一種微流控細胞培養晶片及其製備方法
2023-06-14 22:57:01
專利名稱：一種微流控細胞培養晶片及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種微流控細胞培養晶片及其製備方法，該微流控晶片表面有微結構和微通道，兩種細胞分別固定在各自特定的細胞培養區域，細胞之間通過微通道進行細胞間的信號傳輸與互相作用，在顯微鏡下可以直觀地研究兩種細胞在生長過程中的互相作用，以及分析細胞生長過程中的代謝產物，為研究細胞生物學提供了新思路和新研究技術，主要應用於細胞生物學、遺傳學和藥物篩選等相關領域。
背景技術：
20世紀80年代後期，為了建立更類似於體內環境的培養體系，儘可能使體外環境與體內環境相吻合，從而使細胞間能相互溝通信息，相互支撐生長增殖，人們在細胞培養技術的基礎上發展出了細胞共培養技術。細胞共培養技術是將兩種或兩種以上的細胞共同培養於同一環境中，由於其具有更好地反映體內環境的優點，所以這種方法被廣泛應用於現代細胞研究中。共培養體系主要作用誘導細胞向另一種細胞分化；誘導細胞自身分化；維持細胞功能和活力；調控細胞增殖；促進早期胚胎發育和提高代謝產物產量。從上世紀30年代開始，細胞培養逐漸成為研究人員實驗過程中不可缺少的重要步驟，其載體工具培養皿/培養瓶也逐步被大家所認可，成為了一種常規的實驗耗材。雖然到目前為止，很多科學家認為培養皿/培養瓶的這種體外培養條件與體內生長環境有著顯著的不同,但是由於沒有更好的培養載體來改變這個現狀，所以生物學家們也只能退而求次的默認這種情況的存在。常規的細胞培養 皿很難完成多種細胞的共培養，因此，發展一種便捷、快速、高效、低成本的多細胞培養技術，是細胞生物學等領域的迫切需求。近年來，微流控晶片分析技術已成為分析化學中一個重要的研究方向，是其中最活躍的一支，無論是在科研還是應用領域都獲得了廣泛的重視。微流控晶片作為一種新型的分析檢測平臺，具有高通量、集成化、多重平行分析、可攜式、易操作、成本低等優點，已經在眾多領域獲得了廣泛應用。然而，採用微流控晶片，在其表面製備微結構和微通道，依靠微通道中多層液體之間的層流效應驅動樣品微流體，同時完成多種細胞的植入技術，目前在多種細胞共培養的應用領域尚未有實質性的突破。
發明內容
本發明的目的是提供了一種微流控細胞培養晶片及其製備方法，該微流控晶片表面有微結構和微通道，兩種細胞分別固定在各自特定的細胞培養區域，細胞之間通過微通道進行細胞間的信號傳輸與互相作用，在顯微鏡下可以直觀地研究兩種細胞在生長過程中的互相作用，以及分析細胞生長過程中的代謝產物，為研究細胞生物學提供了新思路和新研究技術，主要應用於細胞生物學、遺傳學和藥物篩選等相關領域。為實現上述目的，本發明採用以下的操作步驟(I)用計算機輔助設計軟體設計和繪製微流控晶片中各層晶片的微結構和微通道圖形。(2)通過微加工技術在各層微流控晶片基材表面和粘性薄膜上加工所需的微結構和微通道，包括樣品池、廢液池、微孔和微通道。(3)利用雙層粘性薄膜，將各層離心式微流控晶片對齊、粘合、加壓封合，組成兩種細胞共培養的微流控晶片。(4)將不同細胞溶液從樣品池加入，控制微流體的層流速度，將兩種細胞植入到微流控晶片中的主微通道中。(5)完成兩種細胞在微通道中的植入後，進行細胞的培養。(6)細胞鋪滿培養區域形成細胞層後，通過顯微鏡觀察細胞形態的變化，以及收集細胞代謝產物評價細胞間的互相影響。本發明中，微流控細胞培養晶片的晶片基材可以是PMMA、PC、PVC、C0C、銅、鋁、不鏽
鋼、矽片、玻璃圓片，也可是市售的各類普通CD光碟。本發明中，微流 控細胞培養晶片的晶片和粘性薄膜的微結構和微通道可以通過數控銑刻、雷射刻蝕、LIGA技術、模塑法、熱壓法、化學腐蝕製備，也可用軟刻蝕技術製備。本發明中，微流控細胞培養晶片是由兩層晶片組成，各層晶片之間用粘性薄膜貼合，粘性薄膜可以是雙層力致粘性薄膜，也可是普通雙面膠薄膜。本發明中，微流控細胞培養晶片上的細胞溶液的驅動依靠溶液入口與出口間的液差產生的重力來實現的。本發明中，微流控細胞培養晶片的細胞植入是依靠微通道中多液流之間的層流現象完成的。本發明中，微流控細胞培養晶片採用原位植入細胞於BSA蛋白修飾的微通道表面。本發明中，微流控細胞培養晶片可以研究兩種細胞之間的互相作用。本發明提出的微流控細胞培養晶片及其製備方法，操作簡單、實現了兩種種細胞的平行植入和共培養，降低了試劑與樣品的用量，簡化了細胞植入過程，在顯微鏡下可以直觀地研究兩種細胞在生長過程中的互相作用，以及分析細胞生長過程中的代謝產物，具有便攜、經濟、快速、高效、準確的特點，在細胞生物學、遺傳學和藥物篩選等相關領域中具有良好的應用前景。
圖1.微流控細胞培養晶片的結構示意圖。a.左側細胞溶液加入區，b.右側細胞溶液加入區，c.細胞溶液儲備區，d.細胞溶液儲備區，e.細胞代謝物收集區。
具體實施方案實施例1用計算機輔助設計軟體設計和繪製離心式微流控晶片的兩層晶片的微結構和微通道圖形。利用數控CNC系統加工製備兩層圓片狀聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)晶片的微結構和微通道，分別用自來水、蒸餾水清洗各層晶片，並用乙醇擦拭晶片表面殘留的指紋、油潰等汙潰。在雙面膠薄膜上，用刻字機加工製備所需的微結構和微通道。將兩層晶片小心對齊、粘合、加壓封合，製成兩種細胞共培養的微流控晶片。從左側和右側細胞溶液加入區分別加入兩種細胞溶液，控制左和右側細胞溶液加入區與細胞溶液儲備區的液差高度，從而控制層流速度，使細胞溶液緩慢流經微通道，細胞因此吸附在用BSA蛋白修飾固定的微通道表面，從而完成兩種細胞的同時植入，每隔12小時更換一次細胞培養液，待細胞鋪滿培養區域形成單細胞層後，在顯微鏡下觀察細胞在生長過程中所發生的互相作用，以及收集細胞代謝產物分析細胞間的互相影響。實施例2用計算機輔助設計軟體設計和繪製離心式微流控晶片的兩層晶片的微結構和微通道圖形。利用數控CNC系統加工製備兩層圓片狀聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)晶片的微結構和微通道，分別用自來水、蒸餾水清洗各層晶片，並用乙醇擦拭晶片表面殘留的指紋、油潰等汙潰。在雙面膠薄膜上，用刻字機加工製備所需的微結構和微通道。將兩層晶片小心對齊、粘合、加壓封合，製成多細胞共培養的微流控晶片。從左側和右側細胞溶液加入區分別加入兩種細胞溶液，控制左和右側細胞溶液加入區與細胞溶液儲備區的液差高度，從而控制層流速度，使細胞溶液緩慢流經微通道，細胞因此吸附在用BSA蛋白修飾固定的微通道表面，從而完成兩種細胞的同時植入，每隔12小時更換一次細胞培養液，待細胞鋪滿培養區域形成單細胞層後，在顯微鏡下觀察細胞在生長過程中所發生的互相作用，以及收集細胞代謝產物分析細胞間的互相影 響。
權利要求
1.一種微流控細胞培養晶片及其製備方法，該微流控晶片表面有微結構和微通道，兩種細胞分別固定在各自特定的細胞培養區域，細胞之間通過微通道進行細胞間的信號傳輸與互相作用，在顯微鏡下可以直觀地研究兩種細胞在生長過程中的互相作用，以及分析細胞生長過程中的代謝產物，為研究細胞生物學提供了新思路和新研究技術。
2.按權利要求1所述的微流控細胞培養晶片及其製備方法，其特徵在於，其製作步驟如下 (1)用計算機輔助設計軟體設計和繪製微流控晶片中各層晶片的微結構和微通道圖形。
(2)通過微加工技術在各層微流控晶片基材表面和粘性薄膜上加工所需的微結構和微通道，包括樣品池、廢液池、微孔和微通道。
(3)利用雙層粘性薄膜，將各層離心式微流控晶片對齊、粘合、加壓封合，組成兩種細胞共培養的微流控晶片。
(4)將不同細胞溶液從樣品池加入，控制微流體的層流速度，將兩種細胞植入到微流控晶片中的主微通道中。
(5)完成兩種細胞在微通道中的植入後，進行細胞的培養。
(6)細胞鋪滿培養區域形成細胞層後，通過顯微鏡觀察細胞形態的變化，以及收集細胞代謝產物評價細胞間的互相影響。
3.按權利要求1或2所述的微流控細胞培養晶片及其製備方法，其特徵在於，這種微流控細胞培養晶片的核心功能器件是微流控晶片，此晶片以液差產生的重力作為樣品微流體流動的驅動力，可以批量生產、多次利用、靈活設計與組裝。
4.按權利要求1或2所述的微流控細胞培養晶片及其製備方法，其特徵在於，這種微流控細胞培養晶片上的微結構和微通道是通過數控銑刻、雷射刻蝕、LIGA技術、模塑法、熱壓法、化學腐蝕、軟刻蝕技術的微加工方法在晶片基材表面製備，尺寸在微米級別。
5.按權利要求1或2所述的微流控細胞培養晶片及其製備方法，其特徵在於，這種微流控細胞培養晶片是由兩層晶片疊加而成，構成三維立體的微結構和微通道網絡。
6.按權利要求1或2所述的微流控細胞培養晶片及其製備方法，其特徵在於，這種微流控細胞培養晶片可以在一塊晶片上製作多組微結構和微通道，構成多組細胞培養單元，可同時培養多組樣品，提高了單位時間的平行培養能力。
7.按權利要求1或2所述的微流控細胞培養晶片及其製備方法，其特徵在於，這種微流控細胞培養晶片通過微通道中多液流之間的層流現象完成微通道中細胞的植入。
8.按權利要求1或2所述的微流控細胞培養晶片及其製備方法，其特徵在於，這種微流控細胞培養晶片在微通道表面進行BSA蛋白表面修飾後進行細胞的原位植入。
9.按權利要求1或2所述的微流控細胞培養晶片及其製備方法，其特徵在於，這種微流控細胞培養晶片可以用顯微鏡直觀地觀察兩種細胞層之間的細胞互相作用。
10.按權利要求1或2所述的微流控細胞培養晶片及其製備方法，其特徵在於，這種微流控細胞培養晶片便於觀察、設備簡單、樣品和試劑用量小，平行培養能力高、樣品無需轉移、樣品交叉汙染機率小，能更真實地反映人體組織細胞之間的互相影響，有利於實驗者觀察細胞與細胞之間互相作用，在細胞生物學、遺傳學和藥物篩選等相關領域具有廣泛的應用前景。
全文摘要
本發明涉及一種微流控細胞培養晶片及其製備方法，該微流控晶片表面有微結構和微通道，兩種細胞分別固定在各自特定的細胞培養區域，細胞之間通過微通道進行細胞間的信號傳輸與互相作用，在顯微鏡下可以直觀地研究兩種細胞在生長過程中的互相作用，以及分析細胞生長過程中的代謝產物，為研究細胞生物學提供了新思路和新研究技術，主要應用於細胞生物學、遺傳學和藥物篩選等相關領域。該微流控晶片實現了兩種細胞的共培養，操作簡單、實現了兩種種細胞的平行植入和共培養，降低了試劑與樣品的用量，簡化了細胞植入過程，在顯微鏡下可以直觀地研究兩種細胞在生長過程中的互相作用，以及分析細胞生長過程中的代謝產物，具有便攜、經濟、快速、高效、準確的特點，為細胞生物學研究提供了一種全新的分析技術。
文檔編號C12M3/00GK103060194SQ20121058706
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月31日 優先權日2012年12月31日
發明者葉嘉明, 王曉東, 沙俊, 聶富強 申請人:蘇州汶顥晶片科技有限公司