CN118109295A - 一种微流控生物反应芯片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及细胞培养芯片技术领域，具体涉及一种微流控生物反应芯片，包括自上而下依次连接设置的细胞培养液输入器、封闭盖、细胞培养容器、孔板和模拟微环境层；通过培养液输入器能够将细胞导入细胞培养容器，在细胞培养容器内设置若干细胞培养腔，实现分区培养，每个细胞培养腔两侧均设有与细胞培养腔连通的气室，保证细胞培养容器内部气体流动，提高细胞培养效率，还能通过底部的模拟微环境层输入环境因子，通过孔板的孔板孔影响细胞培养容器的周围环境，以保证细胞在反应过程中减少周边环境的影响，解决了现有微流控细胞培养芯片存在的细胞培养效率低、微环境与活体差距较大、内部气体流通不畅，且无法分区培养的问题。

Description

一种微流控生物反应芯片

技术领域

本发明涉及生物化学及分子生物学技术领域，特别是一种微流控生物反应芯片。

背景技术

细胞微流控芯片早在20世纪90年代就已出现，其芯片结构尺寸与细胞尺寸相当，因此细胞在芯片上的微环境比传统实验环境更接近于细胞在活体上的微环境；芯片上的微小环境利于细胞培养所需的重要因子(例如生长因子)的积累，因此易于形成利于细胞培养的稳定的微环境；微流控芯片能在几微米至百微米尺度下对细胞实现操纵控制。鉴于这些优势，微流控芯片已被视为研究细胞微环境口、细胞代谢尤其是单细胞代谢等研究领域的重要研究手段之一。

现有的细胞微流控芯片存在细胞培养效率低、微环境与活体差距较大、内部气体流通不畅，且无法分区培养的问题。

发明内容

针对上述情况，为弥补现有技术所存在的不足，本发明提供一种微流控生物反应芯片，使得细胞在芯片上的微环境更接近于细胞在活体上的微环境，并通过气室结构保证气体流通循环保证细胞培养所需的重要因子(例如生长因子)的积累，维持细胞培养的稳定的微环境，同时能同时完成多个区域的细胞培养，大大提高了细胞培养的效率。

本发明解决问题的技术方案如下：

一种微流控生物反应芯片，包括自上而下依次连接设置的细胞培养液输入器、封闭盖、细胞培养容器、孔板和模拟微环境层；所述封闭盖、细胞培养容器、孔板中心均设有通孔，所述细胞培养液输入器通过所述通孔依次与所述封闭盖、细胞培养容器、孔板连接，并通过所述通孔将细胞培养液输入所述细胞培养容器中；所述封闭盖上设有若干导气孔；所述细胞培养容器内设有若干细胞培养腔和分布在细胞培养腔两侧的气室，所述气室与所述封闭盖上的导气孔连通，保证培养期内的气体流通；所述孔板与所述模拟微环境层的边框嵌合。

在本发明的一些实施方式中，所述细胞培养液输入器为圆柱形，其顶部设有细胞培养液输入孔，侧面设有细胞培养液输出口，所述细胞培养液输入孔与所述细胞培养液输出口通过细胞培养液输入通道连通；和/或，所述细胞培养液输入器的顶部高出于所述封闭盖。

在本发明的一些实施方式中，所述细胞培养腔以所述通孔圆心为中心呈圆周阵列分布；所述细胞培养腔上设有进液口和出液口，所述进液口通过进液通道与所述细胞培养液输入器的细胞培养液输出口连通，所述出液口连通有出液通道。

在本发明的一些实施方式中，所述细胞培养腔与所述气室交替排布，每个细胞培养腔分别与相邻的两个气室通过气室通道连通。

在本发明的一些实施方式中，所述细胞培养腔包括相互连通的橄榄形腔室和六边形腔室，所述橄榄形腔室的两个端点与所述六边形腔室相对的两个顶点在同一直线上；所述进液口设于所述橄榄形腔室靠近所述通孔的一端，所述出液口设于所述六边形腔室远离所述通孔的一端。

在本发明的一些实施方式中，所述细胞培养腔与所述气室均为6个。所述导气孔为18个，每个细胞培养腔对应3个导气孔。

在本发明的一些实施方式中，所述模拟微环境层上设有分别与单个细胞培养腔相对应的独立环境空隙区。

在本发明的一些实施方式中，所述独立环境空隙区与所述细胞培养腔相对应的部分为螺旋形。

在本发明的一些实施方式中，所述导气孔凸出于所述封闭盖上表面；和/或，所述封闭盖、细胞培养容器、孔板和模拟微环境层均为正六边形。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的微流控生物反应芯片，采用分层设计，各层之间通过简单叠加或嵌合连接，方便组装和拆卸，通过通过细胞培养液输入器能够将细胞导入细胞培养容器，并通过在细胞培养容器内设置若干细胞培养腔，能够同时完成多个区域的细胞培养，大大提高了细胞培养的效率。

2、本发明提供的微流控生物反应芯片，细胞培养容器内设有气室，通过气室结构保证气体流通循环保证细胞培养所需的重要因子(例如生长因子)的积累，维持细胞培养的稳定的微环境；细胞在芯片上的微环境更接近于细胞在活体上的微环境；并通过气室结构维持细胞培养的稳定的微环境；通过在模拟微环境层上独立环境空隙区输入环境因子，透过孔板的板孔影响细胞培养容器的周围环境，以保证细胞在反应过程中减少周边环境的影响。

附图说明

图1为本发明一实施例微流控生物反应芯片的立体结构示意图。

图2为本发明一实施例微流控生物反应芯片的俯视示意图。

图3为本发明一实施例微流控生物反应芯片的主视示意图。

图4为本发明一实施例微流控生物反应芯片的爆炸示意图。

图5为本发明一实施例中培养液输入器的结构示意图。

图6为本发明一实施例中封闭盖的结构示意图。

图7为本发明一实施例中细胞培养容器的结构示意图。

图8为本发明一实施例中细胞培养腔的剪切应力示意图。

图9为本发明一实施例中孔板的结构示意图。

图10为本发明一实施例中模拟微环境层的结构示意图。

附图标记：1-培养液输入器；2-封闭盖；3-细胞培养容器；4-孔板；5-模拟微环境层；11-细胞液输入孔；12-细胞液输出口；13-细胞液输入通道；21-通孔；22-导气孔；31-气室；31a-气室通道；32-细胞培养腔；32a-橄榄形腔室；32b-六边形腔室；321-进液口；321a-进液通道；322-出液口；322a-出液通道；41-孔板孔；51-独立环境空隙区。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

须知，本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

本发明提供一种微流控生物反应芯片，参考图1至图4，包括自上而下依次连接设置的细胞培养液输入器1、封闭盖2、细胞培养容器3、孔板4和模拟微环境层5；所述封闭盖2、细胞培养容器3、孔板4中心均设有通孔21，所述细胞培养液输入器1通过所述通孔21依次与所述封闭盖2、细胞培养容器3、孔板4连接，并通过所述通孔21将细胞培养液输入所述细胞培养容器3中；所述封闭盖2上设有若干导气孔22；所述细胞培养容器3内设有若干细胞培养腔32和分布在细胞培养腔32两侧的气室31，所述气室31与所述封闭盖2上的导气孔22连通，保证培养期内的气体流通；所述孔板4与所述模拟微环境层5的边框嵌合。本发明提供的微流控生物反应芯片，采用分层设计，各层之间通过简单叠加或嵌合连接，方便组装和拆卸，通过培养液输入器1能够将细胞导入细胞培养容器3，携带细胞的类血管支架将在细胞培养容器3内培养，并完成后续的实验与鉴定，在细胞培养容器3内设置若干细胞培养腔32，实现分区培养，每个细胞培养腔32两侧均设有与细胞培养腔32连通的气室31，并使气室31连通封闭盖2上的导气孔22，便于气体输入，保证细胞培养容器3内部气体流动，提高细胞培养效率，还能通过底部的模拟微环境层5输入环境因子，通过孔板4的孔板孔41影响细胞培养容器3的周围环境，以保证细胞在反应过程中减少周边环境的影响。

在本发明的一些实施例中，如图5所示，所述细胞培养液输入器1为圆柱形，其顶部设有细胞培养液输入孔11，侧面设有细胞培养液输出口12，所述细胞培养液输入孔11与所述细胞培养液输出口12通过细胞培养液输入通道13连通，用于将细胞培养液通过重力因素导入细胞培养容器3内。细胞培养液经细胞培养液输入孔11进入细胞培养液输入器1后，由于重力作用，沿着输入通道向下流动，经细胞培养液输出口12进入细胞培养容器3。

在本发明的一些实施例中，如图3所示，所述细胞培养液输入器1的顶部高出于所述封闭盖2，便于组装和输入细胞培养液。

在本发明的一些实施例中，如图5所示，所述细胞培养容器3包括细胞培养腔32，若干细胞培养腔32以所述通孔21圆心为中心呈圆周阵列分布；所述细胞培养腔32上设有进液口321和出液口322，所述进液口321通过进液通道321a与所述培养液输入器1的细胞液输出口12连通，所述出液口322连通有出液通道322a。本发明中，所述细胞培养腔32的个数没有特殊限制，可以根据具体培养要求设置，通常可以为3个、4个、5个、6个、7个、8个或更多。由于所述细胞培养液输入器1的不同细胞培养液输入孔11分别对应所述细胞培养容器3的不同细胞培养腔32，各个细胞培养腔32内的细胞种类可以相同也可以不同。所述细胞培养腔32上设有进液口321和出液口322，实现培养基的的流入和流出。

在本发明的一些实施例中，所述细胞培养腔32与所述气室31交替排布，每个细胞培养腔32分别与相邻的两个气室31通过气室通道31a连通，实现气氛环境的保持与更新，保证气体环境的更新。

在本发明的一些实施例中，所述细胞培养腔32包括相互连通的橄榄形腔室32a和六边形腔室32b，所述橄榄形腔室32a的两个端点与所述六边形腔室32b相对的两个顶点在同一直线上；所述进液口321设于所述橄榄形腔室32a靠近所述通孔21的一端，所述出液口322设于所述六边形腔室32b远离所述通孔21的一端。在本发明的一些优选实施例中，所述六边形腔室32b为正六边形腔室。如图8所示，本发明所述细胞培养腔32具有剪切应力的结构，能够使细胞在受控壁剪切应力下流动。由于摩擦力的存在，使流体内部流速与细胞液和室壁接触处的流速发生差别，产生一个渐变的速度场，称为速度梯度(图8中红色箭头所示)，这种流体产生的速度梯度与室壁的相互作用力称为“内力”，室壁单位面积上受到的内力称为“应力”，应力在相切于室壁截面上的分量称为室壁剪切应力。

本发明中，所述气室31的个数没有特殊限制，通常每个细胞培养腔32两侧分别设有一个气室31，当所述细胞培养腔32为圆周分布时，所述气室31也呈圆周分布，并与所述细胞培养腔32交替设置。在本发明的一些实施例中，所述细胞培养腔32与所述气室31均为6个。

本发明中，所述导气孔22的数量没有特殊限制，优选为每3个一组，每个细胞培养腔32对应一组导气孔22。在本发明的一些实施例中，所述细胞培养腔32与所述气室31均为6个，所述导气孔22为18个，每个细胞培养腔32对应3个导气孔22。

在本发明的一些实施例中，所述模拟微环境层5上设有分别与单个细胞培养腔32相对应的独立环境空隙区51，可以通过独立环境空隙区51输入环境因子，透过孔板4的孔板孔影响细胞培养容器3的周围环境，以保证细胞在反应过程中减少周边环境的影响。在本发明的一些优选实施例中，所述独立环境空隙区51与所述细胞培养腔32相对应的部分为螺旋形，有利于输入的环境因子快速分散。

本发明中，所述孔板4的孔板孔41个数没有特殊限制，优选为60～90个，可以为60～70个、70～80个、80～90个；所述孔板4的孔板孔41分布没有特殊限制，优选为均匀分布或阵列分布。

在本发明的一些实施例中，所述细胞培养液输入器1的细胞培养液输入孔11与所述细胞培养腔32的出液口322分别连通液体驱动装置，实现细胞培养腔32内部的培养基循环流通。所述液体驱动装置可以为蠕动泵，通过蠕动泵驱动培养基流动，从而实现培养基的循环；细胞培养完成后，可以通过所述出液口322抽出培养基。

在本发明的一些实施例中，如图1、图3、图4和图6所示，所述导气孔22凸出于所述封闭盖2上表面，便于插入气体导管向对应的独立气室31输入气体。

本发明中，所述封闭盖2、细胞培养容器3、孔板4和模拟微环境层5的形状没有特殊限制，为保证组装方便及满足细胞培养要求，其外形通常需要保持一致。在本发明的一些实施例中，所述封闭盖2、细胞培养容器3、孔板4和模拟微环境层5均为正六边形。

工作原理：本发明提供的微流控生物反应芯片，参考图1至图4，细胞培养液输入器1为圆柱形，封闭盖2、细胞培养容器3、孔板4和模拟微环境层5均为正六边形；使用前，将细胞培养液输入器1通过封闭盖2中心的通孔21与封闭盖2组装，之后将细胞培养容器3的气室31分别对应封闭盖2上相应的导气孔22组装；然后将孔板4嵌入模拟微环境层5内，再将细胞培养液输入器1、封闭盖2和细胞培养容器3的组合体放置于与孔板和模拟微环境组合体中，完成微流控生物反应芯片的组装。使用时，参考图5～图7，首先向细胞培养液输入器1的细胞培养液输入孔11中通入细胞培养液，细胞培养液在重力作用下向下流动并进入细胞培养液输入通道13，然后经细胞培养液输入器1侧面的细胞培养液输出口12进入细胞培养容器3中心的通孔21侧壁上的进液通道321a及进液口321依次进入各个细胞培养腔32的橄榄形腔室32a和六边形腔室32b，开始细胞培养，由于各个细胞培养腔32相互独立，因此，各个细胞培养腔32所导入细胞可以相同，也可以不同。培养过程中，通过蠕动泵配合细胞培养腔32上的进液口321和出液口322，实现培养期芯片内部的培养基循环流通；参考图2～图7，封闭盖2上设有与气室31相对应的导气孔22，通过所述导气孔22输入气体，由于每个细胞培养腔32两侧均通过气室通道31a与对应的气室31连通，能够保证培养期各个细胞培养腔32内部的气体流通循环；参考图8，由于细胞培养腔32具有剪切应力的结构，能够使细胞在受控壁剪切应力下流动；参考图9和图10，通过模拟微环境层5的独立环境空隙区51输入环境因子，透过孔板4的孔板孔41影响细胞培养容器3的周围环境，以保证细胞在反应过程中减少周边环境的影响。培养结束后，关闭蠕动泵，培养基经出液通道322a抽出，完成细胞培养。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种微流控生物反应芯片，其特征在于，包括自上而下依次连接设置的细胞培养液输入器(1)、封闭盖(2)、细胞培养容器(3)、孔板(4)和模拟微环境层(5)；所述封闭盖(2)、细胞培养容器(3)、孔板(4)中心均设有通孔(21)，所述细胞培养液输入器(1)通过所述通孔(21)依次与所述封闭盖(2)、细胞培养容器(3)、孔板(4)连接，并通过所述通孔(21)将细胞培养液输入所述细胞培养容器(3)中；所述封闭盖(2)上设有若干导气孔(22)；所述细胞培养容器(3)内设有若干细胞培养腔(32)和分布在细胞培养腔(32)两侧的气室(31)，所述气室(31)与所述封闭盖(2)上的导气孔(22)连通，保证培养期内的气体流通；所述孔板(4)与所述模拟微环境层(5)的边框嵌合。

2.根据权利要求1所述的微流控生物反应芯片，其特征在于，所述细胞培养液输入器(1)为圆柱形，其顶部设有细胞培养液输入孔(11)，侧面设有细胞培养液输出口(12)，所述细胞培养液输入孔(11)与所述细胞培养液输出口(12)通过细胞液培养输入通道(13)连通；和/或，所述细胞培养液输入器(1)的顶部高出于所述封闭盖(2)。

3.根据权利要求2所述的微流控生物反应芯片，其特征在于，所述细胞培养腔(32)以所述通孔(21)圆心为中心呈圆周阵列分布；所述细胞培养腔(32)上设有进液口(321)和出液口(322)，所述进液口(321)通过进液通道(321a)与所述细胞培养液输入器(1)的细胞培养液输出口(12)连通，所述出液口(322)连通有出液通道(322a)。

4.根据权利要求3所述的微流控生物反应芯片，其特征在于，所述细胞培养腔(32)与所述气室(31)交替排布，每个细胞培养腔(32)分别与相邻的两个气室(31)通过气室通道(31a)连通。

5.根据权利要求3～4任一项所述的微流控生物反应芯片，其特征在于，所述细胞培养腔(32)包括相互连通的橄榄形腔室(32a)和六边形腔室(32b)，所述橄榄形腔室(32a)的两个端点与所述六边形腔室(32b)相对的两个顶点在同一直线上；所述进液口(321)设于所述橄榄形腔室(32a)靠近所述通孔(21)的一端，所述出液口(322)设于所述六边形腔室(32b)远离所述通孔(21)的一端。

6.根据权利要求4所述的微流控生物反应芯片，其特征在于，所述细胞培养腔(32)与所述气室(31)均为6个。

7.根据权利要求6所述的微流控生物反应芯片，其特征在于，所述导气孔(22)为18个，每个细胞培养腔(32)对应3个导气孔(22)。

8.根据权利要求1所述的微流控生物反应芯片，其特征在于，所述模拟微环境层(5)上设有分别与单个细胞培养腔(32)相对应的独立环境空隙区(51)。

9.根据权利要求8所述的微流控生物反应芯片，其特征在于，所述独立环境空隙区(51)与所述细胞培养腔(32)相对应的部分为螺旋形。

10.根据权利要求1～9任一项所述的微流控生物反应芯片，其特征在于，所述导气孔(22)凸出于所述封闭盖(2)上表面；和/或，所述封闭盖(2)、细胞培养容器(3)、孔板(4)和模拟微环境层(5)均为正六边形。