CN211445767U - 一种用于细胞团三维培养的微流控芯片 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种用于细胞团三维培养的微流控芯片，包括自上而下设置的第一芯片层和第二芯片层，第一芯片层上设置有细胞进样通道、细胞出样通道以及多个细胞培养腔，细胞进样通道和细胞出样通道分别与多个细胞培养腔相连通，细胞培养腔内设置有多个挡板；第二芯片层上设置有多个细胞培养孔，第二芯片层上的多个细胞培养孔所在的区域与第一芯片层上的多个细胞培养腔所在的区域相对应。本实用新型提供的用于细胞团三维培养的微流控芯片结构简单，易于加工成型；在培养过程中能够有效更换培养液，且对细胞团的影响较小；形成的细胞团形状和尺寸均一且活性较高；适用于多种细胞类型，如干细胞、肿瘤细胞、组织细胞等。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种微流控芯片，具体涉及一种用于细胞团三维培养的微流控芯片。
背景技术
细胞微环境是一个多因素组成的复杂集合，其对细胞增殖、分化、迁移和代谢等行为和功能都起着重要作用。而细胞的这些行为与胚胎发育、血管新生、组织修复、免疫防御以及肿瘤发生等重要生理病理过程都密切相关。近年来，细胞微环境的研究已成为研究热点和难点。
传统的对于细胞微环境的研究多依赖于单层细胞的二维培养方法。然而，单层细胞的二维培养方法受制于二维培养条件，细胞与细胞的相互作用只有非常有限的接触面积，且培养一般是在塑料等材料上进行，与体内组织所处微环境不符，同时培养基与单层细胞接触，使得细胞直接暴露在营养物、氧气和药物下，会引起临床中对患者用药剂量的错误估量。
为了克服单层细胞的二维培养方法的不足，提出了一种细胞团的三维培养方法，该方法利用细胞团中细胞的堆积连接促使细胞之间具有复杂的信息传递，再添加凝胶和胶原等含有细胞质基质成分的水凝胶支架，可提供体外细胞和细胞质基质的相互作用，由此可为细胞提供一个近似在体的生长环境。
近年发展起来的微流控芯片技术凭借微尺度、高效率等众多优势，在细胞研究中应用广泛，通过设置合理的培养结构，可以实现细胞团的三维培养，为生命科学领域的细胞水平研究提供了良好的实现平台。
目前，已经报道了一些利用微流控芯片培养细胞团的方法，但这些微流控芯片结构复杂，不易加工成型，难以形成形状和尺寸均一及活性高的细胞团，且在培养过程中不能有效更换培养液，容易干扰细胞团的形成。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种用于细胞团三维培养的微流控芯片，以解决现有技术中存在的上述问题。
为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：
一种用于细胞团三维培养的微流控芯片，包括自上而下设置的第一芯片层和第二芯片层，
所述第一芯片层上设置有细胞进样通道、细胞出样通道以及多个细胞培养腔，所述细胞进样通道和所述细胞出样通道分别与多个所述细胞培养腔相连通，所述细胞培养腔内设置有多个挡板；
所述第二芯片层上设置有多个细胞培养孔，所述第二芯片层上的多个细胞培养孔所在的区域与所述第一芯片层上的多个细胞培养腔所在的区域相对应。
优选的，所述细胞进样通道和所述细胞出样通道的上方分别设置有储液池和收集池，所述储液池和所述收集池的直径分别为所述细胞进样通道和所述细胞出样通道管径的2倍以上，所述细胞进样通道和所述细胞出样通道分别与所述储液池和所述收集池相连通。
优选的，多个所述挡板呈阵列排布于所述细胞培养腔内。
优选的，所述第一芯片层上设置有多个流通管道，所述细胞进样通道与所述细胞培养腔之间、所述细胞出样通道与所述细胞培养腔之间以及多个所述细胞培养腔之间分别通过所述流通管道相连通。
优选的，多个所述细胞培养孔呈阵列排布于所述第二芯片层上。
优选的，所述细胞培养孔的横截面为圆形，底部为U型或者上大下小的梯形。
优选的，所述细胞培养腔的横截面为多边形或者椭圆形。
优选的，述细胞进样通道和所述细胞出样通道均设置有至少一个。
优选的，所述第一芯片层与所述第二芯片层之间通过等离子体封装键合或者通过热压方式结合，或者注塑一体化成型。
优选的，所述第一芯片层和所述第二芯片层选自聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯材料中的一种或者两种，或者选自上述材料的衍生物。
本实用新型提供的用于细胞团三维培养的微流控芯片具有如下有益效果：
1、结构简单，易于加工成型；
2、在培养过程中能够有效更换培养液，且对细胞团的影响较小；
3、形成的细胞团形状和尺寸均一且活性较高；
4、适用于多种细胞类型，如干细胞、肿瘤细胞、组织细胞等。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或者现有技术中的技术方案，下面将对实施例或者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实用新型的一些实施例，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它附图。
图1为本实用新型实施例提供的用于细胞团三维培养的微流控芯片的结构示意图；
图2为本实用新型实施例提供的用于细胞团三维培养的微流控芯片的剖面示意图；
图3为本实用新型实施例提供的第一芯片层上的细胞培养腔的局部放大示意图；
图4为本实用新型实施例提供的第二芯片层的结构示意图；
图5为本实用新型实施例提供的第二芯片层上的细胞培养孔的扫描电子显微镜图；
图6为本实用新型实施例提供的细胞培养孔内细胞培养24h形成的细胞团的光学显微镜图；
图7为本实用新型实施例提供的细胞培养孔内细胞培养24h形成的细胞团的荧光染色图；
图中：1-第一芯片层，11-细胞进样通道，12-细胞出样通道，13-细胞培养腔，131-挡板，14-流通管道，2-第二芯片层，21-细胞培养孔，3-储液池，4-收集池。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本实用新型的范围。
实施例：
本实用新型实施例提供了一种用于细胞团三维培养的微流控芯片，如图1所示，所述微流控芯片包括自上而下设置的第一芯片层1和第二芯片层2。本实用新型实施例中，所述第一芯片层1和所述第二芯片层2均采用高分子材料制成，例如均采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等材料中的一种或者两种制成，或者均采用上述材料的衍生物制成。当然，所述第一芯片层1和所述第二芯片层2也可以采用其他高分子材料制成，本实用新型实施例对此不作限制。所述第一芯片层1与所述第二芯片层2之间通过等离子体封装键合。当然，所述第一芯片层1与所述第二芯片层2之间也可以采用热压方式结合或者注塑一体化成型，本实用新型实施例对此不作限制。
如图2所示，所述第一芯片层1上设置有至少一个细胞进样通道11和至少一个细胞出样通道12。本实用新型实施例中，所述细胞进样通道11和所述细胞出样通道12的数量相同。当然，所述细胞进样通道11和所述细胞出样通道12的数量也可以不同，本实用新型实施例对此不作限制。
所述细胞进样通道11和所述细胞出样通道12的上方分别设置有储液池3和收集池4。所述储液池3和所述收集池4的直径分别为所述细胞进样通道11和所述细胞出样通道12的管径的2倍以上。所述细胞进样通道11与所述储液池3相连通，用于通入细胞悬浮液与水凝胶溶液的混合液以进行细胞团培养，以及用于细胞培养液的供给。所述细胞出样通道12与所述收集池4相连通，所述收集池4用于收集细胞上清液以进行后续检测。所述储液池3和所述收集池4的设计，方便在培养过程中更换培养液，且对细胞团的影响较小。
如图2所示，所述第一芯片层1上还设置有多个细胞培养腔13，所述多个细胞培养腔13设置于所述细胞进样通道11与所述细胞出样通道12之间，且所述多个细胞培养腔13分别与所述细胞进样通道11和所述细胞出样通道12相连通。在一些实施例中，所述细胞培养腔13可以设置有两个，在另一些实施例中，所述细胞培养腔13可以设置有两个以上，例如设置有三个、四个等。本实用新型实施例中，所述细胞培养腔13的横截面可以为多边形。当然，所述细胞培养腔13也可以采用其他形状，例如椭圆形，本实用新型实施例对此不作限制。
如图2所示，所述第一芯片层1上还设置有多个流通管道14，所述多个流通管道14设置于所述细胞进样通道11与所述细胞培养腔13之间、所述细胞出样通道12与所述细胞培养腔13之间以及多个所述细胞培养腔13之间，以使所述细胞进样通道11与所述细胞培养腔13之间、所述细胞出样通道12与所述细胞培养腔13之间以及多个所述细胞培养腔13之间相连通。
如图2和图4所示，所述第二芯片层2上设置有多个细胞培养孔21。所述第二芯片层2上的多个细胞培养孔21所在的区域与所述第一芯片层1上的多个细胞培养腔13所在的区域相对应，便于使细胞悬浮液与水凝胶溶液的混合液流入所述细胞培养腔13内的所述细胞培养孔21以进行细胞团培养。多个所述细胞培养腔13的设置，可以使更多的所述混合液流入所述细胞培养孔21中，提高了细胞的利用率。
如图4所示，多个所述细胞培养孔21可以按照阵列排布于所述第二芯片层2上。本实用新型实施例中，所述细胞培养孔21的横截面可以为圆形。当然，所述细胞培养孔21也可以采用其他形状，本实用新型实施例对此不作限制。本实用新型实施例中，所述细胞培养孔21的底部可以为U型，当然，所述细胞培养孔21也可以采用其他形状，例如上大下小的梯形，本实用新型实施例对此不作限制。在实际应用中，为了满足不同用户对于细胞团的要求，所述细胞培养孔21的数量和大小可以根据需要进行设置。所述细胞培养孔21对细胞具有限制作用和表面修饰作用，可形成尺寸和形状均一的细胞团，适用于多种细胞类型，如干细胞、肿瘤细胞、组织细胞等。
如图2和图3所示，所述细胞培养腔13内设置有多个挡板131。本实用新型实施例中，多个所述挡板131可以呈阵列排布于所述细胞培养腔13内，且相邻两个所述挡板131之间的间距可以均为100-200μm。当然，为了便于通过不同大小的细胞，所述挡板131之间的间距也可以根据需要进行设置，本实用新型实施例对此不作限制。所述挡板131的设置，一方面可以有效降低通入的细胞悬浮液与水凝胶溶液的混合液的流速，形成较为均一的层流，促进细胞均匀分布；另一方面可以作为支撑结构，防止所述细胞培养腔13发生塌陷；又一方面可以避免当更换培养液时，培养液对细胞团的直接冲击，提高细胞团的成团率。
本实用新型实施例还提供了一种利用上述微流控芯片进行细胞团三维培养的方法，该方法包括以下步骤：
S1、将培养液导入所述微流控芯片，然后置于培养箱中过夜孵育，以构建适宜细胞生长的环境，提高细胞存活率；
S2、配制细胞悬浮液，添加0.5-5％v/v水凝胶溶液与细胞悬浮液混合，根据所述微流控芯片内部孔径调节细胞浓度，使初始细胞浓度范围在105-106；
S3、将细胞悬浮液与水凝胶溶液的混合液以一定速率导入所述微流控芯片中，待所述混合液中的细胞进入所述细胞培养孔，将所述微流控芯片放置于培养箱中进行培养。
具体的，所述混合液中的细胞进入如图5所示的所述细胞培养孔中，在所述细胞培养孔中培养12h后，会在所述细胞培养孔中发生自我聚集，形成细胞团，继续培养12h，细胞团可进一步增大，并形成紧实的球体，如图6所示。
进一步的，在细胞培养24h形成细胞团后，可以测定细胞团的生长活力。具体测定方法如下：
(1)用PBS清洗所述微流控芯片内部，将配制好的染料工作液导入所述储液池中；
其中，所述配制好的染料工作液为浓度为4μM的EthD-1染料和浓度为2μM的Calcein AM染料的混合溶液。
(2)再次用PBS清洗，并放置于培养箱中孵育30min；
(3)根据所述细胞培养孔内细胞培养24h形成的细胞团的荧光染色图(参见图7)，计算所述微流控芯片中细胞团的存活率。
经计算得出所述微流控芯片中细胞团的存活率为92％，可见，本实用新型实施例利用上述微流控芯片培养形成的细胞团活性较高。
应当注意的是，以上实施例只为解释说明所用，而不应被当成是对本实用新型所包含内容范围的限制。由于受篇幅限制，实用新型人仅对较为典型的实施方法进行了描述，但本领域技术人员应当充分认识到本实用新型可以针对未脱离实用新型内容主旨的创新点及优点作相关修改，且所有这类修改都应包含在本实用新型所定义的和等同意义的内容范围之内。
Claims (10)
1.一种用于细胞团三维培养的微流控芯片，其特征在于，包括自上而下设置的第一芯片层(1)和第二芯片层(2)，
所述第一芯片层(1)上设置有细胞进样通道(11)、细胞出样通道(12)以及多个细胞培养腔(13)，所述细胞进样通道(11)和所述细胞出样通道(12)分别与多个所述细胞培养腔(13)相连通，所述细胞培养腔(13)内设置有多个挡板(131)；
所述第二芯片层(2)上设置有多个细胞培养孔(21)，所述第二芯片层(2)上的多个细胞培养孔(21)所在的区域与所述第一芯片层(1)上的多个细胞培养腔(13)所在的区域相对应。
2.根据权利要求1所述的用于细胞团三维培养的微流控芯片，其特征在于，所述细胞进样通道(11)和所述细胞出样通道(12)的上方分别设置有储液池(3)和收集池(4)，所述储液池(3)和所述收集池(4)的直径分别为所述细胞进样通道(11)和所述细胞出样通道(12)的管径的2倍以上，所述细胞进样通道(11)和所述细胞出样通道(12)分别与所述储液池(3)和所述收集池(4)相连通。
3.根据权利要求1所述的用于细胞团三维培养的微流控芯片，其特征在于，多个所述挡板(131)呈阵列排布于所述细胞培养腔(13)内。
4.根据权利要求1所述的用于细胞团三维培养的微流控芯片，其特征在于，所述第一芯片层(1)上设置有多个流通管道(14)，所述细胞进样通道(11)与所述细胞培养腔(13)之间、所述细胞出样通道(12)与所述细胞培养腔(13)之间以及多个所述细胞培养腔(13)之间分别通过所述流通管道(14)相连通。
5.根据权利要求1所述的用于细胞团三维培养的微流控芯片，其特征在于，多个所述细胞培养孔(21)呈阵列排布于所述第二芯片层(2)上。
6.根据权利要求1所述的用于细胞团三维培养的微流控芯片，其特征在于，所述细胞培养孔(21)的横截面为圆形，底部为U型或者上大下小的梯形。
7.根据权利要求1所述的用于细胞团三维培养的微流控芯片，其特征在于，所述细胞培养腔(13)的横截面为多边形或者椭圆形。
8.根据权利要求1所述的用于细胞团三维培养的微流控芯片，其特征在于，所述细胞进样通道(11)和所述细胞出样通道(12)均设置有至少一个。
9.根据权利要求1所述的用于细胞团三维培养的微流控芯片，其特征在于，所述第一芯片层(1)与所述第二芯片层(2)之间通过等离子体封装键合或者通过热压方式结合，或者注塑一体化成型。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的用于细胞团三维培养的微流控芯片，其特征在于，所述第一芯片层(1)选自聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯材料中的一种；
所述第二芯片层(2)选自聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯材料中的一种。
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|---|---|---|---|---|
| CN112375681A (zh) * | 2020-11-19 | 2021-02-19 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种器官芯片及其应用 |
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