[发明专利]一种基于微流控技术的细胞捕获阵列

说明书

技术领域

本发明属于微流控芯片系统领域，具体涉及一种利用流体力学原理和圆形辐射结构捕获单细胞的微流控芯片，以及能对捕获单细胞加载精确动态生化信号的细胞生物学研究装置。

背景技术

传统的细胞生物学的研究对象是细胞群落，因而，所得的结果也只是大部分细胞的平均响应。这样得来的结果必然会忽视许多单细胞生物学事件。而细胞生物学响应的是一个二元状态事件：特定的激活状态或者失活状态。由于细胞群内不同细胞的异质性造成响应时间和分子配置上的差异，导致被研究的细胞群一部分处于激活状态，另一部分细胞处于非激活状态，此种情况下所获得的研究数据只是每个细胞的响应呈现出渐变状态平均结果，这显然不能完全代表真实的现象。如此的细胞行为的异质性在如细胞生长、分裂和感染等复杂生物学事件中非常常见。因此，如何在单细胞水平并能保证足够数量的条件下，研究遗传、生理和生物化学现象，来解释这些过程中的细胞的异质性和观察到有统计学意义的数据显得极其重要。

微流控技术使得创造一种与细胞尺寸相匹配并能整合细胞处理和流体操作等的研究工具成为可能。先前的研究者利用流体力学原理制作的微流控芯片要么只能抓住一个细胞，要么能抓住大量单细胞但无法对捕获单细胞精确加载动态生化信号刺激。基于此，本发明提出一种能够利用流体力学原理捕获足够数量的单细胞，并能够精确加载动态生物化学信号刺激的微流控装置。

发明内容

本发明提供一种基于微流控技术的细胞捕获阵列，可用于单细胞生物学研究。该细胞捕获阵列将细胞悬浮液的灌注、驻点流的形成、后阻力通道的调节集成在一块功能芯片上，使用动态生化信号发生装置对捕获单细胞精确加载动态生化信号刺激，能够较好的在单细胞水平下研究细胞的生物学行为。

本发明将流体力学原理和微流控技术结合，巧妙地将驻点流理论与物理屏障相结合，再通过对后阻力通道的调节，实现了对单细胞的捕获和释放，并利用等夹角辐射阵列结构实现了大量单细胞的捕获。装置设计结构简单，控制过程方便，可通过软件编程自动控制产生动态生化信号，不仅能在体外同时对多个单细胞加载动态的生化刺激，更好地研究单细胞的生物学行为，而且通过流量控制能调控生化因子浓度，实现对离体培养细胞微流动环境的定量调控。

本发明的技术方案如下：

一种基于微流控技术的细胞捕获阵列，该装置包括注射泵、注射器、双通接口、硅胶管、三通接口、液体进口、以等夹角辐射状呈圆形排列构造完全相同的阵列化自动捕获微通道、后阻力控制通道和液体出口构成，如图1所示。

细胞捕获系统包括细胞悬液注射器、细胞培养液注射器、液体进口、阵列化细胞捕获微通道和液体出口。

该阵列由若干结构完全相同的基本单元构成，每个基本单元包括细胞捕获流动腔和后阻力控制通道；每个基本单元以等夹角辐射状排列呈圆形,且每个基本单元的纵向长度相等，基本单元总数为大于或等于1的整数；

所述的阵列化细胞捕获微通道由若干以等夹角辐射状呈圆形排列的细胞捕获流动腔、输出上通道、输出下通道、可调阻力通道构成，如图2所示。其中，每个单独的细胞捕获流动腔包括一个入口和上、中、下三个出口，入口与细胞悬浮液入口通道和细胞培养液入口通道相通，上出口与输出上通道相通，中出口与阻力通道相通，下出口与输出下通道相通；输出上通道、输出下通道、阻力通道汇合到输出汇合通道；细胞捕获流动腔由上曲线边界、下曲线边界、上直线边界、下直线边界围成，如图3A、图3B所示。

由于流动腔的高度远小于其宽度和长度，并且尺寸在微米量级，根据流体力学原理可知，流动腔内液体流动主要受压力梯度和上、下平行平板摩擦力的影响，侧面边界摩擦力的影响可忽略不计，沿流动腔高度取平均后得到的平均流速可用类似于处理平面势流的方法求得。因此可以根据已知复势决定的流线形状确定流动腔的边界，构造出具有流体驻点的流动腔。

对单个细胞捕获流动腔，取如图4所示的平面直角坐标系。在Z＝x+iy平面上引入复势

其中和ψ(x,y)分别是平均流速的势函数和流函数，所以

选取较为常用的流动复势：W(Z)＝AZⁿ，其中A是实数，n是大于2的正整数。

在平面中存在

Z＝x+iy＝re^iθ