CN116445278A - 一种微流控细胞培养芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微流控细胞培养芯片，所述芯片通过上下配合的芯片层设置配合的注入孔和流道实现流体的定向流动，结合旋转体能实现上层观察孔和下层细胞凝胶池的重合或错开来切换不同的模式，培养时通过观察孔可观察细胞培养情况，操作简单便捷，实用性强。

Description

一种微流控细胞培养芯片

技术领域

本发明涉及细胞培养装置技术领域，具体为一种微流控细胞培养芯片。

背景技术

微流控芯片技术是把生物、化学、医学等分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到微米尺度的芯片上，已经发展成为多学科交叉的崭新研究领域。由于它在生物、医学等领域的巨大潜力，应用于仿生条件下细胞培养已成为热点。

细胞培养技术指的是细胞在体外条件下的生长，在培养的过程中细胞不再形成组织(动物)。基于微流控的凝胶细胞培养是目前比较前沿的细胞培养方法，实际操作中包裹细胞的凝胶多被置于多孔板内，上面覆盖与细胞相应的液体培养基，多孔板放置于培养箱中培养。这个过程中需要定期将多孔板从培养环境中拿出来更换液体培养基，并在倒置显微镜下观察细胞生长情况，此过程不仅繁琐，不规范的操作很容易污染细胞导至培养失败。

因此，有必要设计一种微流控细胞培养芯片解决现有细胞培养过程繁琐，操作不易的缺陷。

发明内容

本发明提供了一种微流控细胞培养芯片，解决现有技术细胞培养操作不便，过程繁琐的缺陷。

为实现上述目的，本发明的方案如下：

一种微流控细胞培养芯片，包括至少一个培养单元，所述培养单元包括上下匹配的第二芯片层和第一芯片层；其中：

第一芯片层设有细胞凝胶培养池及与其连通的凝胶流路，细胞凝胶培养池外部设有两个第一培养液流路；

第二芯片层设有旋转体，旋转体设有观察孔；观察孔底部由内向外设有两个第二培养液流路；第二芯片层还设有凝胶孔和两个培养液孔，凝胶孔对应设置在凝胶流路上方，两个培养液孔分别对应设置在两个第一培养液流路上方；

旋转体旋转至预定角度时，观察孔与细胞凝胶培养池相连通，第二培养液流路与第一培养液流路相连通。

进一步地，所述旋转体旋转至观察孔与细胞凝胶培养池完全错开时，第二培养液流路与第一培养液流路彼此独立。

进一步地，所述培养单元为若干个，相邻的培养单元采用串联和/或独立设置，可用于多种相同和/或不同的细胞同时培养。

进一步地，所述凝胶流路为两个，径向连通于细胞凝胶培养池两侧；所述凝胶孔为两个，分别对应设置在两个凝胶流路的上方。

进一步地，所述旋转体上设有用于旋转的操作孔，可以为单孔或多孔，用于和操作端配合旋转。

优选地，所述操作孔的深度小于观察孔的深度，避免影响第二培养液流路。

进一步地，所述观察孔内设有视镜，所述视镜底部与观察孔底部设有预定距离，一方面对观察孔形成上端封闭，避免污染，另一方面为底部提供培养空间。

优选地，所述视镜为高分子材质。

进一步地，所述培养液孔内插入有导管。

本发明另一个目的在于提供以上所述微流控细胞培养芯片培养细胞的方法，包括如下步骤：

S1.向凝胶孔注入液态细胞凝胶至细胞凝胶培养池填充有细胞凝胶，然后将培养芯片置于培养箱内固定细胞凝胶；

S2.取出培养芯片，操作旋转体旋转至观察孔与细胞凝胶培养池相连通，向一个培养液孔泵入培养液，另一个培养液孔收集培养液，将培养芯片置于培养箱内进行细胞培养。

与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：

本发明通过上下配合的芯片层设置配合的注入孔和流道实现流体的定向流动，结合旋转体能实现上层培养液层和下层凝胶层的重合或错开来切换不同的模式，通过观察孔可观察细胞培养情况，操作简单便捷，实用性强。

附图说明

图1为本发明所述培养单元整体示意图。

图2为本发明所述培养单元局部示意图。

图3为本发明所述培养单元的爆炸图。

图4为本发明所述旋转体示意图。

图5为本发明所述培养单元初始状态图。

图6为本发明所述培养单元在培养液下培养时的结构示意图。

图7为本发明所述一种微流控细胞培养芯片在培养液下培养时的结构示意图。

其中：1、第一芯片层；2、第二芯片层；11、凝胶流路；12、第一培养液流路；100、细胞凝胶培养池；21、旋转孔；22、凝胶孔；23、培养液孔；24、旋转体；25、导管；26、视镜；200、观察孔；201、操作孔；202、第二培养液流路。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”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发明和简化描述，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发明的限制。

还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“安装”、“相连”、“连接”、“固定”、“设置”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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，可以是两个部件内部的连通或两个部件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况上述术语在本发明中的具体含义。

如图1-6所示，在第一个实施例中，提出一种微流控细胞培养芯片的培养单元，包括上下匹配的第二芯片层2和第一芯片层1；其中：

如图3所示，第一芯片层1设有细胞凝胶培养池100，及左右连通细胞凝胶培养池100的凝胶流路11；细胞凝胶培养池100外还设有与凝胶流路11平行设置的两个第一培养液流路12。第二芯片层2中部设有旋转孔21，第二芯片层2边缘分别设有成对的凝胶孔22和培养液孔23。旋转孔21内设有与之匹配的旋转体24，旋转体24设有观察孔200及两个操作孔201。如图4所示，旋转体24底部设有由观察孔200向边缘延伸的两个第二培养液流路202，呈八字型设置。如图1、3所示，观察孔200内还设有视镜26。

在该实施例中，如图5-6所示，两个凝胶孔22的位置分别与第一芯片层1上的两个凝胶流路11对应，使得上层的凝胶孔22与凝胶流路11连通，形成凝胶上下进出的通路。两个培养液孔23的位置分别与第一芯片层1上的两个第一培养液流路12对应，使得上层的培养液孔23与第一培养液流路12连通，形成培养液上下进出的通路。

在该实施例中，细胞凝胶培养池100、凝胶流路11及第一培养液流路12整体居中，第一培养液流路12靠近细胞凝胶培养池100左右两侧且对称设置。如图5-6所示，第一芯片层1，及第二芯片层2的底部为虚线标识，旋转孔21在第一芯片层1的投影直径大于以细胞凝胶培养池100靠近边缘的点、两个第一培养液流路12靠近中间的端点的外接圆直径，使得旋转孔21能够覆盖整个细胞凝胶培养池100以及两个第一培养液流路12的内侧端点。观察孔200靠近旋转体24的边缘，大小与细胞凝胶培养池100匹配。如图6所示，当旋转体24旋转至合适角度时，观察孔200与下方细胞凝胶培养池100重合。如图5所示，初始状态下，细胞凝胶培养池100、观察孔200的圆心在垂直投影的同一平面内与旋转体24的圆心距离相同，两个第二培养液流路202以细胞凝胶培养池100与观察孔200的中心线对称设置；第二培养液流路202延伸末端的两个端点之间的连线跨过旋转体24上的直径，保证旋转至合适角度时第二培养液流路202能够与两个第一培养液流路12发生交叉连通，形成第一培养液流路12经由第二培养液流路202至观察孔200培养液流动通道。

在一个优选的实施例中，如图5所示，第一芯片层1，及第二芯片层2的底部为虚线标识，在垂直投影的同一平面内，当旋转体24旋转至细胞凝胶培养池100、观察孔200在对称位置时，第二培养液流路202与细胞凝胶培养池100不发生交叉，避免在重复使用时使用残留的培养液进入细胞凝胶培养池100。

在一个优选的实施例中，两个操作孔201沿径向设于旋转体24内且与观察孔200的距离相同，便于使用外部操作手进行旋转操作。更优选地，两个操作孔201的深度小于旋转体24的厚度，避免影响第二培养液流路202中的培养液流向。

在一个优选的实施例中，观察孔200内表面靠近底部处设有环状凸楞(图中未示出)，使得视镜26插入至极限位时底部与观察孔200底部设有预定距离，用于保证视镜26底部与细胞凝胶培养池100上方形成供细胞培养的腔体。

在一个优选的实施例中，视镜26选用常见的透明材质，如PC、PMMA、PS等高分子材料。

在上述实施例中，流路是指设于芯片表面用于流体流动的条形凹槽，其宽度、内部深度和坡度可根据需要进行具体设计。两个芯片层之间可选择扣合或压紧的方式使得上下表面贴合。

上述培养单元在使用时，旋转体24预先装入旋转孔21内，角度位置如图5所示，观察孔200与细胞凝胶培养池100不发生重合，细胞凝胶培养池100开口被旋转体24底部封闭覆盖。将微流控芯片置于0℃环境中，用移液枪将处于0℃状态下的细胞凝胶从凝胶孔22内注入，凝胶自上而下经凝胶流路11流入细胞凝胶培养池100，直到充满细胞凝胶培养池100和凝胶流路11，将微流控芯片置于36℃培养箱内固定10分钟以上，细胞凝胶由低温下的液态受热转变为固态实现对细胞的固定包埋。在加入培养液之前，使用旋转操作手柄插入操作孔201内，操作旋转体24旋转180°至如图6所示的状态。此时，观察孔200与细胞凝胶培养池100的位置上下重合，在观察孔200内提供纵向培养空间，此时第二培养液流路202和第一培养液流路12发生交叉。加入培养液时，使用软管插入其中一根导管25内，软管另一端连接微量蠕动泵，将细胞培养液间歇性随培养液孔23泵入第一培养液流路12，并经由第二培养液流路202进入观察孔200覆盖在细胞凝胶之上，将视镜26插入观察孔200至极限位，形成视镜26底部与细胞凝胶培养池100之间的培养空间。再用一根软管插入另一个导管25内，并用废液瓶收集输出端流出的培养液，然后整体移入36℃培养箱内培养，通过视镜26观察细胞生长情况监控培养进度。

在第二个实施例中，提出一种微流控细胞培养芯片，包括以上实施例中若干个培养单元，各单元独立设置，可以对多个细胞样本按照以上第一实施例相同步骤进行同步操作，可用于对相同或不同的细胞同时进行培养。

在第三个实施例中，提出另一种微流控细胞培养芯片，包括第一个实施例中若干个所述培养单元，各单元串联设置。如图7所示，以两个培养单元串联为例，沿流体流向方向串联设置。在第一芯片层1内，位于中间相邻的凝胶流路11相连通，相邻的第一培养液流路12相连通；在第二芯片层2内，中间相邻的凝胶孔22共用一个，中间相邻的培养液孔23共用一个。该串联式微流控细胞培养芯片可用于两个相同细胞样本的同时培养，提高培养效率。在培养时，同第一个实施例的操作方式，旋转体24位于初始状态，观察孔200与细胞凝胶培养池100不发生重合，此时加入凝胶进行固定包埋。具体为，向中间的凝胶孔22注入凝胶，凝胶自上而下经中间连通的凝胶流路11左右流入细胞凝胶培养池100，然后置于培养箱内固定。细胞固定后，旋转体24旋转180°至观察孔200与细胞凝胶培养池100重合，向中间培养液孔23中注入培养液，培养液自上而下经中间连通的第一培养液流路12左右进入细胞凝胶培养池100上方的培养腔，两侧的培养液孔23软管接收输出端流出的培养液，然后置于培养箱内培养，通过视镜26观察细胞生长情况监控培养进度。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种微流控细胞培养芯片，包括至少一个培养单元，所述培养单元包括上下匹配的第二芯片层(2)和第一芯片层(1)；其特征在于：

第一芯片层(1)设有细胞凝胶培养池(100)及与其连通的凝胶流路(11)，细胞凝胶培养池(100)外部设有两个第一培养液流路(12)；

第二芯片层(2)设有旋转体(24)，旋转体(24)设有观察孔(200)；观察孔(200)底部由内向外设有两个第二培养液流路(202)；第二芯片层(2)还设有凝胶孔(22)和两个培养液孔(23)，凝胶孔(22)对应设置在凝胶流路(11)上方，两个培养液孔(23)分别对应设置在两个第一培养液流路(12)上方；

旋转体(24)旋转至预定角度时，观察孔(200)与细胞凝胶培养池(100)相连通，第二培养液流路(202)与第一培养液流路(12)相连通。

2.根据权利要求1所述的微流控细胞培养芯片，其特征在于，所述旋转体(24)旋转至观察孔(200)与细胞凝胶培养池(100)完全错开时，第二培养液流路(202)与第一培养液流路(12)彼此独立。

3.根据权利要求1所述的微流控细胞培养芯片，其特征在于，所述培养单元为若干个，相邻的培养单元采用串联和/或独立设置。

4.根据权利要求1所述的微流控细胞培养芯片，其特征在于，所述凝胶流路(11)为两个，径向连通于细胞凝胶培养池(100)两侧；所述凝胶孔(22)为两个，分别对应设置在两个凝胶流路(11)的上方。

5.根据权利要求1所述的微流控细胞培养芯片，其特征在于，所述旋转体(24)上设有用于旋转的操作孔(201)。

6.根据权利要求5所述的微流控细胞培养芯片，其特征在于，所述操作孔(201)的深度小于观察孔(200)的深度。

7.根据权利要求1所述的微流控细胞培养芯片，其特征在于，所述观察孔(200)内设有视镜(26)，所述视镜(26)底部与观察孔(200)底部设有预定距离。

8.根据权利要求7所述的微流控细胞培养芯片，其特征在于，所述视镜(26)为高分子材质。

9.根据权利要求1所述的微流控细胞培养芯片，其特征在于，所述培养液孔(23)内插入有导管(25)。

10.权利要求1所述微流控细胞培养芯片培养细胞的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.向凝胶孔(22)注入液态细胞凝胶至细胞凝胶培养池(100)填充有细胞凝胶，然后将培养芯片置于培养箱内固定细胞凝胶；

S2.取出培养芯片，操作旋转体(24)旋转至观察孔(200)与细胞凝胶培养池(100)相连通，向一个培养液孔(23)泵入培养液，另一个培养液孔(23)收集培养液，将培养芯片置于培养箱内进行细胞培养。