[发明专利]一种细胞观测实验用芯片

说明书

技术领域

本发明涉及细胞芯片制造的技术领域，特别与一种用于培养、观测细胞的细胞芯片的结构有关。

背景技术

近几年涉及细胞培养、测量、实验等方面的微流路芯片技术发展异常迅速，国际上许多的实验室都在致力于发展出真正能满足实验室和医学及临床的细胞芯片（Jamil El-Ali et al. Cells on chips. Nature 2006, 442, 403-441）。例如，Stephen R. Quake 于2007年11月在美国Analytical Chemistry (Rafael Go′mez-Sjo1berg et al. Versatile, Fully Automated, Microfluidic Cell Culture System. Anal. Chem. 2007, 79, 8557-8563) 上发表了将细胞培养的芯片单元进行阵列化的比较成熟的细胞芯片技术，并且运用这种芯片培养了骨髓间质干细胞。采用微流体控制细胞的方法多种多样，近几年这方面的文献较多，这里不一一赘述。以Stephen R. Quake实验室的工作为例，其芯片集成了96个可寻址的细胞培养单元，使得细胞芯片循着计算机的模式发展，同时也向细胞芯片的真正实用化迈进了一步。

但是，正如Jamil El-Ali et al. 2006在Nature上发表的Review（Cells on chips）中所评价的那样，“新近发展出来的微制造发明装置在应用及基础研究两方面都有利于细胞及组织生物学的发展。但是，迄今为止这些装置仅适用于应对简单的低复杂性的测试。”实际上，这就是说，这些装置都因为有这样那样的缺陷而无法真正达到预期的目标。这些缺陷包括芯片本身的复杂性、可靠性、重复性、耐用性等因素，也包括其对复杂自动控制技术的苛刻要求以及制造的成本问题等等。Stephen R. Quake 实验室的将芯片单元集成化是一个解决这种种问题的一个很好的也很容易想到的思路。而本发明则从待集成的芯片单元本身出发来解决细胞芯片的各种问题。因此这是一个提高细胞芯片品质的一个快速而根本的思路。

从Stephen R. Quake实验室发明的集成化细胞芯片不难看出，其被集成的芯片单元实际上是矩形的微容器。如图1A所示，是流体流经矩形微芯片单元10时的流速分布，箭头的方向与长短表示流速的方向及大小。液体进入微容器后，其速度基本上是均匀分布的，其速度随距离的分布如图1B所示。显然，决定该微容器中各区域流速变动的因素只是其开口和出口的压力差。如果压力差有变化（这在微流路芯片中必然发生的），则整个容器的流速就整体变化到另一个值。原来的速度值在微容器地任何区域都不存在。这对于依赖于稳定流速来使细胞停留并培养的技术来说是一个无法回避的缺陷。特别对于较长期的细胞培养及实验过程来说，由于芯片流路或通道中的动力环境必定会有或多或少的变化，这种缺陷就显得十分突出。从细胞进样来讲，由于细胞在进样过程中能否在微容器中停留实际上就是取决于流速，而对于微容器整个区域内流速的涵盖范围十分狭窄（接近于一点），对于控制的精度要求就非常苛刻。即便是控制的相当完美，由于细胞间黏附力的差异，有相当一部分细胞也会无法满意地停留在微容器中，它们要么会因为黏附力偏弱而逃离，要么会因为黏附力偏强而没有到位。当研究需要将不同类型的细胞同时控制在其中的时候，这样的微容器显然就会在进样的第一部面临非常大的失败几率，因为不同种类的细胞对流体流速的要求差别太大了。如果细胞芯片要迈向真正的实用阶段，这几个问题是必须要解决的，而且这不能依靠将芯片单元点阵化的思路来解决，只能从根本上改变芯片单元本身的设计。

综上所述，芯片必须在芯片单元内部解决流速控制问题，以彻底解决不同细胞在进样、培养以及实验时对流速的不同要求。

另外，在生命科学领域，细胞芯片的发展很重要的任务就是为研究活的生命体提供方法，而活的生命体，无论是单细胞生命体还是多细胞生命体，都需要持续的气体交换来维持生命特征，如释放CO₂获取O₂。气体交换装置能够在芯片的微观尺度上将气相中的分子吸收进液相中，也可以将液相中的分子释放到气相中，这为基于微芯片的化学，特别是分析化学方法提供了新技术。