[发明专利]一种流式单细胞动力学特性分析芯片、系统及方法

说明书

一种流式单细胞动力学特性分析芯片、系统及方法，属于微流控芯片系统和细胞生物学领域。细胞在鞘流作用下聚焦于流道中间通过细胞变形测量区域；设计周期性变化的流道边界来产生振荡流速，向细胞施加周期性变化的正应力和切应力；细胞在振荡应力作用下发生变形和松弛，记录细胞形态变化，分析其对动态应力的响应，得到细胞的动力学特性。该芯片在流动过程中向细胞加载应力和测量形变，有望实现每秒测量数百至千个细胞特性，极大提高了测量通量和效率；通过调控入口流速能实现宽频带和连续频率的振荡应力的加载；并通过改变通道边界形状有效调控振荡应力波形和幅值；适用于分析大量单细胞在动力学刺激下的力学和流变学特性。

技术领域

本发明属于微流控芯片系统和细胞生物学领域，具体涉及一种利用边界效应在流道中产生周期性变化的流速，从而向单细胞施加振荡应力，并研究细胞动力学特性的微流控芯片装置。

背景技术

细胞是生命的基本单元，其结构和物理特性等方面的偏差都可能破坏细胞结构的完整性和影响细胞的生物学功能。其中细胞的动力学特性(流变特性)能灵敏地反映出细胞骨架和细胞核性质的变化，是一种重要的非侵入式生物标记物，能被用于进行细胞的鉴别和分类。因此，对细胞动力学特性的定量研究十分必要。

以往对细胞特性的研究大多以细胞群落作为研究对象，最终得到特征参量的平均值。但是个体细胞间具有差异性，即便是相同种类的细胞，每个细胞的特性也都有很大不同。因此，要想获取更精确的细胞动力学特性，并应用于生物医学研究中，就需要设计和构建高通量的单细胞动态应力加载和细胞变形分析平台。

传统的单细胞动态应力加载技术主要包括原子力显微镜、微管吸吮和光学拉伸，这些技术利用微悬臂、流体压力和光梯度力向单细胞施加振荡应力，并测量细胞对动态力学信号的响应；但这些技术存在操作复杂、成本昂贵和效率低等缺陷，难以实现高通量地测量大量细胞样本，限制了其在生物医学研究和诊断中的广泛应用。近年来，快速发展的微流控技术以其结构微型化、所需样本微量化、能精确控制流体、易进行高通量研究且具有良好的生物兼容性等优点，为分析细胞动力学特性提供了可能性。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明设计一种周期性变化的微流控通道结构，基于边界效应在流道中产生周期性变化的流速，从而向流过通道的细胞施加振荡的正应力和切应力；随着应力幅值变化，细胞发生变形和松弛；通过改变流道入口处流速，来实现宽频带和连续频率的振荡应力的加载；通过高速摄像机记录细胞形态变化，利用有限元仿真计算细胞所受应力，从而实现高通量地分析细胞的动力学特性。

本发明的技术方案：

一种流式单细胞动力学分析芯片，所述的流式单细胞动力学特性分析芯片为微流控芯片1包括鞘流入口1-1、鞘流通道1-2、细胞悬浮液入口1-3、细胞悬浮液注入通道1-4、细胞变形测量区域1-5和流体出口1-6；鞘流入口1-1连接两条鞘流通道1-2；细胞悬浮液入口1-3连接细胞悬浮液注入通道1-4；相同的两条鞘流通道1-2对称设置于细胞悬浮液注入通道1-4两侧，且鞘流通道1-2和细胞悬浮液注入通道1-4交汇于细胞变形测量区域1-5的上游，细胞在鞘流作用下聚焦于流道中央并通过细胞变形测量区域1-5，之后通过流体出口1-6流出芯片。

进一步地，所述的细胞变形测量区域1-5的流道宽度呈周期性变化；基于边界效应和连续性定理，细胞变形测量区域1-5的流道中液体流速也呈周期性变化，从而向流过流道的细胞施加振荡应力，振荡应力包括正应力和切应力；细胞在振荡应力作用下发生变形和松弛；细胞受到的振荡应力的波形、幅值和频率由流道边界形状和流速调控；通过控制芯片上鞘流和细胞悬浮液入口流速，能实现宽频带和连续频率的振荡应力的加载。

进一步地，细胞变形测量区域1-5的形状设计遵循流道宽的地方流速小，细胞所受应力也小，流道窄的地方流速大且应力也大的原则；并且流道两侧边界形状关于流道中轴呈镜像对称。

进一步地，边界形状为正弦波形或三角波形。