[发明专利]基于微流控芯片系统的模拟体内流体剪切力细胞行为研究

说明书

技术领域

本发明属于微流控芯片系统领域，具体涉及一种基于微流控芯片系统的模拟体内流体剪切力细胞行为研究。

背景技术

微流控芯片实验室作为本世纪一项重要的科学技术已经在包括生物学、医学、化学、材料学等多个领域展现了其独特的优势，更因其同细胞尺寸匹配、环境同生理环境相近、传热传质快、通量高可以集成等特点而成为新一代细胞研究的重要平台。随着近二十年的不断发展，基于微流控芯片系统的细胞研究已有很大突破，相关细胞操作，如细胞的培养、分选、鉴定等已基本都可在芯片上实现。以此为基础更进一步的细胞学研究，特别是基于微流控芯片系统的细胞仿生微环境模拟等研究日益成为关注的焦点，在微流控芯片系统上模拟甚至仿生细胞微环境用于研究细胞的相关行为，其关键点就是对细胞微环境进行精确模拟，这同时也是研究细胞与微环境相互作用的主要内容。模拟细胞微环境，特别是模拟与细胞生物物理因素有关的诸如流体剪切力、牵张力、基质物理性质、纳米表面等微环境依靠现有技术大多存在仪器设备复杂庞大，操作繁琐，对微环境模拟简单，不能实现对细胞的实时观测等问题，而随着微流控芯片研究的不断深入，微流控芯片系统或可成为一种用以仿生模拟细胞微环境的新型平台技术，并为同细胞微环境研究相关的组织修复、再造移植及生物仿生等方面提供技术与理论的支持。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于微流控芯片系统的模拟体内流体剪切力细胞行为研究，该微流控芯片系统将细胞的接种、长期培养、细胞受流体剪切力刺激、细胞染色及分析检测过程集成在一块功能化芯片上完成，实现了在微流控芯片平台上体内极低流体剪切力的模拟及细胞行为分析。细胞及试剂消耗量低，操作简便，易于检测。

本发明以外部精确流体注射泵为动力源，以微流控芯片软刻蚀技术为基础，利用流体阻力原理设计并制造微流体通道阻力网络，致使微流控芯片细胞培养微室中的细胞可感受到不同大小的流体剪切力，进而研究细胞行为变化，该微流控芯片系统将细胞的接种、长期培养、细胞受流体剪切力刺激、细胞染色及分析检测过程集成在一块功能化芯片上完成，实现了在微流控芯片平台上体内极低流体剪切力的模拟及细胞行为分析。细胞及试剂消耗量低，操作简便，易于检测。

本发明提供了一种微流控芯片系统，该系统由两个基本单元构成：第一个基本单元为模拟体内极低流体剪切力的细胞行为研究微流控芯片，第二个基本单元为模拟体内极低流体剪切力的细胞行为研究微流控芯片外围设备。

本发明提供的微流控芯片系统，所述的模拟体内极低流体剪切力的细胞行为研究微流控芯片是采用PDMS软刻蚀及不可逆封接技术构建的双层微流控芯片。

本发明提供的微流控芯片系统，所述的微流控芯片分为两部分：第一部分为微通道流体阻力网络，包括一系列根据流体阻力原理设计的不同粗细、长度的微通道；第二部分为多个细胞培养微室，具体结构如图1所示，细胞培养微室中的细胞将感受流体阻力网络形成的不同大小的极低流体剪切力，进而形成细胞响应并被检测。

本发明提供的微流控芯片系统，所述的微通道流体阻力网络中的微通道和细胞培养微室的尺寸为：高度为10微米~1厘米，宽度为30微米~1厘米，横截面样式可为矩形、正方形、圆形、半圆形。

本发明提供的微流控芯片系统，所述的微通道和细胞培养微室的数目各为1个~1000个。

本发明提供的微流控芯片系统，所述细胞培养微室用于细胞培养可进行表面修饰：

（1）对于在细胞培养微室内生存状态良好的细胞可不进行表面修饰处理，直接接种细胞；

（2）对于细胞培养微室内不易贴附或贴附后状态不佳的细胞可对通道内表面进行涂覆修饰，涂覆修饰的方法为：直接在通道内注入用于增加细胞贴附的试剂，待一定时间过后再进行细胞接种，该种试剂是明胶、白明胶、胶原Ⅰ型、胶原Ⅱ型、胶原Ⅵ型、层粘蛋白之一种或多种；

（3）对于模拟微环境中有特殊要求的，涂覆修饰过程试剂中可添加细胞生长因子，如血管内皮细胞生长因子（VEGF）、成纤维细胞生长因子（FGF）、转化生长因子（TGF）之一种或多种。

本发明提供的微流控芯片系统，所述的微流控芯片外围设备是是模拟体内极低流体剪切力的细胞行为研究微流控芯片实现各功能的外部支持及细胞行为分析的检测装置，主要包括精密注射泵、医用注射器、医用输液器、聚苯乙烯管及荧光显微镜。

本发明提供的微流控芯片系统，所述的精密注射泵可实现对流体的流速方向的精确控制，并可通过外围管路引入微流控芯片通道内，进而产生流体剪切力刺激。