[发明专利]一种研究剪切力和生化因子梯度调控细胞划痕修复的微流控系统及方法

说明书

本发明提供一种研究剪切力和生化因子梯度调控细胞划痕修复的微流控系统及方法，属于细胞生物学实验装置技术领域。利用流体力学的虹吸原理和微流控芯片技术设计恒流泵、生化因子浓度梯度生成器和细胞培养室。恒流泵用于调控入口溶液及其流量，可以在细胞培养腔内制造尺寸可控的细胞“划痕”条带，特殊的微流控芯片结构设计可在细胞培养腔内产生剪切力与生化因子空间梯度组合刺激。微型细胞培养箱可通过温度及气体传感器实时监测箱内温度和气体浓度等信息，并将检测和传感数据反馈给控制系统，为微流控芯片上的细胞提供最适宜的细胞生存环境。结合荧光显微成像系统实时监测剪切力和生化因子组合刺激条件下细胞“划痕”修复的动力学过程。

技术领域

本发明属于细胞生物学实验装置技术领域，是基于流体力学原理和微流控芯片技术，由可生成生化因子浓度空间梯度的微流控芯片、可自主灌注产生定常流剪切力的恒流微泵、以及微型细胞培养箱等构成的用于研究剪切力和生化因子梯度调控细胞“划痕”修复的微流控系统及方法。

背景技术

细胞划痕试验是体外评价细胞增殖和迁移能力的重要方法。一般在常规的培养皿或培养板上体外培养细胞，当细胞生长至融合单层状态时，在融合的单层细胞上用机械方法人为制造一个空白区域，称为“划痕”，划痕边缘的细胞会逐渐进入空白区域使“划痕”修复，用显微镜实时观测细胞迁移期间动态图像，后期分析处理动态图像数据，得到细胞迁移速率等评估细胞增殖和迁移能力的指标。

细胞划痕修复受所处的微环境调控。细胞微环境的参数可以分为生物化学因素和生物物理因素两大类。生物化学因素主要包括各种生化因子的浓度及浓度梯度分布变化，生物物理因素主要包括机械力的作用如流体剪切力等。传统的培养皿或培养板体系只能提供静态的生化因子作用环境，无法产生流体剪切力的作用；此外，采用机械方法制造细胞划痕的方法不可避免地对细胞造成机械损伤，影响划痕边缘部位的细胞功能。

随着微纳制造和微流控技术的快速发展，使用微流控芯片技术制造细胞划痕、精确模拟剪切力和生化因子梯度微环境开展各种细胞划痕试验越来越普遍。这些装置和系统通常需要将微流控芯片连接有源压力泵及外部控制系统实现压力和流量的精确控制，从而实现细胞划痕宽度、剪切力和生化因子空间梯度的精准模拟。然而，这些装置和系统具有庞大的压力泵及其外围控制装置，不便整体放置于培养箱中进行长时间的细胞培养和观察。因此，迫切需要设计和构建一种具有无源自主灌注恒流微泵、微流控芯片以及微型细胞培养箱组成的微流控系统及方法，用于研究剪切力与生化因子浓度空间梯度调控细胞“划痕”修复动力学过程。

发明内容

本发明的目的在于设计和构建一种无源自主灌注恒流微泵、微流控芯片以及微型细胞培养箱组成的微流控系统及方法，用于研究剪切力与生化因子浓度空间梯度调控细胞“划痕”修复动力学过程。利用流体力学的虹吸原理和微流控芯片技术设计恒流微泵、生化因子浓度梯度生成器和细胞培养室。恒流微泵用于调控入口溶液及其流量，可以在细胞培养腔内制造尺寸可控的细胞“划痕”条带，特殊的微流控芯片结构设计可在细胞培养腔内产生剪切力与生化因子空间梯度组合刺激。微型细胞培养箱可通过温度及气体传感器实时监测箱内温度和气体浓度等信息，并将检测和传感数据反馈给控制系统，为微流控芯片上的细胞提供最适宜的细胞生存环境。进一步结合细胞“划痕”试验检测装置实时监测剪切力和生化因子组合刺激条件下细胞“划痕”修复的动力学过程。

本发明的技术方案如下：

一种研究剪切力和生化因子梯度调控细胞划痕修复的微流控系统，包括恒流微泵A、微型细胞培养箱B、微流控芯片C和细胞“划痕”试验检测装置D；

所述的恒流微泵A包括恒流发生器A-1和弹性阻尼器A-2；恒流发生器A-1的个数根据实际需要进行调整；恒流发生器A-1包括离心管和两端开口的软管；弹性阻尼器A-2为圆柱形透明管，其顶部连接有一个可开关的接头，用于控制是否与大气相通；弹性阻尼器A-2一端通过软管与恒流发生器A-1相连，另一端和微流控芯片C中“圣诞树”型微通道“树顶”端的四个入口相通，用于灌注细胞培养基、生化因子溶液或胰蛋白酶溶液；