CN206502830U - 溶液梯度产生和细胞培养微流控芯片 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种溶液梯度产生和细胞培养微流控芯片,包括上下层叠设置的梯度发生层和细胞培养层,所述梯度发生层中形成有浓度梯度发生微通道,该浓度梯度发生微通道包括至少两个浓度梯度入口池和多个浓度梯度出口池,所述细胞培养层中形成有多个细胞培养腔,每个所述细胞培养腔分别通过一垂直通道连通于一个所述浓度梯度出口池。本实用新型将浓度梯度生成器与细胞培养区域放置在不同平面,这样在细胞进样时,细胞就不会进入浓度的梯度生成器通道中,避免堵塞浓度梯度生成器中的微通道从而保证能够生成稳定的浓度梯度溶液。
Description
技术领域
本申请属于分析化学或细胞生物学领域,特别是涉及一种溶液梯度产生和细胞培养微流控芯片,能够产生稳定的浓度梯度,便于用于研究细胞对药物浓度梯度的反应。
背景技术
浓度梯度的配制是生物和化学实验中最常用的操作之一,在细胞分化及细胞毒性实验中,不同的细胞因子浓度及药物浓度对细胞的发育及毒性有较大差异。因此在考察分子浓度及药物剂量对细胞发育和生存的影响时,需要配制一系列线性浓度梯度或对数浓度梯度的细胞因子及药物。在分析化学实验中,不同浓度的化学物质对化学反应的结果也具有较大影响。而传统的浓度梯度配制方法需要精确的计算和多次的溶液混合,操作繁琐,而且容易引起实验误差,影响实验结果的准确性。
微流控技术可以实现对流体的操控,为浓度梯度的自动生成提供了一个有效的手段。通过使流体在特殊结构的微通道中重复分流-混合-分流的过程,最后不同浓度的溶液分散进入多个分支通道中,形成一系列呈浓度梯度的溶液(Ye N N,Qin J H,Shi W W,LiuX,Lin B C.Lab Chip,2007,7,1696-1704)。但是这种浓度梯度生成器若要形成更宽的浓度范围,需要进行多级的分流-混合-分流过程,因而浓度梯度的生成速度较慢、效率较低。这种浓度梯度生成器也可以和细胞培养芯片集成在一起,用于药物筛选研究,但是这种集成了浓度梯度生成器和细胞培养芯片的微流控装置,浓度梯度生成通道和细胞进样、培养通道处于同一个平面。当细胞进样时,细胞很容易进入浓度梯度生成器的微通道中,在其中生长繁殖,从而导致浓度梯度生成器的流阻发生变化,影响浓度梯度的生成效果。目前已报道的集成了浓度生成器的微流控芯片装置,由于浓度梯度生成器的梯度生成效率不高,而且在用于细胞水平的药物筛选时,细胞容易进入浓度梯度生成器的通道中,使其在实际应用中受到较大的限制。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种溶液梯度产生和细胞培养微流控芯片,以克服现有技术中的不足。
为实现上述目的,本实用新型提供如下技术方案:
本申请实施例公开一种溶液梯度产生和细胞培养微流控芯片,包括上下层叠设置的梯度发生层和细胞培养层,所述梯度发生层中形成有浓度梯度发生微通道,该浓度梯度发生微通道包括至少两个浓度梯度入口池和多个浓度梯度出口池,所述细胞培养层中形成有多个细胞培养腔,每个所述细胞培养腔分别通过一垂直通道连通于一个所述浓度梯度出口池。
优选的,在上述的溶液梯度产生和细胞培养微流控芯片中,所述浓度梯度发生微通道呈金字塔形,包括相连通的多级结构,每级结构分别包括多个浓度梯度通道,且自浓度梯度入口池至浓度梯度出口池方向的浓度梯度通道的数量逐级递增。
优选的,在上述的溶液梯度产生和细胞培养微流控芯片中,每个所述浓度梯度通道分别曲线延伸并可作为混合通道。
优选的,在上述的溶液梯度产生和细胞培养微流控芯片中,所述细胞培养层下方支撑有基板,所述细胞培养腔形成于所述基板和细胞培养层之间。
优选的,在上述的溶液梯度产生和细胞培养微流控芯片中,所述细胞培养腔凹设于所述细胞培养层的下表面。
优选的,在上述的溶液梯度产生和细胞培养微流控芯片中,所述基板为玻璃。
优选的,在上述的溶液梯度产生和细胞培养微流控芯片中,所述细胞培养层材质为PDMS。
优选的,在上述的溶液梯度产生和细胞培养微流控芯片中,所述浓度梯度发生微通道形成于所述梯度发生层和细胞培养层之间,所述浓度梯度发生微通道凹设于所述梯度发生层的下表面。
优选的,在上述的溶液梯度产生和细胞培养微流控芯片中,所述梯度发生层材质为PDMS。
优选的,在上述的溶液梯度产生和细胞培养微流控芯片中,所述多个细胞培养腔的一侧连通于同一个细胞入口池,所述多个细胞培养腔的另一侧连通于同一个细胞出口池。
与现有技术相比,本实用新型的优点在于:本实用新型通过梯度发生层中特殊设计的微通道网络,实现对一种溶液的快速稀释从而得到一组浓度呈线性梯度分布的溶液,并且彼此独立。另外,针对集成式浓度梯度生成器的不足,本实用新型提供一种三维的集成式微流控芯片,由三层芯片构成:上层为梯度发生层,中间层为细胞培养层,底层为玻璃基板。上层梯度发生层的各个出口通过相同数量的垂直通道与中间层相应的细胞培养腔相连通,细胞培养腔彼此独立。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1所示为本实用新型具体实施例中浓度梯度发生微通道的结构示意图;
图2所示为本实用新型具体实施例中浓度梯度发生微通道和细胞培养层中微通道叠加后的俯视图;
图3所示为本实用新型具体实施例中微流控芯片的剖视图(其中方点虚线箭头指示细胞悬液流动方向,圆点虚线指示浓度梯度溶液流动方向);
图4所示为本实用新型具体实施例中呈浓度梯度分布的溶液的紫外可见吸收光谱图(浓度梯度入口池101和浓度梯度入口池102中分别注入超纯水和蓝色墨水);
图5所示为本实用新型具体实施例中肺癌细胞H460在不同姜黄素浓度梯度下的生长状况。
具体实施方式
下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本实用新型一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例,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,都属于本实用新型保护的范围。
在本实用新型的描述中,需要说明的是,术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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实用新型和简化描述,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实用新型的限制。此外,术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本实用新型的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;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,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
结合图1至图3所示,溶液梯度产生和细胞培养微流控芯片,包括上下层叠设置的梯度发生层100和细胞培养层200,梯度发生层100中形成有浓度梯度发生微通道,该浓度梯度发生微通道包括至少两个浓度梯度入口池101和102和多个浓度梯度出口池A-H,细胞培养层200中形成有多个细胞培养腔201,每个细胞培养腔201分别通过一垂直通道202连通于一个浓度梯度出口池。
易于想到的是,浓度梯度发生微通道入口可以为两个,但不限于两个,也可以是3个或多个。
进一步地,浓度梯度发生微通道呈金字塔形,包括相连通的多级结构,每级结构分别包括多个浓度梯度通道103,且自浓度梯度入口池至浓度梯度出口池方向的浓度梯度通道103的数量逐级递增。
更进一步地,每个浓度梯度通道103分别曲线延伸并可作为混合通道。优选的,浓度梯度发生微通道的深度和宽度均相等,其中每个浓度梯度通道103的长度均相等,所占面积也相等。
进一步地,细胞培养层200下方支撑有基板300,细胞培养腔201形成于基板300和细胞培养层200之间。
优选的,细胞培养腔201凹设于细胞培养层200的下表面。在其他实施例中,细胞培养腔还可以凹设形成于基板的上表面。
优选的,基板300为玻璃。细胞培养层200材质为PDMS。
进一步地,浓度梯度发生微通道形成于梯度发生层100和细胞培养层200之间,浓度梯度发生微通道凹设于梯度发生层100的下表面。在其他实施例中,浓度梯度发生微通道还可以凹设形成于细胞培养层的上表面。
优选的,梯度发生层100材质为PDMS。
进一步地,多个细胞培养腔201的一侧连通于同一个细胞入口池203,多个细胞培养腔的另一侧连通于同一个细胞出口池204。
在一具体实施例中,结合图2所示,中间层细胞培养层200为8个细胞培养腔室以及连接出入口和8个细胞培养腔室的分支状微通道205,该分支状微通道205从入口203处开始为单个通道然后分为两个通道,再分为四个通道,最后分为8个通道与8个细胞培养腔室相连,8个细胞培养腔室也分别引出8个通道然后两两合并成4个通道,再由4个通道两两合并为2个通道,最后2各通道合并成单个通道与出口204相连。
中间层细胞培养层200有8个穿孔以将8个反应腔室与梯度发生层100的8个出口(A-H)相连通。最上层芯片是梯度发生层100,是带有特殊结构的微通道网络。这些特殊的微通道结构可以实现流体的分配与混合从而生成一些浓度呈梯度分布的溶液。结合图1所示,本实施例中的浓度生成器的微通道结构中不仅有“一分为二”(图1中结构I)的结构,也有“一分为三”(图1中结构II)的结构,通过交替排列“一分为二”和“一分为三”的流体分配通道结构,我们可以得到许多种类型的浓度梯度生成器,本实施例仅以其中一种为例进行说明。
在一具体实施例中,结合图1所示,浓度梯度发生微通道有两个入口101和102,分别通过两个直线形通道与第一个水平直线形通道104相连,第一个直线形通道分出三个分支分别于三个蜿蜒形通道(浓度梯度通道103)相连。上述三个蜿蜒形通道接着与第二个水平直线形105通道相连,第二个水平直线形通道分出四个分支分别于四个蜿蜒形通道相连。上述四个蜿蜒形通道接着与第三个水平直线形通道106相连,第三个水平直线形通道分出七个分支分别于七个蜿蜒形通道相连。上述七个蜿蜒形通道接着与第四个水平直线形通道107相连,第四个水平直线形通道分出八个分支分别于八个蜿蜒形通道相连。上述八个蜿蜒形通道分别与八个出口A-H相连。两股初始流体分别由两个入口101和102进入上述微通道网络中,当这两股流体进入第一个水平直线形通道104时,每股流体都一分为二成两股支流,两侧的蜿蜒形通道分别被两股流体的一股支流所充满分别保持两个初始流体的浓度不变,中间的一个蜿蜒通道被两股初始流体的支流所充满并在此完全混合形成一个中间浓度。同理,当这三股流体进入第二个水平直线通道105时,每股流体一分为二成两股支流,两侧蜿蜒通道内的流体继续保持初始流体的浓度不变,中间的两个蜿蜒通道分别由两股支流在其中完全混合形成一个中间浓度。当上述四股流体进入第三个水平直线形通道106中时,两侧的流体继续一分为二成两股支流,其中一股支流分别进入两侧的蜿蜒形通道保持初始流体的浓度不变,中间的两个流体一分为三成三股支流,两侧的两股支流分别与旁边的支流在蜿蜒通道中混合成一个中间梯度,中间的一股支流直接进入蜿蜒通道保持其浓度不变。当上述的七股流体进入第四个水平直线通道107时,每股流体一分为二成两股支流,两侧的蜿蜒通道保持初始流体的浓度不变,其他的支流分别与相邻的支流在蜿蜒形通道中混合形成六个中间浓度。
本实施例还提供一种基于上述微流控装置的细胞对药物浓度梯度的反应的研究方法,利用该装置可以产生稳定的浓度梯度,从而用于研究细胞对药物浓度梯度的反应。
具体实施步骤如下:
(1)浓度梯度的表征:用注射泵分别向浓度梯度入口池101和浓度梯度入口池102中分别注入去离子水和一定浓度的蓝墨水,并保持4μl/min的流速持续灌流,便可以得到一系列浓度呈梯度分布的蓝墨水溶液,结合图4所示。
(2)细胞在微流控芯片装置中的灌流培养:首先用注射泵向微流控芯片装置中注入2ml磷酸盐缓冲液(PBS),灌流速度为200μl/min以去除芯片通道中的气泡;10min后再向微流控芯片装置中注入500μl培养基,使芯片通道中充满培养基,静置于超净台中,以平衡芯片通道中的细胞培养环境;30min后用移液枪取10μl人肺癌细胞(H460)悬液加入芯片的细胞入口池203中,同时将废液池中的液体吸干。此时细胞入口池和废液池(细胞出口池204)之间有一个压力差,在这个压力差的作用下H460细胞便从细胞入口池流入细胞培养腔201中;当细胞培养腔201中均匀布满H460细胞时,分别向细胞入口池203和废液池中加满培养基,消除其间的压力差使H460细胞停留在细胞培养腔201中,然后放置于CO2培养箱内;4小时后,待H460细胞完全贴附于芯片基底上,吸干废液池中的液体,向细胞入口池203中加满新鲜培养基,再放入CO2培养箱内进行芯片上H460细胞的灌流培养,每6小时更换一次培养基。
(3)利用浓度梯度生成器微流控装置研究H460细胞对姜黄素浓度梯度的反应:待H460细胞在微流控芯片装置中生长24小时后,对H460细胞进行姜黄素浓度梯度的刺激。分别从浓度梯度入口池101和浓度梯度入口池102中注入姜黄素浓度为0μg/ml的培养基和姜黄素浓度为100μg/ml的培养基,并保持1μl/min的流速持续灌流,使H460细胞在姜黄素浓度梯度的作用下继续培养;H460细胞在姜黄素浓度梯度下培养24小时后,将磷酸盐缓冲液(PBS)从细胞入口池中注入芯片中洗涤细胞,然后加入荧光燃料钙黄绿素-AM(10μM)和乙锭二聚体-1(25μM)标记细胞,放入CO2培养箱中孵育3min,然后将芯片置于荧光显微镜下观察。
结合图5所示,与对照组(0μg/ml)相比,随着姜黄素浓度的增加H460细胞的凋亡率逐渐升高,当姜黄素浓度为42.9μg/ml时,H460细胞的凋亡率达到52.9%。当姜黄素浓度的浓度超过42.9μg/ml时,随着姜黄素浓度的增加H460细胞的凋亡率缓慢升高,说明姜黄素浓度在42.9μg/ml时对H460细胞的抑制作用已经达到饱和状态。由此可知姜黄素对H460细胞的最佳抑制浓度在42.9μg/ml左右。
最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种溶液梯度产生和细胞培养微流控芯片,其特征在于,包括上下层叠设置的梯度发生层和细胞培养层,所述梯度发生层中形成有浓度梯度发生微通道,该浓度梯度发生微通道包括至少两个浓度梯度入口池和多个浓度梯度出口池,所述细胞培养层中形成有多个细胞培养腔,每个所述细胞培养腔分别通过一垂直通道连通于一个所述浓度梯度出口池。
2.根据权利要求1所述的溶液梯度产生和细胞培养微流控芯片,其特征在于:所述浓度梯度发生微通道呈金字塔形,包括相连通的多级结构,每级结构分别包括多个浓度梯度通道,且自浓度梯度入口池至浓度梯度出口池方向的浓度梯度通道的数量逐级递增。
3.根据权利要求2所述的溶液梯度产生和细胞培养微流控芯片,其特征在于:每个所述浓度梯度通道分别曲线延伸并可作为混合通道。
4.根据权利要求1所述的溶液梯度产生和细胞培养微流控芯片,其特征在于:所述细胞培养层下方支撑有基板,所述细胞培养腔形成于所述基板和细胞培养层之间。
5.根据权利要求4所述的溶液梯度产生和细胞培养微流控芯片,其特征在于:所述细胞培养腔凹设于所述细胞培养层的下表面。
6.根据权利要求4所述的溶液梯度产生和细胞培养微流控芯片,其特征在于:所述基板为玻璃。
7.根据权利要求4所述的溶液梯度产生和细胞培养微流控芯片,其特征在于:所述细胞培养层材质为PDMS。
8.根据权利要求1所述的溶液梯度产生和细胞培养微流控芯片,其特征在于:所述浓度梯度发生微通道形成于所述梯度发生层和细胞培养层之间,所述浓度梯度发生微通道凹设于所述梯度发生层的下表面。
9.根据权利要求8所述的溶液梯度产生和细胞培养微流控芯片,其特征在于:所述梯度发生层材质为PDMS。
10.根据权利要求1所述的溶液梯度产生和细胞培养微流控芯片,其特征在于:所述多个细胞培养腔的一侧连通于同一个细胞入口池,所述多个细胞培养腔的另一侧连通于同一个细胞出口池。
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Legal Events
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GR01 | Patent grant | ||
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