CN1948966A - 微流道生物芯片 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种微流道生物芯片，以斜坡式微流道达成控制流体同时前进，以便进行细胞药物检测。由于斜坡微流道所产生的流阻变化为连续性，流体前进过程不会产生停滞现象，可增加试剂在各微流道反应的一致性，提高各微流道药物测试时细胞反应时间的正确性。还可搭配分流道的设计，以进一步控制流体同时流进或流出微流道。

Description

微流道生物芯片

技术领域

本发明涉及一种生物芯片的结构，且特别涉及一种具有多个微流道的生物芯片的结构。

背景技术

细胞是生物的最基本单元，具有精密的构型与复杂的生化反应，而使难以人工模仿与复制。细胞对于药物开发扮演很重要的角色，药物与细胞的交互作用，引起细胞外部形态与内部代谢过程的一系列变化，通过药物对细胞的检测分析，可推测药物的作用机理，评估药物活性与毒性。由于人体系统复杂，为了解药物对人体的影响，通常是先试验于细胞层级；而由于细胞反应直接、灵敏度高且易观察，研究人员通常是从细胞对药物的反应而推论可能的人体作用模式。因此，如何利用培养细胞进行药物刺激与研究是大药厂开发的目标之一。

微小化对生化实验的好处包括定量准确，节省检体数量，一次多样反应观测与自动化容易。随着微小化技术的日趋成熟，很多传统的培养皿渐渐被芯片取代，将细胞培养于具微流道的芯片上，来进行单一细胞的药物刺激反应研究。一般而言，细胞培养于芯片的微流道中，注入含有药物的液体，液体流动时所含的药物会与细胞反应，而研究药物对于细胞的刺激。为了避免药物在微流道内扩散，影响药物对细胞的作用时间的正确性，通常在实验时会用气泡将药物包覆起来再行输送，以准确控制药物对细胞的刺激时间。

微流道芯片的主要问题在于如何使流体(包括气体与液体)同时于多条微流道中前进。虽然公知的微流道芯片有提出使用分流方法，利用流体充满流道过程所遇到几何形状的改变，达成互相等待以造成微流道逐一流动的效果，此为步进式的流体前进方式，但是流体非在同一时间流经各流道，无法达到同时处理的目的。另一解决方案是以多层板与多孔膜阀(porousmembrane valve)组装芯片，达成均匀流动的结果。不过芯片的制造成本增加，故不适抛弃式使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有微流道的生物芯片，以斜坡式微流道达成控制流体同时前进，增加试剂在各微流道反应的一致性，提高各微流道药物测试时细胞反应时间的正确性。还可搭配分流道的设计，以进一步控制流体同时流进或流出微流道。

本发明的目的是提供一种具有微流道的生物芯片，配合多个不同深度的分流道，使液体平均分流流入上述这些微流道。而搭配平坡度或正坡度的微流道，作为细胞对药物检测的平台。

本发明提供一种具有微流道的生物芯片，至少包括具有上表面与下表面的基板以及盖板覆盖于该基板的上表面上。该基板具有多个微流道形成于该基板的上表面，而上述这些微流道为平行设置，且各微流道具有注入口与流出口位于该微流道两端，该注入口与该流出口分别与该基板的该上表面所具有的分流区与集流区相连接，而流体可经由液体入口流入该分流区中、流经上述这些微流道流至该集流区，再经液体排放口而流出，其中上述这些微流道是靠近该注入口处深而靠近该流出口处浅而具有正坡度。

依照本发明的较佳实施例，该分流区还可包括多个不同深度的分流道，使该液体平均分流流入上述这些微流道。而该集流区还可包括多个不同深度的分流道，使该液体的流阻平衡。

本发明提供一种具有微流道的生物芯片，至少包括具有上表面与下表面的基板以及盖板覆盖于该基板的上表面上。该基板具有多个微流道形成于该基板的上表面，其中各微流道具有注入口与流出口位于该微流道两端，该注入口与该流出口分别与该基板的该上表面所具有的分流区与集流区相连接，而流体可经由液体入口流入该分流区中、流经上述这些微流道流至该集流区，再经液体排放口而流出，其中该分流区包括多个不同深度的分流道，使该液体平均分流流入上述这些微流道。

依照本发明的较佳实施例，生物芯片的上述这些微流道是靠近该注入口处深而靠近该流出口处浅而具有正坡度。

而上述这些微流道互为线性平行设置，或互为平行环绕式设置。

为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1A为本发明具三种不同坡度微流道的生物芯片的俯视图。

图1B为图1A的生物芯片之中具正坡度微流道部分剖面图。

图2A为气泡于不同坡度微流道的位置与时间关系图。

图2B为于不同坡度微流道中气泡位置差异与时间关系图。

图3A为依照本发明一较佳实施例的具正坡度微流道的生物芯片的俯视图。

图3B为依照本发明一较佳实施例的具正坡度微流道的生物芯片的剖面图。

图4A为依照本发明另一较佳实施例的具分流道与平坡度微流道的生物芯片的俯视图。

图4B为依照本发明一较佳实施例的具分流道与平坡度微流道的生物芯片的剖面图。

图5A为依照本发明又一较佳实施例的生物芯片俯视图。

图5B为依照本发明一较佳实施例的生物芯片剖面图。

图6A为模拟细胞药物刺激实验的流体推进实验结果一。

图6B为模拟细胞药物刺激实验的流体推进实验结果二。

主要元件标记说明

1：生物芯片

10：基板

10a：上表面

20：盖板

100：微流道

102：注入口

103：分流区

104：流出口

105：集流区

106：液体入口

108：液体排放口

305、505：集流道

403、503：分流道

具体实施方式

本发明提供一种具有微流道的生物芯片，至少包括具有上表面与下表面的基板以及盖板覆盖于该基板的上表面上。该基板具有多个微流道形成于该基板的上表面。

为了解不同坡道对微流道流体的影响，本发明设计具有三种不同坡度的微流道芯片，分别为具有正坡度、平坡度(坡度为零)与负坡度的微流道。图1A为本发明具三种不同坡度微流道的生物芯片的俯视图。图1B为图1A的生物芯片之中具正坡度微流道部分剖面图。

如图1B所示，生物芯片1至少包括基板10以及盖板20覆盖于该基板的上表面10a上。基板10的材质例如是塑料，较佳为使用聚苯乙烯(PS)塑料材质。而盖板20可使用与生物兼容性良好的透明材料，例如聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane；PDMS)，其为软性透明高分子材料。使用PDMS为芯片微流道的上盖板，因其为软性透明材质，会贴附在塑料板材上，并具回弹性而可直接通过盖板注入药物不虞渗漏，同时有观测与流体阻隔的作用。

如图1A所示，该基板10的上表面10a上具有多个微流道100。上述这些微流道100为相同布置的微流管道。包括具有负坡度的微流道100a、具有平坡度(坡度为零)的微流道100b与具有正坡度的微流道100c。

在本发明中微流道的坡度以角度θ表示，而角度θ的计算以下式表示：

tanθ＝ΔH/ΔX

ΔH为微流道的深度差异，ΔX为微流道长度。

微流道的坡度(角度θ)可介于约0.01°至10°间，较佳是0.1°至3°间。

图1A与1B中，负坡度的微流道100a具有θ约为-0.6°，平坡度的微流道100b具有θ为0°，而正坡度的微流道100c具有θ约为0.6°。上述这些微流道100可供细胞培养用，微流道的宽度介于约10微米至3毫米间。

各微流道100具有注入口102与流出口104位于该微流道100两端，该注入口与该流出口分别与该基板的该上表面所具有的分流区103与集流区105相连接，而流体可经由液体入口106流入该分流区103中、流经上述这些微流道100流至该集流区105，再经液体排放口108而流出。流体可暂时停滞于分流区103，而液体汇流至集流区105以便于收集废液；另外在芯片左右侧边的液体入口106与液体排放口108可方便外界导入的液体进入芯片微流道与排出废液。

在流体内包含所注入约5mm长度的气泡(阴影区域所示)，分别观察不同坡度微流道内流体推动气泡的情形，实验结果如图2A-2B所示。

图2A为气泡于不同坡度微流道的位置与时间关系图。图2B为于不同坡度微流道中气泡位置差异与时间关系图。正坡度微流道的流动平衡可视为稳态平衡(steady-state equilibrium)，流动过程中的扰动易被消除，可稳定各微流道间的差异；平坡度微流道可视为随机平衡(randomequilibrium)；负坡度微流道则可视为瞬时平衡(transient equilibrium)，流动过程一旦发生干扰，易将此干扰放大，不易维持流动平衡。由图2A-2B可见，正坡度微流道(注入口处较流出口处深)由于流体推动气泡前进所受的阻力逐渐增加，可维持各气泡间的位置差异不大；平坡度微流道的实验结果显示，一开始各气泡间位置无显著差异，但后来各气泡间位置的差异扩大；负坡度微流道(注入口处比出口处浅)，由于流体推动气泡前进所受的阻力逐渐减小，超前的气泡持续超前，而气泡间位置差异变大。

为模拟细胞在芯片内的培养与药物刺激的流程，本发明芯片设计另一种结构如图3A-3B所示，芯片内各微流道均为正坡度设计，与图1A-1B相同的部分以相同的标号代表，不同之处是在后端设计集流道305来取代集流区，而且微流道100的注入口102与流出口104可设计为较窄隘口。

本发明芯片可搭配例如单管泵(图中未表示)来推动流体的前进。微流道注满流体后，将红墨水注入于各气泡间，由单管泵推动各气泡前进，观察气泡与流体在微流道内的流动过程。实验结果如图6A-6B所示，各微流道内的气泡同时被推动且差异不大，而红色墨水经流体推动后无扩散现象，可模拟药物在微流道内成功为气泡所包覆无扩散情形。

此一实施例中使用多个相等正坡度的微流道，流体在前进过程的阻力逐渐且连续地增大，容易缩小各微流道间的流动差异，达成稳定平衡，达成多条微流道同时均匀控速的目的。

本发明的生物芯片设计可在单一进口后用不同深度的分流道来使流体均匀分流，再分别流入平行的微流道，如图4A-4B所示。与图1A-1B相同的部分以相同的标号代表，不同之处是在前端设计分流道403来取代分流区，而分流道403应用不同深度的渠道，使液体均匀分流至各微流道。流体进入各个细胞培养区的微流道后，由于流道深度不同，流阻亦有差异。为使流阻达到平衡，分别计算流动阻力与流量平衡关系式，使进入平行多管微流道的流体均匀分流同时并进。

流体在平板流动的阻力计算可以下式表示，其中，Q为流量，W为流道宽度，H为流道深度，ΔP为流体不同位置间的压力差，μ为流体粘度系数，ΔX为流体前进距离。

$Q=\frac{{\mathrm{WH}}^3\mathrm{\ΔP}}{12\mathrm{\μ\ΔX}}---\left(1\right)$

并由流量恒定与流道平衡法则，可得

Q₀＝2(Q₁+2Q₂+Q₃)                (2)

Q₁＝2Q₂+Q₃                       (3)

Q₂＝Q₃                            (4)

其中，流体流动过程假设μ不变，W为流道宽度不变，ΔP的变化忽略不计，可将(1)式简化，并分别代入(2)、(3)与(4)式可得下列3个式子。如下列式子表示各分流道深度与长度的关系。

$\frac{H_0^3}{X_0}=2(\frac{H_1^3}{X_1}+2\frac{H_2^3}{X_2}+\frac{H_3^3}{X_3})---\left(5\right)$

$\frac{H_1^3}{X_1}=2\frac{H_2^3}{X_2}+\frac{H_3^3}{X_3}---\left(6\right)$

$\frac{H_2^3}{X_2}=\frac{H_3^3}{X_3}---\left(7\right)$

其中X₀，X₁，X₂与X₃为流道长度。将各微流道长度代入(5)、(6)与(7)式，设定H₀为定值，可得微流道各段的深度H₁，H₂与H₃，如表1所示。分别为6条微流道与10条微流道各分流道进口端的深度值。

表1

深度单位(mm)	H0	H1	H2	H3	H4
						6微流道-Group 1	0.5	0.444	0.284	0.218
6微流道-Group 2	1	0.888	0.568	0.437

6微流道-Group 3	1.5	1.332	0.852	0.655
						10微流道-Group 1	0.5	0.454	0.177	0.184	0.1514
10微流道-Group 2	1	0.909	0.354	0.369	0.303
						10微流道-Group 3	1.5	1.362	0.531	0.552	0.4542

当芯片设计使用分流道403时，搭配的微流道100可使用平坡道微流道，如图4B。但是，芯片结构也可搭配正坡度微流道与分流道一并使用。

此外，如图5A-5B所示，芯片设计在入口与排放口处的分设置不同深度的分流道503与不同深度的集流道505来取代分流区与集流区的设计，使流体在前端与后端均匀分流，并配合正坡度的多管微流道100，达成同时均匀前进的目的。当然，此设计亦可搭配平坡度微流道与两端分、集流道一并使用。

本发明还具有下列优点：

1.可利用PDMS与塑料板的透光性质，对于细胞刺激后的后续光学检测较易观察。PDMS的透气与生物兼容特性可提供细胞培养良好环境。PDMS与基材间不需永久接合，但因PDMS的贴附与回弹特性，流体亦不会渗漏。

2.可利用单层板与单管蠕动泵达成多管微流道同时流动，减小多管蠕动泵等昂贵驱动源的使用，并可减少操作上的不便。

3.使用斜坡微流道，俯视投影面积不变，不影响细胞贴附微流道表面的数量。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与改进，因此本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims (22)

1.一种具有微流道的生物芯片，其特征是包括：

基板，而该基板具有上表面与下表面，且具有多个微流道形成于该基板的该上表面，而上述这些微流道为平行设置；以及

盖板覆盖于该基板的该上表面上，

其中各微流道具有注入口与流出口位于该微流道两端，该注入口与该流出口分别与该基板的该上表面所具有的分流区与集流区相连接，而流体可经由流体入口流入该分流区中、流经上述这些微流道流至该集流区，再经流体排放口而流出，其中上述这些微流道是靠近该注入口处深而靠近该流出口处浅而具有正坡度。

2.根据权利要求1所述的具有微流道的生物芯片，其特征是该基板为透明塑料单层板。

3.根据权利要求1所述的具有微流道的生物芯片，其特征是该盖板的材质包括聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane)。

4.根据权利要求1所述的具有微流道的生物芯片，其特征是该分流区包括多个不同深度的分流道，使该流体平均分流流入上述这些微流道。

5.根据权利要求1所述的具有微流道的生物芯片，其特征是该集流区还包括多个不同深度的分流道，使该流体的流阻平衡。

6.根据权利要求1所述的具有微流道的生物芯片，其特征是各微流道具有隘口靠近该注入口。

7.根据权利要求1所述的具有微流道的生物芯片，其特征是各微流道具有隘口靠近该流出口。

8.根据权利要求1所述的具有微流道的生物芯片，其特征是该正坡度介于0.01°与10°之间。

9.根据权利要求8所述的具有微流道的生物芯片，其特征是该正坡度介于0.1°与3°之间。

10.根据权利要求1所述的具有微流道的生物芯片，其特征是上述这些微流道互为线性平行设置。

11.根据权利要求1所述的具有微流道的生物芯片，其特征是上述这些微流道互为平行环绕式设置。

12.一种具有微流道的生物芯片，其特征是包括：

基板，而该基板具有上表面与下表面，且具有多个微流道形成于该基板的该上表面，而上述这些微流道为平行设置；以及

盖板覆盖于该基板的该上表面上，

其中各微流道具有注入口与流出口位于该微流道两端，该注入口与该流出口分别与该基板的该上表面所具有的分流区与集流区相连接，而流体可经由流体入口流入该分流区中、流经上述这些微流道流至该集流区，再经流体排放口而流出，其中该分流区包括多个不同深度的分流道，使该流体平均分流流入上述这些微流道。

13.根据权利要求12所述的具有微流道的生物芯片，其特征是上述这些微流道是靠近该注入口处深而靠近该流出口处浅而具有正坡度。

14.根据权利要求12所述的具有微流道的生物芯片，其特征是上述这些微流道是靠近该注入口处与靠近该流出口处同样深而具有平坡度。

15.根据权利要求12所述的具有微流道的生物芯片，其特征是该集流区还包括多个不同深度的分流道，使该流体的流阻平衡。

16.根据权利要求12所述的具有微流道的生物芯片，其特征是各微流道具有隘口靠近该注入口。

17.根据权利要求12所述的具有微流道的生物芯片，其特征是各微流道具有隘口靠近该流出口。

18.根据权利要求13所述的具有微流道的生物芯片，其特征是该正坡度介于0.01°与10°之间。

19.根据权利要求18所述的具有微流道的生物芯片，其特征是该正坡度介于0.1°与3°之间。

20.根据权利要求12所述的具有微流道的生物芯片，其特征是上述这些微流道互为线性平行设置。

21.根据权利要求12所述的具有微流道的生物芯片，其特征是上述这些微流道互为平行环绕式设置。

22.根据权利要求12所述的具有微流道的生物芯片，其特征是该基板为透明塑料单层板，而该盖板的材质包括聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane)。

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