[发明专利]一种阵列式细胞动态培养与区域化处理微流控芯片及其制备方法和应用

权利要求书

1.一种阵列式细胞动态培养与区域化处理微流控芯片，其特征在于，该芯片包括自上而下依次封接的流动层(1)、控制层(2)、薄膜层(3)和玻璃层(4)；所述流动层(1)由阵列式细胞培养区(5)、缓冲结构区(6)、细胞接种微管道(7)、左进液微管道(8)、中央进液微管道(9)和右进液微管道(10)组成，所述细胞接种微管道(7)用于向流动层输入细胞，所述中央进液微管道(9)、左进液微管道(8)和右进液微管道(10)分别作为中央的培养基进液微管道和两侧的生化因子/药物进液微管道，用于为阵列式培养的细胞提供培养基，实现流体剪切力加载和生化因子/药物区域化处理；所述阵列式细胞培养区(5)上设有若干用于单个或数个细胞的捕获的阵列式培养U型凹槽(16)；所述缓冲结构区内设有若干U型微柱(17)，所述控制层(2)由若干用于对流动层细胞、培养基和生化因子/药物的输入进行时间和空间的控制，以及细胞培养区流体剪切力的加载的微泵组成，所述微泵采用由一个入口和若干个微腔串联组成末端封闭结构，该微腔的宽w为100-400μm，长l为100-900μm；

所述阵列式细胞培养区(5)上设有10-50排的U型凹槽(16)，每排包含10-20个U型凹槽，相邻两排的U型凹槽错列排布，且相邻两排间距为25-100μm，每排内的U型凹槽的间距为25-100μm；U型凹槽(16)的长L为25-100μm，宽W为25-100μm，由2个方形微柱和3-5个近似梯形微柱组成，梯形微柱之间的间距G为2.5-7.5μm；

所述左进液微管道(8)、中央进液微管道(9)和右进液微管道(10) 连接在一个主管道(11)上，左进液微管道(8)与中央进液微管道(9)之间的夹角以及中央进液微管道(9)与右进液微管道(10)之间的夹角均为30-60°；所述中央进液微管道(9)为宽度不变的直管道，宽度为50-200μm；所述左进液微管道(8)和右进液微管道(10)分为宽度不同的两段，入口段宽度为50-200μm，接近主管道(11)处的宽度为10-25μm；主管道(11)的宽度为60-250μm；

所述控制层微泵共有四个微泵(12、13、14、15)，结构相同，所述微泵分别位于左进液微管道、中央进液微管道、右进液微管道、主管道的正下方，所述微泵采用由一个入口和三个微腔串联组成末端封闭结构，三个微腔的长度比例为1∶2∶3。

2.如权利要求1所述的阵列式细胞动态培养与区域化处理微流控芯片，其特征在于，所述微流控芯片流动层(1)、控制层(2)和薄膜层(3)的材料均为聚二甲基硅氧烷，或其他已知的弹性高分子材料。

3.如权利要求1所述的阵列式细胞动态培养与区域化处理微流控芯片，其特征在于，所述缓冲结构区(6)内设有2-5排的U型微柱(17)，U型微柱(17)与U型凹槽(16)对应设置，且其长、宽与所述U型凹槽(16)一致。

4.如权利要求1所述的阵列式细胞动态培养与区域化处理微流控芯片，其特征在于，所述细胞接种微管道(7)、左进液微管道(8)、中央进液微管道(9)和右进液微管道(10)的横截面高度相同，均为30-100μm；阵列式细胞培养区(5)和缓冲结构区(6)的横截面高度相同，均为30-100μm。

5.如权利要求1-4任一项所述的阵列式细胞动态培养与区域化处理微流控芯片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步，将设计好的流动层和控制层结构制成光掩模；

第二步，将光刻胶涂膜于硅片，进行紫外曝光和显影，制得流动层和控制层芯片模板；

第三步，将聚二甲基硅氧烷或其他已知的弹性高分子材料覆盖于流动层和控制层模板表面，烘烤固化，在显微镜下将流动层和控制层校对粘合；

第四步，将聚二甲基硅氧烷或其他已知的弹性高分子材料涂膜于玻璃层表面，烘烤固化；

第五步，将粘合好的流动层与控制层封装于涂有薄膜的玻璃层上，制成微流控芯片。

6.如权利要求1-4任一项所述的阵列式细胞动态培养与区域化处理微流控芯片的应用，其特征在于，具体包括如下步骤：

步骤1、驱动位于主管道(11)正下方的微泵(15)将细胞悬液通过细胞接种微管道(7)输入芯片，待细胞均匀分布在阵列式细胞培养区(5)的U型凹槽(16)后，停止驱动微泵(15)，将芯片静置于细胞培养箱0.5-3h使细胞贴壁，待细胞贴壁后驱动中央进液微管道(9)正下方的微泵(13)，使培养基通过培养中央进液微管道(9)输入阵列式细胞培养区(5)，实现细胞培养过程中的培养基实时更新；

步骤2、根据实验需求，驱动位于中央进液微管道(9)正下方的微泵(13)，使培养基以0.5-20μL·min^-1的速度通过中央进液微管道(9)输入阵列式细胞培养区(5)，实现流体剪切力加载的实时控制；

步骤3、根据实验需求，驱动微泵(13、12、14)，分别通过中央进液微管道(9)和左进液微管道(8)和右进液微管道(10)向阵列式细胞培养区(5)输入培养基和所需生化因子/药物，生化因子/药物在阵列式细胞培养区(5)扩散形成浓度梯度，使不同区域U型凹槽中的细胞接受不同浓度生化因子/药物的作用，从而实现细胞区域化处理的时间和空间控制；

步骤4、驱动位于中央进液微管道(9)正下方的微泵(13)，通过中央进液微管道(9)向阵列式细胞培养区(5)输入细胞形态、功能检测试剂或细胞固定液，用于流体剪切力处理或生化因子/药物区域化处理后的细胞形态功能检测。