CN217230773U - 一种产生稳定浓度梯度的微流控芯片 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种产生稳定浓度梯度的微流控芯片。该微流控芯片包括两个宽度不同的进样通道A与进样通道B，通过进样通道A与进样通道B孔径的差异进行溶液稀释倍数的控制与调整；进样通道A与进样通道B通过微流管道与稀释通道相连，稀释通道是两组交错凸起的栅栏式结构，形成曲线形状的微流管道。本实用新型通过微管道网络的布局形成稳定可控的浓度梯度，操作方法简单，为生物技术领域中肿瘤类器官培养、药物检测提供便利。

Description

一种产生稳定浓度梯度的微流控芯片

技术领域

本实用新型属于生物技术领域和化学领域，具体涉及一种产生稳定浓度梯度的微流控芯片。

背景技术

梯度稀释在化学和生物化学实验中是最常用的操作之一，在药物剂量响应实验中，需要配制一系列线性稀释或对数稀释的药物，药物浓度一般需要跨越3-6个数量级，常规的梯度稀释方法需要精确的计量与混合溶液，操作费时费力，而且易于引起实验误差，影响实验结果的准确性。微流控技术的出现，为产生药物浓度的研究提供了一种有力的手段，包括模拟人体器官的浓度梯度操控、控制细胞行为及其生长状态、药物对伤口愈合和炎症消除的探究、药物传递、癌细胞转移等。微流控控制技术是将化学反应(包括进样、混合、反应、分离、检测)集成到一个微小芯片上来实现的一门新兴科学技术，具有微型化、集成化的特点。

微流控芯片(Microfluidic device)技术是在微全分析系统(micro totalanalysissystem，μTAS)的基础上构建起来的。微流控芯片指的是将微流体应用于一种特定芯片的控制方法，它泛指用μm级的管道处理或者作用于痕量(10^-9到10^-18升)流体的一个科学系统。

目前微流控芯片中广泛使用的浓度梯度生成结构是“圣诞树”结构及其变形结构，其基本原理是：利用设计好的微通道网络使存在浓度差的两种流体经过多次重复地分离、混合后，每个支路包含不同比例的原溶液，最终溶液在圣诞树形的网络结构底部形成浓度梯度。而这样结构的微流控芯片存在一定的问题，例如，“圣诞树”结构的原理是通过上层的几个不同浓度的溶液进行混合来新增若干个浓度，为保证较均匀的浓度梯度，每层增加的流道单元不能超过一定数量，所以，当需要较多的浓度梯度数量时，会需要较多的层数，造成芯片体积随着“圣诞树”层数的增加而大幅加大，这样导致流道冗长，浓度梯度生成效率低。另一方面，每个流道单元中通常时采用迂回弯折的流道结构(如S形流道结构)来实现两种液体的混匀，层数高、流道单元多，导致整个流道结构中存在众多迂回弯折的流道结构，这会使得流道阻力大大增加，流道长度成倍增长，从而会进一步降低液流速度，降低浓度梯度的形成效率，且还会导致因药物粘附流道壁而造成的药物损失增加。

实用新型内容

为了解决背景技术中存在的问题，本实用新型提供一种产生稳定浓度梯度的微流控芯片，用以在微流控系统中提供浓度准确稳定、灵活可控、易于集成的浓度梯度，可通过对芯片功能的要求自行灵活设计。

为解决上述技术问题，本实用新型提出的技术方案是一种产生稳定浓度梯度的微流控芯片，所述微流控芯片包括两个宽度不同的进样通道A与进样通道B，通过所述进样通道A与进样通道B两者孔径的差异进行试剂稀释倍数的控制与调整；进样通道A与进样通道B通过微流管道与稀释通道相连；所述稀释通道的入口端设有第一支孔，出口端设有第二支孔，第一支孔与第二支孔的孔径与进样通道B(51)的孔径相匹配。

进一步，所述稀释通道是两组交错凸起的栅栏式结构，形成曲线形状的微流管道，其作用是减缓液体流速以促进液体均匀混合。利用栅栏式结构形成阻力，结合化合物对流和扩散分配使得药物与培养基充分混合。

优选的，所述稀释通道中栅栏式结构的凸起结构设置数量为5个及以上。栅栏式凸起结构有利于降低局部流速，以实现充分混匀效果。本装置不需要额外的混合腔体结构即可实现液体的均匀混合。各稀释通道的长度相等、容积相同。

进一步，所述第一支孔与进样通道B的出口连通；第二支孔与进样通道B的入口连通。该稀释通道与进样通道B的连接处，即第一支孔或第二支孔可以设置阀门或开关结构，也可以不设置阀门或开关结构。液体流经稀释通道后一部分流向复孔，另一部分液体通过进样通道B进入下一级浓度的稀释。

进一步，所述稀释通道(52)的出口端设有若干个槽口，所述槽口连接引流管道。

进一步，所述引流管道的出口为斜切面。

优选的，所述微流控芯片的材质是玻璃、石英芯片、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA或聚二甲基硅氧烷PDMS其中一种。

微流控芯片是模块化设计，两个以上微流控芯片可通过微流管道连通组成阵列，其个数根据实际需求进行设置，多个微流控芯片形成逐级稀释，形成试剂的浓度梯度。

本实用新型与现有技术相比具有以下有益效果：

(1)本装置可以进行单一或多种试剂混合的多浓度梯度稀释，简单易用。

(2)本实用新型通过微流通道的设计，保持溶液等量，溶质逐级稀释形成一定浓度梯度。与传统的多孔板技术相比，省去了配制和分配多种试剂不同浓度溶液的繁冗操作，大大简化了操作过程，迅速地降低了试剂的耗量，具有便携、经济、快速、高效的特点，在化学领域以及细胞生物学、遗传学和药物筛选等相关领域中具有良好的应用前景。

(3)本实用新型便于观察、设备简单、样品和试剂用量小，平行筛选能力高，可实现高通量药物的检测，有利于快速筛选新药的疗效和毒性，在细胞生物学、遗传学和药物筛选等相关领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本实用新型一个实施例中的结构示意图；

图2为本实用新型在孔板上使用的示意图；

图3为稀释通道的放大图；

图4为多个微流控芯片组成阵列的示意图。

附图标号说明：100、微流控芯片；1、孔板；2、复孔；41、进样通道A；51、进样通道B；52、稀释通道；521、第一栅栏组；522、第二栅栏组；523、凸起结构；53、第一支孔；54、第二支孔；55、槽口；56、引流管道；

具体实施方式

为了进一步解释本实用新型的技术方案，下面通过具体实施例结合附图来对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，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。

需要说明，本实用新型实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本实用新型中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

另外，本实用新型各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。

实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂以及其他仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。

本实用新型提出的技术方案是一种产生稳定浓度梯度的微流控芯片100，所述微流控芯片100包括两个宽度不同的进样通道A41与进样通道B51，如图1所示，通过所述进样通道A41与进样通道B51两者孔径的差异进行试剂稀释倍数的控制与调整；进样通道A41与进样通道B51通过微流管道与稀释通道52相连；所述稀释通道52的入口端设有第一支孔53，出口端设有第二支孔54，第一支孔53与第二支孔54的孔径与进样通道B51的孔径相匹配。

进一步，所述稀释通道52是两组交错凸起的栅栏式结构，形成曲线形状的微流管道，其作用是减缓液体流速以促进液体均匀混合。利用栅栏式结构形成阻力，结合化合物对流和扩散分配使得药物与培养基充分混合。如图3中所示，黑色的是液体流通管道，白色的是两组栅栏式结构，第一栅栏组521与第二栅栏组522相互交错，形成曲线形状的微流管道，其作用是减缓液体流速以促进液体均匀混合。利用栅栏式结构形成阻力，结合化合物对流和扩散分配使得药物与培养基充分混合。

优选的，所述稀释通道52中栅栏式结构的凸起结构523(图中未完全示出)设置数量为5个及以上。栅栏式凸起结构523有利于降低局部流速，以实现充分混匀效果。本装置不需要额外的混合腔体结构即可实现液体的均匀混合。

进一步，所述第一支孔53与进样通道B51的出口连通；第二支孔54与进样通道B51的入口连通。该稀释通道52与进样通道B51的连接处，即第一支孔53或第二支孔54可以设置阀门或开关结构，也可以不设置阀门或开关结构。液体流经稀释通道52后一部分流向复孔2(图中未完全示出)，另一部分液体通过进样通道B51进入下一级浓度的稀释。

进一步，所述稀释通道52的出口端设有若干个槽口55(图中未完全示出)，所述槽口55连接引流管道56(图中未完全示出)。

进一步，所述引流管道56的出口为斜切面。

优选的，所述微流控芯片100的材质是玻璃、石英芯片、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA或聚二甲基硅氧烷PDMS其中一种。

其中一个优选实施例，进样通道B51与微流控芯片100活动连接，可以取下更换，例如可以根据不同稀释倍数的需求，将其选择与进样通道A41不同比例的孔径。

另外可将两个微流控芯片100通过微流管道连通组成阵列，如图4所示，还可以增加微流控芯片100的连接数量从而达到更低的稀释浓度，其个数根据实际稀释倍数需求进行设置。多个微流控芯片100形成逐级稀释，形成试剂的浓度梯度。优选的，所组成的阵列中可以设置一空白对照组，即其中一个微流控芯片不连通进样通道B51。

其中一个优选实施例，本实用新型可以按照现有孔板的尺寸直接设计为模块化的药物稀释微流控芯片，如图2所示，若干个槽口55所连接引流管道56与孔板1的复孔2一一对应。使用时直接将微流控芯片放置于孔板上即可。图2及下文中皆以五个槽口为例，进一步阐述本实用新型，而槽口55的具体数目不影响本实用新型技术方案的实施。

本实用新型工作原理：试剂与溶液培养基采用相同的体积流速，假设每次稀释10倍，将进样通道A41孔径设计成进样通道B51的9倍，那么每一次在稀释通道52中单位时间内通过的试剂与溶液容量比是1:9，形成1/10的梯度稀释效果。那么当需要不同的试剂浓度稀释倍数时，准备进样通道A41与进样通道B51不同比例的孔径即可。再利用栅栏式结构的稀释通道52，形成曲线形状的微流管道，减缓液体流速，结合化合物对流和扩散分配使得药物与培养基充分混合，达到液体均匀混合的目的。

使用过程中，进样通道A41中可以是细胞培养基溶液，或者与待测药物的溶剂相同的溶液，或者其他不会影响细胞培养且与待测药物不存在干扰的溶液，还可以是去离子水或生理盐水。

通过这种方式从而产生可控的浓度梯度，例如在培养腔注入肿瘤类器官细胞后，可实现高通量药物的检测，并且本实用新型在制作和操作上简单方便，并适合与其他功能微型器件结合使用。

以上为本实用新型的总体构思，为便于理解，下面以实施例详细说明本实用新型用于肿瘤类器官培养以及药物稀释的方法步骤。

实施例1：肿瘤类器官培养、药物稀释与观察

微流控芯片的设计：如图1-图4所示，为方便描述，以药物稀释五倍为具体示例，即选择进样通道B51与培养基通道41的孔径面积为1:4的比例，形成1/5的梯度稀释效果。具体的，将进样通道B51与进样通道A41的高度保持一致，进样通道A41的宽度是进样通道B51宽度的4倍。稀释通道52凸起结构523设置数量为5个，形成两组交错的栅栏式结构。在孔板1中的多个复孔2作为肿瘤类器官培养腔，培养腔组成肿瘤类器官培养区域另在孔板1上设置一组空白对照组，即空白对照组对应的微流控芯片不连通进样通道B51。

步骤(1)：在进行肿瘤类器官培养和药物实验之前，对用于灌装培养基、药物或者缓冲溶液的注射器，对外接注射泵、微流控芯片进行环氧乙烷灭菌。

步骤(2)：在灭菌后的生物安全柜中，将培养基灌注至一个注射器，药物溶液灌注至另外一个注射器，两个注射器分别固定在外接注射泵上，通过在微流控芯片100中混合药物溶液和缓冲溶液产生药物浓度梯度。

步骤(3)：将上述连接好的本装置放置于细胞培养箱中，设置好外接注射泵的工作流速及工作时间，运行注射泵，系统开始工作。

步骤(4)：在培养腔中先铺一层Matrigel形成基质胶层，然后手动加入肿瘤细胞悬液，所有通道都通入培养基并以一定的流速持续灌流，实现类器官的流体化培养。

约1-2w后，待肿瘤细胞悬液长成球体，此时再通入梯度稀释的药物进入培养腔中作用；3-5d后，通过自动化成像对每个孔的细胞进行细胞成像，读取并分析类器官对药物的测试结果。

上述实施例和图式并非限定本实用新型的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本实用新型的专利范畴。

Claims (9)

1.一种产生稳定浓度梯度的微流控芯片，其特征在于：所述微流控芯片包括两个宽度不同的进样通道A(41)与进样通道B(51)，通过所述进样通道A(41)与进样通道B(51)孔径的差异进行试剂稀释倍数的控制与调整；进样通道A(41)与进样通道B(51)通过微流管道与稀释通道(52)相连；所述稀释通道(52)的入口端设有第一支孔(53)，出口端设有第二支孔(54)，第一支孔(53)与第二支孔(54)的孔径与进样通道B(51)的孔径相匹配。

2.根据权利要求1所述的一种产生稳定浓度梯度的微流控芯片，其特征在于：所述稀释通道(52)是两组交错凸起的栅栏式结构，形成曲线形状的微流管道。

3.根据权利要求2所述的一种产生稳定浓度梯度的微流控芯片，其特征在于：所述稀释通道(52)中栅栏式结构的凸起结构(523)设置数量为5个及以上。

4.根据权利要求1所述的一种产生稳定浓度梯度的微流控芯片，其特征在于：所述第一支孔(53)与进样通道B(51)的出口连通；第二支孔(54)与进样通道B(51)的入口连通。

5.根据权利要求4所述的一种产生稳定浓度梯度的微流控芯片，其特征在于：第一支孔(53)或第二支孔(54)可以设置阀门或开关结构。

6.根据权利要求1所述的一种产生稳定浓度梯度的微流控芯片，其特征在于：所述稀释通道(52)的出口端设有若干个槽口(55)，所述槽口(55)连接引流管道(56)。

7.根据权利要求6所述的一种产生稳定浓度梯度的微流控芯片，其特征在于：所述引流管道(56)的出口为斜切面。

8.根据权利要求1所述的一种产生稳定浓度梯度的微流控芯片，其特征在于：两个及以上所述微流控芯片(100)通过微流管道连通形成试剂的浓度梯度。

9.根据权利要求1所述的一种产生稳定浓度梯度的微流控芯片，其特征在于：所述微流控芯片的材质是玻璃、石英芯片、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA或聚二甲基硅氧烷PDMS其中一种。

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