CN1816492A - 利用气体发生的微型泵和细胞培养装置及其生产方法 - Google Patents

利用气体发生的微型泵和细胞培养装置及其生产方法 Download PDF

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Abstract

一种利用气体发生的微型泵，包括其上形成有H2O2溶液池的硅基底、硅基底上形成的SiO2/Si3N4膜以及在SiO2/Si3N4膜上结合的PDMS，其中PDMS具有MnO2池、通过导管与池相连的样品池、样品注样口和细通道。还涉及，一种具有二氧化碳供应的利用气体发生的细胞培养装置，其包括紧固池子的玻璃基底、在池子中形成的加热金属丝、具有通过PDMS结合在底部表面而形成的池子的PDMS，和通过导管与池子相连的气体供给管线、安装在PDMS上的可渗透PDMS薄膜，以及与PDMS薄膜结合而且具有细胞培养介质流通的通道，及其中刻有细胞培养表面的PDMS覆盖物。

Description

利用气体发生的微型泵和细胞培养装置及其生产方法
发明领域
本发明涉及包括LOC的微结构微型泵和细胞培养装置；更具体而言，涉及利用气体发生的微型泵和细胞培养装置及其生产方法，它通过一系列过程产生少量气体，其中包括用于后续化学反应或其它方法的MEMS(微型电-机械系统)过程。
发明背景
LOC(Lab-on-a-chip)是一种新式小型分析仪器，用于进行快速有效的自动分析，它采用显微机械加工技术如影印石版法和蚀刻法，将一系列样品分析仪器如制样、反应、分离以及检测仪器组合在厘米级大小的玻璃片、塑胶片或硅片上。μ-TAS(微全分析系统)就是LOC的典型应用。
由于LOC分离分析法只需极小量的样品，因此它在难于获得大量样品的医学诊断领域和生物学应用方面更具有优势。虽然普遍用于活体外物质的分析如氨基酸和缩氨酸的分离、DNA排序和免疫测试方面，但其应用范围正在扩大。在其它领域，值得注意的是在以下领域的应用：要求实时野外分析的环境污染分析；需要便携式微型实验室以确定现场数据的新型生育生成诊断和测量方法；以及要求对许多样品作快速分析的新药研究。
但是，操作LOC时需要外部动力将物质输送到小片中。到目前为止，输送物质的方法包括采用电渗透和电泳原理的动电方法，或者采用泵如微型电动机泵。前述传统的输送方法必需连续的外部动力。这样，缺点就是必须增大整个小片的大小或者必需额外的设备。因此，为使LOC商品化和野外应用，需要开发小型的动力设备和泵或其替代品。
进一步，为改进LOC技术，即将单元片改进为小型便携式细胞培养装置，必需控制温度和pH值。温度的控制可通过细加热金属丝来实现。另一方面，细胞培养介质pH的控制可通过供给二氧化碳来实现。因此，必需连续供给二氧化碳，这就产生下述缺点，即传统的大细胞培养装置不可避免地必定配备重达几十千克的压缩二氧化碳罐。
发明概述
因此，本发明的目的是提供一种微型泵，它包括：具有H2O2溶液池的硅基底；结合在SiO2/Si3N4膜上的PDMS，其中PDMS具有MnO2池和通过导管、注样口和细通道与该池相连的样品池。
本发明的另一目的是提供能供给二氧化碳的细胞培养装置，它包括：紧固池的玻璃基底；池底形成的加热金属丝；具有通过将PDMS结合到底表面上形成池的PDMS，以及通过导管与池连接的气体供给管线；装在PDMS上的可渗透PDMS薄膜，以及PDMS覆盖物，其结合在PDMS膜上，还有细胞培养介质流通的通道和用于池刻记的培养表面。
附图简述
图1为本发明第一个优选的具体实施方式中利用气体发生的微型泵的横截面透视图；
图2为根据本发明第一个优选具体实施方式的图1中沿A-A’线的横截面图；
图3A-3F说明本发明第一个优选具体实施方式中利用气体发生的微型泵的产生过程；
图4为本发明第二个优选具体实施方式中利用气体发生的微型泵的横截面透视图；
图5为根据本发明第二个优选具体实施方式的图4中沿B-B’线的横截面图；
图6A-6E说明本发明第二个优选具体实施方式中利用气体发生的微型泵的产生过程；
图7为本发明第三个优选具体实施方式中利用气体发生的微型泵的横截面透视图；
图8为根据本发明第三个优选具体实施方式的图7中沿C-C’线的横截面图；
图9为本发明第四个优选具体实施方式中利用气体发生的微型泵的横截面透视图；
图10为根据本发明第四个优选具体实施方式的图9中沿D-D’线的横截面图；
图11为本发明第五个优选具体实施方式中利用气体发生的细胞培养装置的上部横截面透视图；
图12为本发明第五个优选具体实施方式中利用气体发生的细胞培养装置的下部横截面透视图；
图13为根据本发明第五个优选具体实施方式的图11中沿E-E’线横截面图；
图14为本发明第五个优选的具体实施方式中，利用气体发生的细胞培养装置的气体供给管示意图；以及
图15为本发明第五个优选具体实施方式中利用气体发生的细胞培养装置的介质管线示意图。
优选的具体实施方式详述
现在参看附图，说明本发明的优选具体实施方式。
第一个优选的具体实施方式
图1和2分别为本发明中利用氧气发生的微型泵的横截面透视图以及沿其A-A’的横截面图，其中用SiO2/Si3N4膜将H2O2溶液与MnO2隔开。
如图1和2所示，根据本发明第一个优选具体实施方式，利用气体发生的微型泵的硅基底1上有一个H2O2溶液池4，上面放有SiO2/Si3N4膜2和3。PDMS(聚二甲基硅氧烷)7覆盖整个设备。PDMS7有一个MnO2池5、细通道6、样品池8、导管9、注样口10等。当轻微的物理撞击或压力从外传到PDMS 7时，SiO2/Si3N4膜2和3同时破裂为碎片，上部的MnO2和下部的H2O2溶液混合。这样产生的氧通过细通道6释放，用于后续反应或者将前面的液体样品推出。
如图1所示，导管9将H2O2溶液池4和MnO2池5与样品池8相连。注样口10在样品池8端部，从这里注射样品。
图3A-3F说明本发明第一个优选具体实施方式中利用气体发生的微型泵的形成过程。具体而言，图3A-3C表示PDMS中形成结构如MnO2池5、细通道6、样品池8、导管9以及注样口10的过程。图3D-3F表示硅基底上形成H2O2溶液池4以及用PDMS覆盖图3C中硅基底的过程。
根据图3A-3F，该过程按照下述顺序进行：
(a)如图3A所示，在硅基底12上旋转地涂布阴性光蚀刻剂SU-8并形成图案，从而形成大约65μm厚的涂层。
(b)如图3B所示，通过在(a)的组装体上再涂层，形成MnO2池的位置。这通过重复(a)中使用SU-8的过程来实现。
(c)如图3C所示，将PDMS灌注在硅基底12和图案化SU-8层13上并硬化。
(d)如图3D所示，在硅基底1的两边，相继形成SiO2膜2和Si3N4膜3。
(e)如图3E所示，在已经形成SiO2/Si3N4膜2和3的硅基底的底面，相继旋转地涂上HMDS(六甲基二硅氨烷)和阴性光蚀刻剂AZ9260。利用掩模，将要蚀刻的部分暴露在紫外光下，使其显影。然后，用RIE法(反应性离子蚀刻)除掉Si3N4膜，用BHF(缓冲HF)溶液除去SiO2膜。用硅蚀刻溶液TMAH(氢氧化四甲基铵)蚀刻硅基底，形成H2O2溶液池4，然后再形成乙烯基薄膜或玻璃基底11。
(f)如图3F所示，从基底和SU-8图案上移走PDMS并将它覆盖在(e)的基底上，从而完成利用气体发生的微型泵。
第二个优选的具体实施方式
图4和5分别表示本发明第二个优选具体实施方式中利用氧气发生的微型泵的横截面透视图以及沿图4中B-B’线的横截面图，其中H2O2溶液与MnO2之间采用石蜡隔离。
按照本发明第二个优选具体实施方式，与外部电流相连的加热金属丝使石蜡熔化，MnO2进入H2O2溶液，由此产生氧气。产生的氧气推动细通道中液体移动。一旦MnO2进入H2O2溶液，它就留在H2O2溶液中继续反应，即使将电流关闭。
如图4和5所示，按照本发明第二个优选具体实施方式，利用气体发生的微型泵在玻璃基底21上形成H2O2溶液池24，后者具有一行或散乱的加热金属丝23。在加热金属丝23上，石蜡与MnO2粉末25混合在一起。形成池24并包括细通道26、样品池28、导管29和注样口30的PDMS 27覆盖在玻璃基底21上。
如图4所示，导管29将池24与样品池28相连。在H2O2溶液池24和样品池28的端部，都有注样口30，用于注射H2O2和样品。细通道26位于样品池28后面。按照第二个优选具体实施方式，利用气体发生的微型泵的整个大小大约是2cm×1cm(宽×长)。
图6A-6E表示按照本发明第二个具体实施方式，利用氧气发生的微型泵的形成过程，其中H2O2溶液与MnO2用石蜡隔离。
按照图6A-6E，该过程按下述顺序进行：
(a)如图6A所示，通过热蒸发形成厚度为0.2μm的铝层，在玻璃基底21上形成加热金属丝。加热金属丝形成的面积大约为2mm×2mm，线宽度为30。
(b)如图6B所示，在相继旋转涂上HMDS和光蚀刻剂AZ 5214后，利用加热金属丝图案掩模，进行紫外光照射。在对与加热金属丝不相应的铝部分进行蚀刻后，用丙酮除去光蚀刻剂。
(c)如图6C所示，粘结PDMS，形成H2O2溶液池和MnO2池。
(d)如图6D所示，在石蜡熔化、与MnO2粉末混合后，通过注射大约2μl的石蜡进入池中，从而形成层25。
(e)如图6E所示，通过将具有结构如细通道的PDMS 27覆盖在(d)的组装体上，并注入大约5μl 30％(w/w)的H2O2溶液，从而完成氧气发生器的形成。
第三个优选的具体实施方式
图7和8分别表示本发明第三个优选的具体实施方式中，用NaHCO3产生二氧化碳的微型泵的横截面透视图以及沿图7中C-C’线的横截面图。
按照本发明第三个优选的具体实施方式，与外部电流连接的细金属丝将NaHCO3加热，分解为Na2CO3、水和二氧化碳，化学反应式如下：
产生的二氧化碳推动池或细通道中液体，使其移动。
如图7和8所示，按照本发明第三个优选的具体实施方式，利用气体发生的微型泵包括用金属膜如铝在玻璃基底31上形成的细小加热金属丝33，以及用PDMS形成的NaHCO3池34。池34装满NaHCO3后，将上面有细通道36、样品池38、导管39和注样口40的PDMS 37覆盖在玻璃基底31上。
按照本发明第三个优选的具体实施方式，用NaHCO3产生二氧化碳的微型泵的形成过程与图6A-6E所示第二个优选实施方式中采用石蜡隔离H2O2溶液和MnO2结构、产生氧气的微型泵相同，唯一的区别是没有与MnO2粉末25混合的石蜡层的形成过程，而且用NaHCO3代替H2O2溶液。
第四个优选的具体实施方式
图9为用小水滴和NaHCO3与HOC(COOH)(CH2COOH)2的混合物产生二氧化碳的微型泵的横截面透视图。图10为按照本发明第四个优选的具体实施方式，沿图9中线D-D’的横截面图。
根据本发明第四个优选的具体实施方式，虽然NaHCO3与HOC(COOH)(CH2COOH)2的混合物本身稳定，但HOC(COOH)(CH2COOH)2与NaHCO3反应产生HOC(COOH)(CH2COONa)2、水和二氧化碳，此时由于有水，HOC(COOH)(CH2COOH)2变为水溶液，化学反应式如下：
产生的二氧化碳推动池或细通道中液体，使其流动。
如图9和10所示，按照本发明第四个优选的具体实施方式，利用气体发生的微型泵包括在玻璃基底41上形成的细微加热金属丝43。细微加热金属丝43由金属膜组成，用材料如铝制成。水滴和NaHCO3与HOC(COOH)(CH2COOH)2混合物的池子用PDMS制成。将水滴包裹在加热金属丝43上的Parafilm膜(制造商：芝加哥Pechiney PlasticPackaging，一种遇热容易熔化的防水防湿膜)里，加入NaHCO3与HOC(COOH)(CH2COOH)2混合物，然后用上面有细通道46、样品池48、导管49和注样口50的PDMS 47覆盖在玻璃基底41上。当细微加热金属丝43被加热后，Parafilm膜熔化，水滴45爆裂，放出水。随后，HOC(COOH)(CH2COOH)2a与NaHCO3的反应开始，产生二氧化碳。
按照本发明第四个优选的具体实施方式，用水滴和NaHCO3与HOC(COOH)(CH2COOH)2的混合物产生二氧化碳的微型泵的形成过程与图6A-6E所示第二个优选实施方式中采用石蜡隔离H2O2溶液和MnO2结构、产生氧气的微型泵相同，唯一的区别是水滴45的形成过程代替与MnO2粉末25混合的石蜡层的形成过程，NaHCO3与HOC(COOH)(CH2COOH)2的混合物代替H2O2溶液。
第五个优选的具体实施方式
图11-13表示本发明第五个优选具体实施方式中能供给二氧化碳的细胞培养装置的上部和下部横截面透视图，以及沿图11中线E-E’的横截面图。
根据本发明第五个优选的具体实施方式，NaHCO3热分解产生二氧化碳，流过气体供给管线56(细通道)，再透过气体供给管线上的PDMS薄膜58。然后，二氧化碳进入PDMS薄膜58上的细胞培养介质，其pH值可以得到控制。
如图11-13所示，按照本发明第五个优选的具体实施方式，利用气体发生的细胞培养装置包括玻璃基底51上的细微加热金属丝53。细微加热金属丝53由金属膜组成，用材料如铝制成。NaHCO3池54用PDMS制成。安放好具有气体供给管线56的PDMS 57后，注入NaHCO3。通过介质入口，将细胞培养介质和细胞注入形成的小型细胞培养装置。
然后，通过与外部电流连接的细微加热金属丝分解NaHCO3，提供二氧化碳。此时，通过调节细微加热金属丝上的电流，可以控制二氧化碳的供给量。
按照本发明第五个优选的具体实施方式，利用气体发生的小型细胞培养装置的形成过程如下述顺序：
(a)通过热蒸发，在玻璃基底51上形成0.2μm厚的铝层。
(b)相继旋转涂上HMDS和光蚀刻剂AZ 5214以后，用加热金属丝图案掩模进行紫外光曝光。蚀刻除加热金属丝53外的铝部分之后，用丙酮除去光蚀刻剂。
(c)粘接PDMS以紧固NaHCO3池54。
(d)通过进行紫外光曝光和将SU-8旋转涂在晶片上，形成具有如图14所示形状框架的气体供给管线56的压纹。
(e)在(d)中压纹上灌注PDMS并硬化，从而形成刻有气体供给管线56的PDMS 57。将PDMS 57覆盖(c)中整个组装体。
(f)维持灌注在晶片上并旋转涂层的PDMS的温度为70℃或更高温度，硬化3小时以上。(通过该过程，形成厚度为300μm～500μm的PDMS膜58。)
(g)将NaHCO3注入(e)中装置后，用(f)中PDMS膜58覆盖装置。
(h)使用如图15所示形状的掩模，进行(d)及(e)中相同过程，制成PDMS覆盖物59，其上有细胞培养介质流动导管，并刻有细胞61(介质标线)培养面。
(i)将(h)中PDMS覆盖物59覆盖在(g)组装体上，形成细胞培养装置。
如果细胞培养装置用于附着细胞，在过程(g)之后，还要通过表面处理，诱导细胞吸附，即细胞与聚L赖氨酸溶液在室温下接触10多分钟。
虽然上述优选的具体实施方式着眼于能产生二氧化碳的细胞培养装置，但根据本发明第五个优选的具体实施方式，利用气体发生的细胞培养装置也能供给氧气，如同供给二氧化碳一样，此时细胞培养装置可以用于需要加入氧气的情况。
虽然通过优选的具体实施方式，对本发明进行了展示和说明，但本领域普通技术人员应当知道，可以进行不偏离本发明精神和范畴的各种改变和修饰。
按照本发明，利用气体发生的微型泵和小型细胞培养装置所产生的气体的纯度满足后续过程和反应的需要。这种气体也具有足够的压力和数量，将液体样品推进池子或细通道中。使用30％(w/w)浓度的H2O2溶液时，产生的氧气体积是H2O2溶液体积的100倍以上。视使用的催化剂而定，产生氧气所需时间可从几分钟到更长时间。而且，由于本发明优选具体实施方式的实现很便宜和简单，可以一次性使用。进一步，优选具体实施方式较少依赖外部设备，很容易与其它各种LOC和小型设备融合使用。其优势还在于副产物是环境友好和生物相容的水和氧气。小型细胞培养装置的机动性典型地受到二氧化碳供给的限制，采用本发明的二氧化碳发生器则可使小型便携式细胞培养装置商业化。

Claims (8)

1.一种利用气体发生的微型泵，包括：
具有其中形成的H2O2溶液池的硅基底；
在硅基底上形成的SiO2/Si3N4膜；以及
结合在SiO2/Si3N4膜上的PDMS，
其中PDMS包括位于SiO2/Si3N4膜另一面，与H2O2溶液池相对的MnO2池，通过导管与MnO2池相连的样品池，与样品池一端连接的注样口，以及从样品池另一端通向微型泵外部的细通道。
2.一种利用气体发生的微型泵的制造方法，包括以下步骤：
通过在硅基底上形成光蚀刻剂SU-8阴层并图样化，制成MnO2池，通过导管与MnO2池相连的样品池，与样品池一端连接的注样口以，及从样品池另一端通向微型泵外部的细通道；
在SU-8层上形成PDMS；
在另外硅基底上相继形成SiO2膜和Si3N4膜；
通过蚀刻其上形成的具有SiO2膜和Si3N4膜的硅基底底面，形成H2O2溶液池；
将底板固定在H2O2溶液池底部；以及
从硅基底和SU-8图样上移走PDMS，然后将PDMS结合在其中形成有H2O2溶液池的硅基底上。
3.一种利用气体发生的微型泵，包括：
构成底部表面的底板；
在底板上的池子中形成的加热金属丝；以及
结合在底板上的PDMS，
其中PDMS包括池，通过导管与池相连的样品池，与样品池一端连接的注样口，以及从样品池另一端通向到微型泵外部的细通道。
4.按权利要求3所述的利用气体发生的微型泵，进一步包括加热金属丝上形成的与MnO2粉末混合的石蜡层，其中池子储存H2O2溶液。
5.按权利要求3所述的利用气体发生的微型泵，其中池子储存NaHCO3溶液。
6.按权利要求3所述的利用气体发生的微型泵，进一步包括包封在加热金属丝上布置的Parafilm膜中的水滴，其中池子储存NaHCO3和HOC(COOH)(CH2COOH)2的混合物。
7.一种利用气体发生的微型泵的制造方法，包括以下步骤：
在底板上池子中形成加热金属丝；
将其中形成有池子的PDMS结合在底板上；以及
结合上另外的PDMS，包括通过导管与池子相连的样品池，分别与每一个池子和样品池的一端连接的注样口，以及从其中形成有池子的PDMS上的样品池另一端通向微型泵外部的细通道。
8.一种利用气体发生的细胞培养装置，包括：
构成底部表面的底板；
底板上盛有NaHCO3的池子中形成的加热金属丝；
包括通过将PDMS结合在底部表面而形成的池子的PDMS，以及通过导管与池子相连的气体供给管线；
布置在PDMS上可渗透PDMS薄膜；以及
PDMS覆盖物，其结合在PDMS薄膜上，而且在PDMS膜另一面，与气体供给管线相对处刻有介质标线。
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