伸装置按需地实现特定的位移，从而使培养在该装置上的细胞伴随装置共同伸长，最终获得特定拉伸应变量的技术。细胞拉伸系统通常不仅需要产生特定拉伸应变量，还需支持细胞的长时间培养。因此细胞拉伸系统中产生拉伸的单元不仅需要具有稳定可控的形变能力，还需要具有生物相容性和可实时观测性。
当前细胞拉伸装置中的拉伸单元按照产生应变类型具体可分成单轴应变芯片单元、双轴应变芯片单元和周向应变芯片单元等三种。其中单轴应变芯片单元以其简单可靠和稳定地拉伸应变在生物医学工程和组织工程领域得到广泛的应用。该单轴应变单元主要采用程控步进电机作为驱动源，丝杠螺母作为传动部件通过联轴器与步进电机联接；步进电机运行拉动安装在丝杠螺母上的弹性细胞培养池共同运动，运动位移可以根据步进电机的步长、丝杠的螺距等参数计算得到，例如市场上的产品STB-150拉伸仪。这种拉伸技术中的单轴应变单元一般为弹性体，由于弹性材料的拉伸变形特点，单轴细胞拉伸仪在工作时，虽然在拉伸方向可以方便的产生所需应变，但垂直于拉伸方向上会收缩。这种现象虽然可以模拟一些生物组织的拉伸状态，但在研究细胞拉伸时并不能够良好模拟其受力变形状态。
为了解决此问题，双轴应变芯片单元得到了发展。双轴应变单元就是在单轴应变单元的基础上，添加一个正交的步进电机驱动单元，通过控制该电机的运行来抵消材料的泊松效应。相比于单轴应变技术，双轴应变技术需要同时控制两个电机的配合运行，实际使用中很难实现变形的同步产生，不利于技术的使用和推广。不管是单轴拉伸技术还是双轴拉伸技术，由于驱动元件工作发热严重，都难以长时间稳定可靠的运行。安装在丝杠螺母上的弹性拉伸单元也难以实时进行实时的显微观察。运行时严重的摩擦热不仅限制了长时间的拉伸工作，还影响了细胞的正常培养。此外，该类产品由于采用电机传动，弹性拉伸单元产生整体形变，即只能产生单一的拉伸应变水平，而不能同时实现多个拉伸应变，限制了其使用通量，不能适应实际的应用场景。
为了实现长时间的细胞培养和拉伸应变刺激，周向拉伸应变技术得到发展。具体地，该技术使用气体压力取代伺服电机作为驱动元件，使用微加工技术制备的弹性薄膜作为拉伸单元，气体压力加载到弹性薄膜使其发生膨胀，产生周向形变，从而对黏附在薄膜表面的细胞产生拉伸作用。该技术的优点是使用弹性薄膜作为拉伸单元，既能产生可控的拉伸作用，同时较薄的弹性膜利于成像观察。此外，薄膜表面修饰胶原蛋白能够使细胞良好的贴壁生长。但是，该技术的不足在于薄膜在压力作用下的膨胀产生周向应变场，复杂的应变状态难以使用已经被广泛接受的单轴应变技术指标进行标定，因此限制了该技术的进一步发展和使用。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的不足，本公开的主要目的在于提供一种拓扑结构的单轴细胞拉伸芯片及其制备方法，以克服现有细胞拉伸芯片中拉伸应变单一、拉伸通量低、细胞原位培养观察能力差缺点，实现细胞片上培养，长时间实时显微观测，高通量的单轴梯度拉伸应变力学刺激。
为达到上述目的，根据本公开的一个方面，提供了一种拓扑结构的单轴细胞拉伸芯片，包括：透明玻璃基底，以及形成于该透明玻璃基底上的多个拉伸单元；其中，该多个拉伸单元形式上为阵列化布置的多个圆形，相邻的两个拉伸单元之间通过气路管道连接。
上述方案中，所述多个拉伸单元中的每个多个拉伸单元包括：圆形空腔；以及形成在该圆形空腔上方具有周期沟槽结构的弹性薄膜层；其中，所述圆形空腔作为气路控制层，采用气路管道来实现相邻的两个拉伸单元之间的连接；所述弹性薄膜层作为薄膜拉伸层，采用具有微米尺度周期性沟槽结构的特定厚度的聚二甲基硅氧烷薄膜。
上述方案中，所述特定厚度的范围是30-70μm之间。可选地，所述特定厚度是50μm。
上述方案中，所述透明玻璃基底、所述气路控制层与所述薄膜拉伸层之间系通过等离子体键合形成永久性层间结合。
上述方案中，所述薄膜拉伸层的表面进一步键合有玻璃培养环。
上述方案中，所述多个圆形具有相同或不同的直径，相同直径的圆形构成一个拉伸单元组，在同一拉伸单元组中相邻圆形之间的间距为一个圆形的直径。可选地，所述圆形的直径为500μm、600μm、800μm和1000μm。
上述方案中，所述透明玻璃基底为标准0号盖玻片。
根据本公开的另一个方面，提供了一种拓扑结构的单轴细胞拉伸芯片的制备方法，包括：
设计细胞拉伸芯片结构，绘制气路控制层掩模板图案和薄膜拉伸层掩模板图案；
利用气路控制层掩模板制备气路控制层光刻胶模具，利用薄膜拉伸层掩模板制备薄膜拉伸层光刻胶模具；
对制备的气路控制层光刻胶模具进行表面处理，利用聚二甲基硅氧烷浇筑翻模工艺制备气路控制层；
利用薄膜拉伸层光刻胶模具制备表面具有沟槽结构的聚二甲基硅氧烷薄膜拉伸层；以及
选择合适基底，采用等离子体键合技术完成基底、气路控制层和聚二甲基硅氧烷细胞拉伸层的层间结合以及与培养环封装。
上述方案中，所述设计细胞拉伸芯片结构，绘制气路控制层掩模板图案和薄膜拉伸层掩模板图案的步骤是利用计算机辅助软件完成的，具体包括：设计绘制不同尺寸和形状的拉伸单元区域；合理规划气路排列路径，确保相邻拉伸单元区域之间有足够的间隔距离；阵列化布置拉伸单元区域，合理规划掩膜板整体设计布局，以适应基底的尺寸要求和显微观察的视野要求；阵列化设计细胞拉伸芯片的气路控制层，并形成尺寸梯度；以及绘制周期性的微米沟槽，合理设置沟槽的宽度和间距。
上述方案中，所述阵列化设计细胞拉伸芯片的气路控制层，并形成尺寸梯度的步骤，包括：在绘制气路控制层时，规划直径500、600、800、1000微米不等的四种圆形拉伸区域；每种尺寸的圆形拉伸区阵列化布置，以提高实验通量；相邻的圆形拉伸单元使用气路管道连接。
上述方案中，所述设计细胞拉伸芯片结构，绘制气路控制层掩模板和薄膜拉伸层掩模板的步骤之后，还包括对设计的细胞拉伸芯片结构进行仿真模拟，分析具有周期沟槽结构的薄膜拉伸层在一定气体压力作用下的变形场和应变场，具体包括：利用有限元模型对平整的弹性薄膜进行拉伸变形仿真，在仿真过程中，着重考虑薄膜杨氏模量、圆形区域直径和薄膜厚度因素与薄膜在压力作用下所产生的周向拉伸应变之间的关系；物理场中边界条件的设置应根据实际变形情况进行固定约束和自由边界的设置；该有限元模型中的边界载荷为加载到圆形细胞拉伸区域的气体压力；利用有限元模型对具有沟槽结构的弹性薄膜进行拉伸变形仿真，在平整弹性薄膜仿真结果的基础上，着重考虑沟槽结构的尺寸参数和空间位置对薄膜周向拉伸应变场的约束影响。
上述方案中，所述利用有限元模型对平整的弹性薄膜进行拉伸变形仿真的步骤中，为了提高仿真结果的精确度，产生大变形时选择超弹性材料模型Neo-Hookean来分析，该超弹性材料模型Neo-Hookean的稳态变形采用如下的公式描述：
其中，Um表示薄膜水凝胶材料变性能，μm表示薄膜的材料系数，I1为变形第一不变量。
上述方案中，所述利用有限元模型对具有沟槽结构的弹性薄膜进行拉伸变形仿真的步骤中，为了提高有限元计算精度，在对细胞拉伸芯片进行仿真建模时，采用局部细化的自适用移动网格技术进行网格划分，仿真结果的观测视角为笛卡尔正交坐标系下薄膜沟槽结构上的应变分量，比较两正交应变分量的比值以及特定区域内两个应变分量的分布均匀度，以此作为评价沟槽结构约束诱导的单轴应变场的应变水平和分布。
上述方案中，所述利用气路控制层掩模板制备气路控制层光刻胶模具，利用薄膜拉伸层掩模板制备薄膜拉伸层光刻胶模具的步骤是利用光刻工艺完成的，具体包括：采用匀胶机甩胶旋涂在单面抛光的硅片基底上制备一定厚度的负性光刻胶层；计算曝光剂量，利用紫外曝光机对光刻胶层进行曝光处理，将绘制的气路控制层掩模板图案和薄膜拉伸层掩模板图案转移到光刻胶层上；选用坚膜工艺参数，在程控加热板或烘箱中进行加热坚膜处理，促进光刻胶层的交联反应；该坚膜工艺参数至少包括加热时间和加热温度；选用显影液，调整光刻胶层的显影参数进行显影，使光刻胶层中未被曝光的光刻胶区域被溶解掉，将曝光转移的芯片结构凸现；该显影参数至少包括显影浓度和显影时间；以及采用高压氮气吹干显影后的光刻胶层表面并清洁处理，干燥保存。
上述方案中，所述对制备的气路控制层光刻胶模具进行表面处理，利用聚二甲基硅氧烷浇筑翻模工艺制备气路控制层的步骤，具体包括：对制备的气路控制层光刻胶模具做硅烷化处理；将聚二甲基硅氧烷的基础液与聚合液按照5∶1至20∶1的质量比充分混匀配制聚二甲基硅氧烷预聚液，并做除泡处理备用；将已抽除气泡的聚二甲基硅氧烷预聚液浇筑在已表面硅烷化处理的气路控制层光刻胶模具上；放置在已调整水平的加热台上，加热台梯度升温加热聚二甲基硅氧烷预聚液使其固化，固化后脱模即制备得到细胞拉伸芯片的气路控制层结构。
上述方案中，所述对制备的气路控制层光刻胶模具做硅烷化处理，具体包括：采用化学气相沉积方法在制备的气路控制层光刻胶模具上通过硅烷化获得超疏水涂层，其中，选用的硅烷化试剂为全氟辛基三氯硅烷，气相沉积时将气路控制层光刻胶模具面朝上放置在干燥釜内，使用移液枪在边缘滴加硅烷试剂；启动真空泵将干燥釜内压力抽到真空状态并保持一段时间。
上述方案中，所述利用薄膜拉伸层光刻胶模具制备表面具有沟槽结构的聚二甲基硅氧烷薄膜拉伸层的步骤，具体包括：利用化学气相沉积法对薄膜拉伸层光刻胶模具表面进行硅烷化获得表面超疏水效果；采用甩胶旋涂法在表面硅烷化的沟槽结构光刻胶层模具上制备具有沟槽结构的聚二甲基硅氧烷薄膜拉伸层；抽除气泡后，将其安放到匀胶机上并真空吸附，设置低速旋涂阶段的转速和时间，以及高速旋涂阶段的转速和时间，得到表面平整、厚度精确的具有沟槽结构的聚二甲基硅氧烷薄膜；将旋涂好的聚二甲基硅氧烷薄膜移至程控加热台上加热使其充分交联固化，最终得到结构完整、厚度精确、杨氏模量可控的具有周期沟槽结构的聚二甲基硅氧烷薄膜拉伸层。
上述方案中，所述利用化学气相沉积法对薄膜拉伸层光刻胶模具表面进行硅烷化获得表面超疏水效果的步骤中，选用的沉积试剂为全氟辛基三氯硅烷，气相沉积时将薄膜拉伸层光刻胶模具面朝上放置在干燥釜内，使用移液枪在边缘滴加适量的硅烷试剂；启动真空泵将干燥釜内压力抽到真空状态并保持一段时间；真空状态下气化的全氟硅烷会逐渐在薄膜拉伸层光刻胶模具表面上沉积形成一层分子层，该分子层表现为超疏水性质，能够降低表面能，防止浇筑脱模时的粘连。
上述方案中，所述使用甩胶旋涂法在表面硅烷化的沟槽结构光刻胶层基底上制备具有沟槽结构的聚二甲基硅氧烷薄膜拉伸层的步骤中，将聚二甲基硅氧烷的基础液与聚合液按照5∶1至20∶1的质量比充分混匀配置预聚液，取适量混匀的预聚液浇筑在硅烷化的沟槽模具表面，然后静置在真空釜中并在负压条件下抽除气泡以确保预聚液充分填充沟槽结构。
上述方案中，所述选择合适基底，采用等离子体键合技术完成基底、气路控制层和聚二甲基硅氧烷细胞拉伸层的层间结合以及与培养环封装的步骤，具体包括：选择标准0号盖玻片作为基底，采用等离子体键合工艺对该基底、制备的芯片气压力控制层和具有周期沟槽结构的聚二甲基硅氧烷薄膜拉伸层在等离子体清洗机中进行表面等离子体活化以提高表面能，得到超亲水的表面；通过调整优化等离子体处理功率、处理时间来提高层间的结合强度，减少薄膜拉伸层表面缺陷，既确保芯片层间较好的结合强度，又防止芯片在工作过程中的泄露和薄膜的破裂；将等离子体处理后基底、芯片气压力控制层和具有周期沟槽结构的聚二甲基硅氧烷薄膜拉伸层在显微镜下对准贴合，观察到亲水表面的完整结合，没有残余气泡或产生褶皱；将对准贴合后的键合结构转移到加热台上进行梯度升温加热，调整升温速率以降低层间的热应力，提高层间结合力；使用特定内径的打孔器在芯片表面打制气路入口；按照相同的键合操作将玻璃培养环键合到双层结构薄膜拉伸层表面，最终得到单轴梯度应变细胞拉伸芯片。
上述方案中，所述选择合适基底，采用等离子体键合技术完成基底、气路控制层和聚二甲基硅氧烷细胞拉伸层的层间结合以及与培养环封装的步骤之后，还包括对制备的细胞拉伸芯片进行灭菌处理和表面修饰，具体包括：使用紫外照射进行灭菌处理；采用液相修饰法在细胞拉伸芯片表面滴加I型胶原蛋白对芯片表面进行功能修饰；将芯片转移到细胞培养箱中放置，使I型胶原蛋白充分吸附到芯片的薄膜拉伸层沟槽表面；以及I型胶原蛋白充分吸附后，吸弃稀释液，滴加适量的磷酸盐缓冲液待用。
上述方案中，所述使用紫外照射进行灭菌处理，包括：选用适当光强的紫外光在无菌操作台中照射2～4小时进行灭菌，获得无菌、力学性质稳定的多层应变细胞拉伸芯片。
上述方案中，所述采用液相修饰法在细胞拉伸芯片表面滴加I型胶原蛋白对芯片表面进行功能修饰，包括：使用1倍的磷酸盐缓冲液将I型胶原蛋白稀释到40～60微克/毫升的浓度，使用移液枪吸取适量的I型胶原蛋白稀释液滴加到芯片培养环中充分覆盖薄膜表面，然后转移到二氧化碳培养箱中孵育蛋白1～3小时。
从上述技术方案可以看出，本公开提供的拓扑结构的单轴细胞拉伸芯片及其制备方法，具有以下有益效果：
1、本公开提供的拓扑结构的单轴细胞拉伸芯片及其制备方法，通过在弹性薄膜上制备周期的微米尺度沟槽结构，利用沟槽的结构约束在周向膨胀的弹性薄膜上构建出单轴拉伸应变场，克服了现有细胞拉伸芯片中拉伸应变幅值单一、拉伸通量低、细胞原位培养能力差的缺点，实现了细胞的片上培养，长时间实时显微观测，高通量的单轴拉伸应变力学刺激。
2、本公开提供的拓扑结构的单轴细胞拉伸芯片及其制备方法，利用紫外曝光技术制备具有阵列化圆形拉伸区域的芯片气路控制层模具，通过在气路控制层上所设计的圆形阵列拉伸区具有尺寸梯度，从而构建出拉伸应变梯度。
3、本公开提供的拓扑结构的单轴细胞拉伸芯片及其制备方法，利用甩胶旋涂方法制备不同厚度的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜。系统地研究了聚二甲基硅氧烷(PDMS)配制比例和甩胶旋涂参数与制备的薄膜厚度的定量关系，进而制备出厚度可控的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜。
4、本公开提供的拓扑结构的单轴细胞拉伸芯片及其制备方法，设计具有不同尺寸的周期沟槽结构；通过有限元建模仿真，分析具有周期沟槽结构的弹性薄膜在一定气体压力作用下的变形场和应变场，成功利用周期性沟槽结构设计在周向应变场上构建出单轴拉伸应变场。
5、本公开提供的拓扑结构的单轴细胞拉伸芯片及其制备方法，以有限元应变模拟结果作为设计指导原则，利用上述紫外光刻工艺制备出周期沟槽结构光刻胶模具；参考上述聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜制备方法，通过甩胶旋涂法制备出厚度可控的、具有沟槽结构的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜拉伸层。
6、本公开提供的拓扑结构的单轴细胞拉伸芯片及其制备方法，通过等离子体键合工艺将气路控制层和具有沟槽结构的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜拉伸层牢固的键合封装，制备得到密封良好的单轴梯度应变细胞拉伸芯片。
7、本公开提供的拓扑结构的单轴细胞拉伸芯片及其制备方法，使用等离子体键合工艺在芯片拉伸层上键合封装玻璃培养环，最终得到支持长时间细胞培养、性能稳定、生物相容性良好、可施加单轴拉伸力学刺激的细胞拉伸芯片，为开展细胞力学研究和细胞-药物相互作用等研究提供了强有力的支持。
附图说明
通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1为依照本公开实施例的拓扑结构的单轴细胞拉伸芯片的结构示意图，其中(a)为芯片气路控制层设计，(b)为细胞拉伸芯片实物图；
图2为依照本公开实施例的制备拓扑结构的单轴细胞拉伸芯片的方法流程图；
图3为依照本公开实施例的制备拓扑结构的单轴细胞拉伸芯片的工艺流程图；
图4为依照本公开实施例的具有周期沟槽结构聚二甲基硅氧烷薄膜拉伸层示意图，其中(a)为拉伸区域沟槽结构，(b)为拉伸区域沟槽结构实物图；
图5为依照本公开实施例的拓扑结构的单轴细胞拉伸芯片拉伸变形场有限元仿真结果；
图6为依照本公开实施例的拓扑结构的单轴细胞拉伸芯片应变场有限元仿真结果，其中(a)为沟槽宽度应变场，(b)为沟槽长度应变场，(c)为沟槽截面应变场；
图7为依照本公开实施例的拓扑结构的单轴细胞拉伸芯片细胞实验的照片。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。说明书与权利要求书中所使用的序数例如“S1”、“S2”、“S3”等的用词，以修饰权利要求项的步骤，其本身并不意含及代表该请求步骤有任何之前的序数，也不代表某一请求步骤与另一请求步骤的顺序、或是制造方法上的顺序，这些序数的使用仅用来使具有某命名的一请求步骤得以和另一请求步骤能作出清楚区分。
本公开的实施例提供的拓扑结构的单轴细胞拉伸芯片及其制备方法，利用紫外曝光技术制备具有阵列化圆形拉伸区域的芯片气路控制层模具；该气路控制层上所设计的圆形阵列拉伸区具有尺寸梯度，从而构建出应变梯度。利用甩胶旋涂方法制备不同厚度的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜。系统地研究了聚二甲基硅氧烷(PDMS)配制比例和甩胶旋涂参数与制备的薄膜厚度的定量关系，进而制备出厚度可控的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜。利用原子力显微镜技术测量不同配比和厚度的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜的杨氏模量。设计具有不同尺寸的周期沟槽结构；通过有限元建模仿真，分析具有周期沟槽结构的薄膜在一定气体压力作用下的变形场和应变场，成功利用周期性沟槽结构设计在周向应变场上构建出单轴应变场。以有限元应变模拟结果作为设计指导原则，利用上述紫外光刻工艺制备出周期沟槽结构光刻胶模具；参考上述聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜制备方法，通过甩胶旋涂法制备出厚度可控的、具有沟槽结构的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜拉伸层。通过等离子体键合工艺将气路控制层和具有沟槽结构的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜拉伸层牢固的键合封装，制备得到密封良好的单轴梯度应变细胞拉伸芯片。然后使用等离子体键合工艺在芯片拉伸层上键合封装玻璃培养环，最终得到支持长时间细胞培养、性能稳定、生物相容性良好、可施加单轴拉伸力学刺激的细胞拉伸芯片，为开展细胞力学研究和细胞-药物相互作用等研究提供了强有力的支持。
如图1所示，图1为依照本公开实施例的拓扑结构的单轴细胞拉伸芯片的结构示意图，其中(a)为芯片气路控制层设计，(b)为细胞拉伸芯片实物图。
本公开实施例的拓扑结构的单轴细胞拉伸芯片，在具体设计过程中，根据需求设计绘制不同尺寸和形状的拉伸单元区域；合理规划气路的排列路径；确保相邻拉伸单元区域之间有足够的间隔距离；通过阵列化布置拉伸单元区域提高拉伸作用的通量；合理规划掩膜版整体设计布局，以适应基底的尺寸和形状要求。如图1所示，本公开中的细胞拉伸芯片的拉伸单元主要为直径500、600、800、1000微米的圆形。每个圆形区域通过阵列化形成拉伸单元组布局，相邻圆形之间的间距为一个单元直径。每个单元通过宽度为100微米的气路管道连接。
本公开实施例的拓扑结构的单轴细胞拉伸芯片，包括：透明玻璃基底，以及形成于该基底上的多个拉伸单元；其中，该多个拉伸单元形式上为阵列化布置的多个圆形，相邻的两个拉伸单元之间通过气路管道连接。
在本公开实施例中，所述透明玻璃基底采用标准0号盖玻片基底。所述多个拉伸单元中的每个多个拉伸单元包括圆形空腔和形成在该圆形空腔上方具有周期沟槽结构的弹性薄膜层，其中，所述圆形空腔作为气路控制层，采用气路管道来实现相邻的两个拉伸单元之间的连接；所述弹性薄膜层作为薄膜拉伸层，采用具有微米尺度周期性沟槽结构的特定厚度的聚二甲基硅氧烷薄膜。所述特定厚度的范围是30-70μm之间，可选地特定厚度是50μm。进而，本公开实施例的拓扑结构的单轴细胞拉伸芯片为三层结构，下层是作为基底，可以是透明玻璃基底，一般采用标准0号盖玻片；与基底相连的中间层为气路控制层，最上层为具有周期沟槽结构的弹性薄膜层，弹性薄膜层作为薄膜拉伸层，采用具有微米尺度周期性沟槽结构的特定厚度的聚二甲基硅氧烷薄膜。
在本公开实施例中，所述透明玻璃基底、所述气路控制层与所述薄膜拉伸层之间系通过等离子体键合形成永久性层间结合。
在本公开实施例中，所述薄膜拉伸层的表面进一步键合有玻璃培养环。
在本公开实施例中，所述多个圆形具有相同或不同的直径，相同直径的圆形构成一个拉伸单元组，在同一拉伸单元组中相邻圆形之间的间距为一个圆形的直径。可选地，所述圆形的直径为500μm、600μm、800μm或1000μm。
基于图1所示的依照本公开实施例的拓扑结构的单轴细胞拉伸芯片的结构示意图，图2示出了依照本公开实施例的制备拓扑结构的单轴细胞拉伸芯片的方法流程图，该方法包括以下步骤：
步骤S1：设计细胞拉伸芯片结构，绘制气路控制层掩模板图案和薄膜拉伸层掩模板图案；
步骤S2：利用气路控制层掩模板制备气路控制层光刻胶模具，利用薄膜拉伸层掩模板制备薄膜拉伸层光刻胶模具；
步骤S3：对制备的气路控制层光刻胶模具进行表面处理，利用聚二甲基硅氧烷浇筑翻模工艺制备气路控制层；
步骤S4：利用薄膜拉伸层光刻胶模具制备表面具有沟槽结构的聚二甲基硅氧烷薄膜拉伸层；以及
步骤S5：选择合适基底，采用等离子体键合技术完成基底、气路控制层和聚二甲基硅氧烷细胞拉伸层的层间结合以及与培养环封装。
在本公开实施例中，步骤S1中所述设计细胞拉伸芯片结构，绘制气路控制层掩模板图案和薄膜拉伸层掩模板图案的步骤是利用计算机辅助软件完成的，具体包括：
步骤S11：设计绘制不同尺寸和形状的拉伸单元区域；
步骤S12：合理规划气路排列路径，确保相邻拉伸单元区域之间有足够的间隔距离；
步骤S13：阵列化布置拉伸单元区域，合理规划掩膜板整体设计布局，以适应基底的尺寸要求和显微观察的视野要求；
步骤S14：阵列化设计细胞拉伸芯片的气路控制层，并形成尺寸梯度；
在本步骤中，在绘制气路控制层时，规划直径500、600、800、1000微米不等的四种圆形拉伸区域；每种尺寸的圆形拉伸区阵列化布置，以提高实验通量；相邻的圆形拉伸单元使用40～60微米宽度的气路管道连接，可选地是使用50微米宽度的气路管道连接。
步骤S15：绘制周期性的微米沟槽，合理设置条纹的宽度和间距。
在本公开实施例中，步骤S1中所述设计细胞拉伸芯片结构，绘制气路控制层掩模板和薄膜拉伸层掩模板的步骤之后，还包括：对设计的细胞拉伸芯片结构进行仿真模拟，分析具有周期沟槽结构的薄膜拉伸层在一定气体压力作用下的变形场和应变场。
在本步骤中，利用有限元模型对平整的弹性薄膜进行拉伸变形仿真，在仿真过程中，着重考虑薄膜杨氏模量、圆形区域直径和薄膜厚度等因素与薄膜在压力作用下所产生的周向拉伸应变之间的关系；物理场中边界条件的设置应根据实际变形情况进行固定约束和自由边界的设置；该有限元模型中的边界载荷为加载到圆形细胞拉伸区域的气体压力。
为了提高仿真结果的精确度，产生大变形时选择超弹性材料模型Neo-Hookean来分析，该超弹性材料模型Neo-Hookean的稳态变形采用如下的公式描述：
其中，Um表示薄膜水凝胶材料变性能，μm表示薄膜的材料系数，I1为变形第一不变量。
利用有限元模型对具有沟槽结构的弹性薄膜进行拉伸变形仿真，在平整弹性薄膜仿真结果的基础上，着重考虑沟槽结构的尺寸参数和空间位置对薄膜周向拉伸应变场的约束影响。为了提高有限元计算精度，在对细胞拉伸芯片进行仿真建模时，采用局部细化的自适用移动网格技术进行网格划分，仿真结果的观测视角为笛卡尔正交坐标系下薄膜沟槽结构上的应变分量，比较两正交应变分量的比值以及特定区域内两个应变分量的分布均匀度，以此作为评价沟槽结构约束诱导的单轴应变场的应变水平和分布。
在本公开实施例中，步骤S2中所述利用气路控制层掩模板制备气路控制层光刻胶模具，利用薄膜拉伸层掩模板制备薄膜拉伸层光刻胶模具的步骤是利用光刻工艺完成的，具体包括：
步骤S21：采用匀胶机甩胶旋涂在单面抛光的硅片基底上制备一定厚度的负性光刻胶层；
步骤S22：计算曝光剂量，利用紫外曝光机对光刻胶层进行曝光处理，将绘制的气路控制层掩模板图案和薄膜拉伸层掩模板图案转移到光刻胶层上；
步骤S23：选用坚膜工艺参数，在程控加热板或烘箱中进行加热坚膜处理，促进光刻胶层的交联反应；其中，该坚膜工艺参数至少包括加热时间和加热温度；
步骤S24：选用显影液，调整光刻胶层的显影参数进行显影，使光刻胶层中未被曝光的光刻胶区域被溶解掉，将曝光转移的芯片结构凸现；其中，该显影参数至少包括显影浓度和显影时间；以及
步骤S25：采用高压氮气吹干显影后的光刻胶层表面并清洁处理，干燥保存。
在本公开实施例中，步骤S3中所述对制备的气路控制层光刻胶模具进行表面处理，利用聚二甲基硅氧烷浇筑翻模工艺制备气路控制层的步骤，具体包括：
步骤S31：对制备的气路控制层光刻胶模具做硅烷化处理；
在本步骤中，所述对制备的气路控制层光刻胶模具做硅烷化处理，具体包括：采用化学气相沉积方法在制备的气路控制层光刻胶模具上通过硅烷化获得超疏水涂层，其中，选用的硅烷化试剂为全氟辛基三氯硅烷，气相沉积时将气路控制层光刻胶模具面朝上放置在干燥釜内，使用移液枪在边缘滴加适量的硅烷试剂；启动真空泵将干燥釜内压力抽到真空状态并保持2～4小时，可选地真空保持3小时。
步骤S32：将聚二甲基硅氧烷的基础液与聚合液按照5∶1至20∶1的质量比充分混匀配制聚二甲基硅氧烷预聚液，并做除泡处理备用；其中，可选地聚合液的质量比为10∶1；
步骤S33：将已抽除气泡的聚二甲基硅氧烷预聚液浇筑在已表面硅烷化处理的气路控制层光刻胶模具上；
步骤S34：放置在已调整水平的加热台上，加热台梯度升温加热聚二甲基硅氧烷预聚液使其固化，固化后脱模即制备得到细胞拉伸芯片的气路控制层结构。
在本公开实施例中，步骤S4中所述利用薄膜拉伸层光刻胶模具制备表面具有沟槽结构的聚二甲基硅氧烷薄膜拉伸层的步骤，具体包括：
步骤S41：利用化学气相沉积法对薄膜拉伸层光刻胶模具表面进行硅烷化获得表面超疏水效果；
在本步骤中，所述利用化学气相沉积法对薄膜拉伸层光刻胶模具表面进行硅烷化获得表面超疏水效果的步骤中，选用的沉积试剂为全氟辛基三氯硅烷，气相沉积时将薄膜拉伸层光刻胶模具面朝上放置在干燥釜内，使用移液枪在边缘滴加适量的硅烷试剂；启动真空泵将干燥釜内压力抽到真空状态并保持一段时间，可选地真空保持数小时，例如3小时；真空状态下气化的全氟硅烷会逐渐在薄膜拉伸层光刻胶模具表面上沉积形成一层分子层，该分子层表现为超疏水性质，能够降低表面能，防止浇筑脱模时的粘连。
步骤S42：采用甩胶旋涂法在表面硅烷化的沟槽结构光刻胶层模具上制备具有沟槽结构的聚二甲基硅氧烷薄膜拉伸层；
在本步骤中，所述采用甩胶旋涂法在表面硅烷化的沟槽结构光刻胶层模具上制备具有沟槽结构的聚二甲基硅氧烷薄膜拉伸层的步骤中，将聚二甲基硅氧烷的基础液与聚合液按照5∶1至20∶1的质量比充分混匀配置预聚液，取适量混匀的预聚液浇筑在硅烷化的沟槽模具表面，然后静置在真空釜中并在负压条件下抽除气泡以确保预聚液充分填充沟槽结构。其中，可选地聚合液的质量比为10∶1。
步骤S43：抽除气泡后，将其安放到匀胶机上并真空吸附，设置低速旋涂阶段的转速和时间，以及高速旋涂阶段的转速和时间，得到表面平整、厚度精确的具有沟槽结构的聚二甲基硅氧烷薄膜；
步骤S44：将旋涂好的聚二甲基硅氧烷薄膜移至程控加热台上加热使其充分交联固化，最终得到结构完整、厚度精确、杨氏模量可控的具有周期沟槽结构的聚二甲基硅氧烷薄膜拉伸层。
在本公开实施例中，步骤S5中所述选择合适基底，采用等离子体键合技术完成基底、气路控制层和聚二甲基硅氧烷细胞拉伸层的层间结合以及与培养环封装的步骤，具体包括：
步骤S51：选择标准0号盖玻片作为基底，采用等离子体键合工艺对该基底、制备的芯片气压力控制层和具有周期沟槽结构的聚二甲基硅氧烷薄膜拉伸层在等离子体清洗机中进行表面等离子体活化以提高表面能，得到超亲水的表面；
步骤S52：通过调整优化等离子体处理功率、处理时间等工艺参数来提高层间的结合强度，减少薄膜拉伸层表面起皱、裂纹等缺陷，既确保芯片层间较好的结合强度，又防止芯片在工作过程中的泄露和薄膜的破裂；
步骤S53：将等离子体处理后基底、芯片气压力控制层和具有周期沟槽结构的聚二甲基硅氧烷薄膜拉伸层在显微镜下对准贴合，观察到亲水表面的完整结合，没有残余气泡或产生褶皱；
步骤S54：将对准贴合后的键合结构转移到加热台上进行梯度升温加热，调整升温速率以降低层间的热应力，提高层间结合力；
步骤S55：使用特定内径的打孔器在芯片表面打制出气路入口；
步骤S56：按照相同的键合操作将一定内径的玻璃培养环键合到双层结构薄膜拉伸层表面，最终得到单轴梯度应变细胞拉伸芯片。其中，所述一定内径的玻璃培养环可选用内径为20毫米的玻璃培养环。
在本公开实施例中，步骤S5中所述选择合适基底，采用等离子体键合技术完成基底、气路控制层和聚二甲基硅氧烷细胞拉伸层的层间结合以及与培养环封装的步骤之后，还包括对制备的细胞拉伸芯片进行灭菌处理和表面修饰，具体包括：
步骤S61：使用紫外照射进行灭菌处理；
在本步骤中，选用适当光强的紫外光在无菌操作台中照射2～4小时进行灭菌，可选地照射3小时，获得无菌、力学性质稳定的多层应变细胞拉伸芯片。
步骤S62：采用液相修饰法在细胞拉伸芯片表面滴加I型胶原蛋白对芯片表面进行功能修饰；
在本步骤中，使用1倍的磷酸盐缓冲液将I型胶原蛋白稀释到40～60微克/毫升的浓度，可选地稀释到50微克/毫升的浓度，使用移液枪吸取适量的I型胶原蛋白稀释液滴加到芯片培养环中充分覆盖薄膜表面，然后转移到二氧化碳培养箱中孵育蛋白1～3小时。
步骤S63：将芯片转移到细胞培养箱中放置，使I型胶原蛋白充分吸附到芯片的薄膜拉伸层沟槽表面；以及
步骤S64：I型胶原蛋白充分吸附后，吸弃稀释液，滴加适量的磷酸盐缓冲液待用。
基于图2所示的依照本公开实施例的制备拓扑结构的单轴细胞拉伸芯片的方法流程图，图3示出了依照本公开实施例的制备拓扑结构的单轴细胞拉伸芯片的工艺流程图。
在图3中，首先需要对作为光刻胶模具制备基底的单面抛光硅片进行表面清洁和干燥处理，以备使用。
清洁处理基底的操作为依次使用丙酮、无水乙醇和去离子水进行超声清洁；干燥处理为在氮气氛围炉中加热干燥。可选地，本公开实施例中使用上述三种溶剂对盖玻片进行超声清洁1小时；利用压缩氮气吹干残余溶液再放入氮气氛围炉中加热干燥2小时。
芯片中层结构的气路控制层使用光刻微加工工艺进行制备。光刻微加工工艺是利用甩胶旋涂工艺在硅片上得到一定厚度的光敏的光刻胶层；然后利用紫外光对感光胶层进行曝光处理，从而将掩膜版上设计的图案转移到感光光刻胶层。光刻胶层中被曝光区域的胶层将发生光致交联反应(或解交联反应)，该区域的光刻胶大分子成链(或分子链断开)。当将被曝光的光刻胶浸没在相应的显影液中时，未交联的大分子将溶解在显影液中，成链的光刻胶大分子不被溶解，从而在基底上形成具有一定高度的三维结构。利用光刻得到的光刻胶层结构作为模具，通过浇筑翻模工艺即可制备得到所设计的气路控制层。同样地，通过光刻工艺可在硅片上制备具有周期沟槽光刻胶模具，然后在该模具上表面利用甩胶旋涂工艺可制备具有一定厚度的聚二甲基硅氧烷弹性薄膜，该弹性薄膜即作为细胞拉伸芯片的上层结构，并实现细胞的贴壁培养和气致单轴拉伸作用。
可选地，本公开实施例中选用SU8-3025负性光刻胶作为感光胶层，在单面抛光硅片表面甩胶旋涂得到光刻胶层。可选地，旋涂参数为低速500转/分钟旋涂15秒，高速2000转/秒旋涂45秒。旋涂后的光刻胶层进行前烘处理以蒸发部分溶剂，可选地前烘工艺参数为95℃加热10分钟。
前烘完成后对光刻胶层进行紫外曝光。曝光前首先使用紫外辐照器测量光刻机的紫外光光强EUV(单位为瓦/平方厘米)；通过SU8光刻胶参数表得到该光刻胶的曝光剂量为Q(单位为焦耳)，由此即可计算得到所需曝光时间Texp，即：
曝光完成后立即对光刻胶层进行后烘加热处理，以促进交联反应的继续进行。可选地，本公开中曝光后使用的后烘工艺参数为65摄氏度加热4分钟，然后升温到95摄氏度，加热10分钟。
后烘完成后，待光刻胶层冷却至室温然后进行下一步显影处理。显影时使用的显影液为SU8光刻胶专用显影液。可选地，本公开中显影工艺参数为显影4分钟，然后取出用异丙醇淋清检查是否显影彻底，最后用去离子水清洗并用氮气吹干。制备得到SU8光刻胶模具后，在浇筑翻模PDMS气路控制层前需要对其进行硅烷化处理以便于浇筑后的脱模。可选地，本公开中选用全氟硅烷试剂在真空条件下气相沉积实现硅烷化处理。具体的操作，即在真空釜中通过抽气形成真空条件，预先滴加在光刻胶层附近的全氟硅烷溶液气化，然后在光刻胶表面沉积形成一层分子层。
浇筑翻模工艺即使用图案化的光刻胶作为模具，将按照特定比例配置的聚二甲基硅氧烷预聚液浇筑在模具上，并加热固化形成结构。可选地，本公开中使用基础剂和交联剂配比为15∶1比例的聚二甲基硅氧烷进行浇筑，然后在热板上100摄氏度加热1小时固化形成三维结构。将固化的三维结构起模，使用内径0.5的打孔器打孔作为气路的入口。
如上述操作，使用甩胶旋涂工艺可制备具有沟槽结构的特定厚度聚二甲基硅氧烷弹性薄膜。可选地，本公开中使用基础剂和交联剂配比为15∶1比例的聚二甲基硅氧烷在硅片上进行旋涂。具体的旋涂参数为低速50转/分钟旋涂15秒，高速1500转/秒旋涂45秒。旋涂完成后加热固化，具体的固化参数为100℃加热1小时并随炉冷却至室温。图4示出了依照本公开实施例的具有周期沟槽结构聚二甲基硅氧烷薄膜拉伸层示意图，其中(a)为拉伸区域沟槽结构，(b)为拉伸区域沟槽结构实物图。
将上述操作中制备得到的气路控制层、具有沟槽结构的薄膜拉伸层和0号盖玻片玻璃基底进行层间结合封装。具体地，本公开中使用等离子体键合工艺完成层间结合封装。可选地，本公开中使用的等离子体键合工艺参数为1000V击穿电压下表面处理30秒。表面处理后，迅速加上述各层被处理表面紧密平整贴合并加热处理，具体的加热参数为85摄氏度加热三小时。最终制备得到三层结构且层间结合良好的细胞拉伸芯片。为了提供支持细胞贴壁生长的环境，使用上述步骤中描述的等离子体键合工艺参数将与芯片尺寸相匹配的石英环键合到制备好的细胞拉伸芯片薄膜层上，构成片上的细胞培养池，并对粘接成型的细胞拉伸芯片进行密封性和变形性测试。
图5为依照本公开实施例的拓扑结构的单轴细胞拉伸芯片拉伸变形场有限元仿真结果。有限元仿真结果表明，压力作用下，单轴梯度应变细胞拉伸芯片中，每个拉伸单元腔室上层具有沟槽结构的薄膜拉伸层发生了显著的周向膨胀变形。膨胀变形体现在薄膜在高度方向上产生位移，并且该位移从圆形拉伸腔室边缘到中心处逐渐增大，中心处的膨胀位移最大。有限元仿真结果还表明，具有沟槽结构的薄膜拉伸层在发生周向膨胀变形时，沟槽结构在长度方向上被显著拉长，在宽度方向上收缩。通过比较变形特点，该沟槽结构的变形形式与传统的单轴拉伸变形形式一致。
图6为依照本公开实施例的拓扑结构的单轴细胞拉伸芯片应变场有限元仿真结果，其中(a)为沟槽宽度应变场，(b)为沟槽长度应变场，(c)为沟槽截面应变场。考察细胞拉伸芯片上构建的单轴拉伸应变场必须在笛卡尔坐标系下将应变进行正交分解，然后比较两个应变分量的应变水平和应变分布。本实例中将单轴细胞拉伸芯片应变按照沟槽的宽度和长度进行分解。图(a)表明，沟槽上表面宽度方向上的应变性质上表现为负应变，即泊松效应导致的收缩。该宽度方向的应变由于受到沟槽下表面处薄膜周向膨胀的影响，宽度方向上沟槽收缩程度减小，因而沟槽宽度的收缩应变量较小。图(b)表明，沟槽上表面长度方向上的应变性质上表现为正应变，表明沟槽随着其下表面处薄膜的周向膨胀共同产生拉伸。由于长度上沟槽的伸长并没有其他结构约束，因此沟槽长度的拉伸应变量较大，相比于沟槽宽度方向上的收缩应变水平，长度方向上的拉伸应变更显著。此外，图(c)中沟槽截面上的有限元模拟应变场分布表明，在压力作用下，芯片上拉伸单元膨胀产生高度上的位移，从而在具有沟槽结构的薄膜拉伸层表面产生受沟槽结构调制的应变场。该应变分布在沟槽的上表面内并作用有一定的深度范围，该作用深度范围大于单细胞尺度(约十微米)小于本实例中沟槽高度(约50微米)。
图7为依照本公开实施例的拓扑结构的单轴细胞拉伸芯片细胞实验的照片。其中(a)为沟槽底部细胞排向相差图，(b)为沟槽顶部细胞排向相差图。从图(b)中可以看到，沟槽顶部由于具有单轴拉伸应变场作用，细胞在顶部的排向上呈现出典型的细胞单轴拉伸实验中细胞垂直于拉伸方向的排向响应。该实验现象有力的证明了本实例中所设计制备的基于沟槽结构诱导的单轴细胞拉伸芯片能够实现传统细胞单轴拉伸技术中对细胞的拉伸力学刺激。此外，相比于传统细胞单轴拉伸技术，本实例中所设计制备的基于沟槽结构诱导的单轴应变细胞拉伸芯片还具有拉伸应变可调、拉伸实验通量高、细胞原位培养观测等突出优点。
在使用制备的细胞拉伸芯片进行细胞拉伸刺激前，为了确保细胞良好的贴壁生长，需要对芯片进行灭菌处理和表面修饰。可选地，本公开中使用75％的乙醇溶液浸泡细胞拉伸芯片2小时，然后将乙醇灭菌后的细胞拉伸芯片干燥处理，最后放置在紫外光下光照灭菌数小时对芯片进行彻底的灭菌。灭菌后的细胞拉伸芯片需要进行表面修饰。可选地，本公开中芯片表面修饰的具体操作为使用预先配置好的特定浓度的胶原蛋白溶液在片上培养池中进行表面胶原蛋白孵育，从而改善聚二甲基硅氧烷薄膜表面的细胞黏附性。
至此，已经结合附图对本公开进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开有了清楚的认识。
在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
当然，根据实际需要，本公开还可以包含其他的部分，由于同本公开的创新之处无关，此处不再赘述。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
此外，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。说明书中示例的各个实施例中的技术特征在无冲突的前提下可以进行自由组合形成新的方案，另外每个权利要求可以单独作为一个实施例或者各个权利要求中的技术特征可以进行组合作为新的实施例。再者，附图中未绘示或描述的元件或实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。
除非存在技术障碍或矛盾，本公开的上述各种实施方式可以自由组合以形成另外的实施例，这些另外的实施例均在本公开的保护范围中。
虽然结合附图对本公开进行了说明，但是附图中公开的实施例旨在对本公开优选实施方式进行示例性说明，而不能理解为对本公开的一种限制。附图中的尺寸比例仅仅是示意性的，并不能理解为对本公开的限制。
虽然本公开总体构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本总体公开构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本公开的范围以权利要求和它们的等同物限定。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (25)
1.一种拓扑结构的单轴细胞拉伸芯片，其特征在于，包括：
透明玻璃基底，以及
形成于该透明玻璃基底上的多个拉伸单元；
其中，该多个拉伸单元形式上为阵列化布置的多个圆形，相邻的两个拉伸单元之间通过气路管道连接。
2.根据权利要求1所述的拓扑结构的单轴细胞拉伸芯片，其特征在于，所述多个拉伸单元中的每个多个拉伸单元包括：
圆形空腔；以及
形成在该圆形空腔上方具有周期沟槽结构的弹性薄膜层；
其中，所述圆形空腔作为气路控制层，采用气路管道来实现相邻的两个拉伸单元之间的连接；所述弹性薄膜层作为薄膜拉伸层，采用具有微米尺度周期性沟槽结构的特定厚度的聚二甲基硅氧烷薄膜。
3.根据权利要求2所述的拓扑结构的单轴细胞拉伸芯片，其特征在于，所述特定厚度的范围是30-70μm之间。
4.根据权利要求3所述的拓扑结构的单轴细胞拉伸芯片，其特征在于，所述特定厚度是50μm。
5.根据权利要求2所述的拓扑结构的单轴细胞拉伸芯片，其特征在于，所述透明玻璃基底、所述气路控制层与所述薄膜拉伸层之间系通过等离子体键合形成永久性层间结合。
6.根据权利要求2所述的拓扑结构的单轴细胞拉伸芯片，其特征在于，所述薄膜拉伸层的表面进一步键合有玻璃培养环。
7.根据权利要求1所述的拓扑结构的单轴细胞拉伸芯片，其特征在于，所述多个圆形具有相同或不同的直径，相同直径的圆形构成一个拉伸单元组，在同一拉伸单元组中相邻圆形之间的间距为一个圆形的直径。
8.根据权利要求7所述的拓扑结构的单轴细胞拉伸芯片，其特征在于，所述圆形的直径为500μm、600μm、800μm和1000μm。
9.根据权利要求1所述的拓扑结构的单轴细胞拉伸芯片，其特征在于，所述透明玻璃基底为标准0号盖玻片。
10.一种权利要求1至9中任一项所述的拓扑结构的单轴细胞拉伸芯片的制备方法，其特征在于，包括：
设计细胞拉伸芯片结构，绘制气路控制层掩模板图案和薄膜拉伸层掩模板图案；
利用气路控制层掩模板制备气路控制层光刻胶模具，利用薄膜拉伸层掩模板制备薄膜拉伸层光刻胶模具；
对制备的气路控制层光刻胶模具进行表面处理，利用聚二甲基硅氧烷浇筑翻模工艺制备气路控制层；
利用薄膜拉伸层光刻胶模具制备表面具有沟槽结构的聚二甲基硅氧烷薄膜拉伸层；以及
选择合适基底，采用等离子体键合技术完成基底、气路控制层和聚二甲基硅氧烷细胞拉伸层的层间结合以及与培养环封装。
11.根据权利要求10所述的拓扑结构的单轴细胞拉伸芯片的制备方法，其特征在于，所述设计细胞拉伸芯片结构，绘制气路控制层掩模板图案和薄膜拉伸层掩模板图案的步骤是利用计算机辅助软件完成的，具体包括：
设计绘制不同尺寸和形状的拉伸单元区域；
合理规划气路排列路径，确保相邻拉伸单元区域之间有足够的间隔距离；
阵列化布置拉伸单元区域，合理规划掩膜板整体设计布局，以适应基底的尺寸要求和显微观察的视野要求；
阵列化设计细胞拉伸芯片的气路控制层，并形成尺寸梯度；以及
绘制周期性的微米沟槽，合理设置沟槽的宽度和间距。
12.根据权利要求11所述的拓扑结构的单轴细胞拉伸芯片的制备方法，其特征在于，所述阵列化设计细胞拉伸芯片的气路控制层，并形成尺寸梯度的步骤，包括：
在绘制气路控制层时，规划直径500、600、800、1000微米不等的四种圆形拉伸区域；每种尺寸的圆形拉伸区阵列化布置，以提高实验通量；相邻的圆形拉伸单元使用气路管道连接。
13.根据权利要求10所述的拓扑结构的单轴细胞拉伸芯片的制备方法，其特征在于，所述设计细胞拉伸芯片结构，绘制气路控制层掩模板和薄膜拉伸层掩模板的步骤之后，还包括对设计的细胞拉伸芯片结构进行仿真模拟，分析具有周期沟槽结构的薄膜拉伸层在一定气体压力作用下的变形场和应变场，具体包括：
利用有限元模型对平整的弹性薄膜进行拉伸变形仿真，在仿真过程中，着重考虑薄膜杨氏模量、圆形区域直径和薄膜厚度因素与薄膜在压力作用下所产生的周向拉伸应变之间的关系；物理场中边界条件的设置应根据实际变形情况进行固定约束和自由边界的设置；该有限元模型中的边界载荷为加载到圆形细胞拉伸区域的气体压力；
利用有限元模型对具有沟槽结构的弹性薄膜进行拉伸变形仿真，在平整弹性薄膜仿真结果的基础上，着重考虑沟槽结构的尺寸参数和空间位置对薄膜周向拉伸应变场的约束影响。
14.根据权利要求13所述的拓扑结构的单轴细胞拉伸芯片的制备方法，其特征在于，所述利用有限元模型对平整的弹性薄膜进行拉伸变形仿真的步骤中，为了提高仿真结果的精确度，产生大变形时选择超弹性材料模型Neo-Hookean来分析，该超弹性材料模型Neo-Hookean的稳态变形采用如下的公式描述：
其中，Um表示薄膜水凝胶材料变性能，μm表示薄膜的材料系数，I1为变形第一不变量。
15.根据权利要求13所述的拓扑结构的单轴细胞拉伸芯片的制备方法，其特征在于，所述利用有限元模型对具有沟槽结构的弹性薄膜进行拉伸变形仿真的步骤中，为了提高有限元计算精度，在对细胞拉伸芯片进行仿真建模时，采用局部细化的自适用移动网格技术进行网格划分，仿真结果的观测视角为笛卡尔正交坐标系下薄膜沟槽结构上的应变分量，比较两正交应变分量的比值以及特定区域内两个应变分量的分布均匀度，以此作为评价沟槽结构约束诱导的单轴应变场的应变水平和分布。
16.根据权利要求10所述的拓扑结构的单轴细胞拉伸芯片的制备方法，其特征在于，所述利用气路控制层掩模板制备气路控制层光刻胶模具，利用薄膜拉伸层掩模板制备薄膜拉伸层光刻胶模具的步骤是利用光刻工艺完成的，具体包括：
采用匀胶机甩胶旋涂在单面抛光的硅片基底上制备一定厚度的负性光刻胶层；
计算曝光剂量，利用紫外曝光机对光刻胶层进行曝光处理，将绘制的气路控制层掩模板图案和薄膜拉伸层掩模板图案转移到光刻胶层上；
选用坚膜工艺参数，在程控加热板或烘箱中进行加热坚膜处理，促进光刻胶层的交联反应；该坚膜工艺参数至少包括加热时间和加热温度；
选用显影液，调整光刻胶层的显影参数进行显影，使光刻胶层中未被曝光的光刻胶区域被溶解掉，将曝光转移的芯片结构凸现；该显影参数至少包括显影浓度和显影时间；以及
采用高压氮气吹干显影后的光刻胶层表面并清洁处理，干燥保存。
17.根据权利要求10所述的拓扑结构的单轴细胞拉伸芯片的制备方法，其特征在于，所述对制备的气路控制层光刻胶模具进行表面处理，利用聚二甲基硅氧烷浇筑翻模工艺制备气路控制层的步骤，具体包括：
对制备的气路控制层光刻胶模具做硅烷化处理；
将聚二甲基硅氧烷的基础液与聚合液按照5∶1至20∶1的质量比充分混匀配制聚二甲基硅氧烷预聚液，并做除泡处理备用；
将已抽除气泡的聚二甲基硅氧烷预聚液浇筑在已表面硅烷化处理的气路控制层光刻胶模具上；
放置在已调整水平的加热台上，加热台梯度升温加热聚二甲基硅氧烷预聚液使其固化，固化后脱模即制备得到细胞拉伸芯片的气路控制层结构。
18.根据权利要求17所述的拓扑结构的单轴细胞拉伸芯片的制备方法，其特征在于，所述对制备的气路控制层光刻胶模具做硅烷化处理，具体包括：
采用化学气相沉积方法在制备的气路控制层光刻胶模具上通过硅烷化获得超疏水涂层，其中，选用的硅烷化试剂为全氟辛基三氯硅烷，气相沉积时将气路控制层光刻胶模具面朝上放置在干燥釜内，使用移液枪在边缘滴加硅烷试剂；启动真空泵将干燥釜内压力抽到真空状态并保持一段时间。
19.根据权利要求10所述的拓扑结构的单轴细胞拉伸芯片的制备方法，其特征在于，所述利用薄膜拉伸层光刻胶模具制备表面具有沟槽结构的聚二甲基硅氧烷薄膜拉伸层的步骤，具体包括：
利用化学气相沉积法对薄膜拉伸层光刻胶模具表面进行硅烷化获得表面超疏水效果；
采用甩胶旋涂法在表面硅烷化的沟槽结构光刻胶层模具上制备具有沟槽结构的聚二甲基硅氧烷薄膜拉伸层；
抽除气泡后，将其安放到匀胶机上并真空吸附，设置低速旋涂阶段的转速和时间，以及高速旋涂阶段的转速和时间，得到表面平整、厚度精确的具有沟槽结构的聚二甲基硅氧烷薄膜；
将旋涂好的聚二甲基硅氧烷薄膜移至程控加热台上加热使其充分交联固化，最终得到结构完整、厚度精确、杨氏模量可控的具有周期沟槽结构的聚二甲基硅氧烷薄膜拉伸层。
20.根据权利要求19所述的拓扑结构的单轴细胞拉伸芯片的制备方法，其特征在于，所述利用化学气相沉积法对薄膜拉伸层光刻胶模具表面进行硅烷化获得表面超疏水效果的步骤中，选用的沉积试剂为全氟辛基三氯硅烷，气相沉积时将薄膜拉伸层光刻胶模具面朝上放置在干燥釜内，使用移液枪在边缘滴加适量的硅烷试剂；启动真空泵将干燥釜内压力抽到真空状态并保持一段时间；真空状态下气化的全氟硅烷会逐渐在薄膜拉伸层光刻胶模具表面上沉积形成一层分子层，该分子层表现为超疏水性质，能够降低表面能，防止浇筑脱模时的粘连。
21.根据权利要求19所述的拓扑结构的单轴细胞拉伸芯片的制备方法，其特征在于，所述使用甩胶旋涂法在表面硅烷化的沟槽结构光刻胶层基底上制备具有沟槽结构的聚二甲基硅氧烷薄膜拉伸层的步骤中，将聚二甲基硅氧烷的基础液与聚合液按照5∶1至20∶1的质量比充分混匀配置预聚液，取适量混匀的预聚液浇筑在硅烷化的沟槽模具表面，然后静置在真空釜中并在负压条件下抽除气泡以确保预聚液充分填充沟槽结构。
22.根据权利要求10所述的拓扑结构的单轴细胞拉伸芯片的制备方法，其特征在于，所述选择合适基底，采用等离子体键合技术完成基底、气路控制层和聚二甲基硅氧烷细胞拉伸层的层间结合以及与培养环封装的步骤，具体包括：
选择标准0号盖玻片作为基底，采用等离子体键合工艺对该基底、制备的芯片气压力控制层和具有周期沟槽结构的聚二甲基硅氧烷薄膜拉伸层在等离子体清洗机中进行表面等离子体活化以提高表面能，得到超亲水的表面；
通过调整优化等离子体处理功率、处理时间来提高层间的结合强度，减少薄膜拉伸层表面缺陷，既确保芯片层间较好的结合强度，又防止芯片在工作过程中的泄露和薄膜的破裂；
将等离子体处理后基底、芯片气压力控制层和具有周期沟槽结构的聚二甲基硅氧烷薄膜拉伸层在显微镜下对准贴合，观察到亲水表面的完整结合，没有残余气泡或产生褶皱；
将对准贴合后的键合结构转移到加热台上进行梯度升温加热，调整升温速率以降低层间的热应力，提高层间结合力；
使用特定内径的打孔器在芯片表面打制气路入口；
按照相同的键合操作将玻璃培养环键合到双层结构薄膜拉伸层表面，最终得到单轴梯度应变细胞拉伸芯片。
23.根据权利要求10所述的拓扑结构的单轴细胞拉伸芯片的制备方法，其特征在于，所述选择合适基底，采用等离子体键合技术完成基底、气路控制层和聚二甲基硅氧烷细胞拉伸层的层间结合以及与培养环封装的步骤之后，还包括对制备的细胞拉伸芯片进行灭菌处理和表面修饰，具体包括：
使用紫外照射进行灭菌处理；
采用液相修饰法在细胞拉伸芯片表面滴加I型胶原蛋白对芯片表面进行功能修饰；
将芯片转移到细胞培养箱中放置，使I型胶原蛋白充分吸附到芯片的薄膜拉伸层沟槽表面；以及
I型胶原蛋白充分吸附后，吸弃稀释液，滴加适量的磷酸盐缓冲液待用。
24.根据权利要求23所述的拓扑结构的单轴细胞拉伸芯片的制备方法，其特征在于，所述使用紫外照射进行灭菌处理，包括：
选用适当光强的紫外光在无菌操作台中照射2～4小时进行灭菌，获得无菌、力学性质稳定的多层应变细胞拉伸芯片。
25.根据权利要求23所述的拓扑结构的单轴细胞拉伸芯片的制备方法，其特征在于，所述采用液相修饰法在细胞拉伸芯片表面滴加I型胶原蛋白对芯片表面进行功能修饰，包括：
使用1倍的磷酸盐缓冲液将I型胶原蛋白稀释到40～60微克/毫升的浓度，使用移液枪吸取适量的I型胶原蛋白稀释液滴加到芯片培养环中充分覆盖薄膜表面，然后转移到二氧化碳培养箱中孵育蛋白1～3小时。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111445730.9A CN114196537B (zh) | 2021-11-30 | 2021-11-30 | 拓扑结构的单轴细胞拉伸芯片及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111445730.9A CN114196537B (zh) | 2021-11-30 | 2021-11-30 | 拓扑结构的单轴细胞拉伸芯片及其制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114196537A true CN114196537A (zh) | 2022-03-18 |
| CN114196537B CN114196537B (zh) | 2024-06-07 |
Family
ID=80649775
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111445730.9A Active CN114196537B (zh) | 2021-11-30 | 2021-11-30 | 拓扑结构的单轴细胞拉伸芯片及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114196537B (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115584322A (zh) * | 2022-11-15 | 2023-01-10 | 太原理工大学 | 细胞三维动态体积调控装置 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102337213A (zh) * | 2011-10-13 | 2012-02-01 | 西北工业大学 | 一种基于pdms的三维单细胞培养芯片及其可控制备方法 |
| KR20130114936A (ko) * | 2012-04-10 | 2013-10-21 | 인제대학교 산학협력단 | 세포 인장 자극기 |
| CN111971383A (zh) * | 2018-05-21 | 2020-11-20 | 深圳华大生命科学研究院 | 一种仿生肠道器官芯片及其制备方法和应用 |
| CN112574884A (zh) * | 2020-11-19 | 2021-03-30 | 深圳先进技术研究院 | 基于微流控技术的多功能器官芯片、制备方法及其应用 |
-
2021
- 2021-11-30 CN CN202111445730.9A patent/CN114196537B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102337213A (zh) * | 2011-10-13 | 2012-02-01 | 西北工业大学 | 一种基于pdms的三维单细胞培养芯片及其可控制备方法 |
| KR20130114936A (ko) * | 2012-04-10 | 2013-10-21 | 인제대학교 산학협력단 | 세포 인장 자극기 |
| CN111971383A (zh) * | 2018-05-21 | 2020-11-20 | 深圳华大生命科学研究院 | 一种仿生肠道器官芯片及其制备方法和应用 |
| CN112574884A (zh) * | 2020-11-19 | 2021-03-30 | 深圳先进技术研究院 | 基于微流控技术的多功能器官芯片、制备方法及其应用 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115584322A (zh) * | 2022-11-15 | 2023-01-10 | 太原理工大学 | 细胞三维动态体积调控装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114196537B (zh) | 2024-06-07 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5500461B2 (ja) | ２ｄ光子リソグラフィ及びナノインプリントを使用してサブミクロン３ｄ構造を製造するための３ｄ金属鋳型ならびにそのプロセス | |
| US9375873B2 (en) | Curved and flexible microfluidics | |
| KR101927637B1 (ko) | 다층 하이드로젤 자가 접힘을 이용한 생체 로봇 및 이의 제조 방법 | |
| CN111971384B (zh) | 一种仿生肠-肝器官芯片及其制备方法和应用 | |
| CN111971383B (zh) | 一种仿生肠道器官芯片及其制备方法和应用 | |
| CN111057649B (zh) | 一种微流控芯片及其制备方法与应用 | |
| ES2656509T3 (es) | Dispositivo de guiado de la migración celular y método de guiado que emplea dicho dispositivo | |
| BR112013003863B1 (pt) | Processo de fabricação de um suporte de engenharia de tecidos, processo para fabricação por processamento de luz digital contínua de um implante, processo para fabricação aditiva de um implante reabsorvível e implante | |
| CN106756777A (zh) | 一种通过应变调控褶皱表面亲疏水性可逆转变的方法及应用 | |
| CN114196537B (zh) | 拓扑结构的单轴细胞拉伸芯片及其制备方法 | |
| WO2022166600A1 (zh) | 一种基于弹性支撑体的光固化微流控芯片及其制备方法和应用 | |
| CN102145875A (zh) | 一种聚二甲基硅氧烷微纳流控芯片的制备方法 | |
| Sun et al. | A novel three-dimensional microfluidic platform for on chip multicellular tumor spheroid formation and culture | |
| Wang et al. | Micropatterned hydrogels with highly ordered cellulose nanocrystals for visually monitoring cardiomyocytes | |
| CN107916224A (zh) | 一种用于细胞微组织形成的微流控芯片及制备方法和应用 | |
| CN114355489B (zh) | 一种基于dmd数字光刻的曲面复眼透镜及其制备方法 | |
| CN114073996B (zh) | 一种嵌套式微井阵列芯片及其制备方法 | |
| CN108312659A (zh) | 图案化气泡阵列及其制备方法和应用 | |
| US20210387182A1 (en) | Reversible microfluidic chip | |
| Emeigh et al. | Fabrication of a microfluidic cell compressor using a 3D-printed mold | |
| CN115196585A (zh) | 一种磁控微纳机器人及其制作方法、用途 | |
| Chae et al. | Universal Printing Technique of Polydopamine onto Versatile Surfaces for High‐Resolution Cell Patterning Using Wet Elastomeric Stamp | |
| Bhat et al. | How to orient cells in microcavities for high resolution imaging of cytokinesis and lumen formation | |
| Linnenberger et al. | Optical trapping for tissue scaffold fabrication | |
| Nojoomi | SINGLE STEP FABRICATION OF SHAPE MORPHING 3D SURFACES |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant |