用于细胞培养的微流控芯片、动态培养装置及方法

用于细胞培养的微流控芯片、动态培养装置及方法
【专利摘要】本发明公开了用于细胞培养的微流控芯片、动态培养装置及培养方法。该微流控芯片包括芯片入口、芯片出口、通道和细胞捕获结构，所述细胞捕获结构包括多个细胞捕获单元，所述通道包括相互连通的第一通道和第二通道，所述第一通道分别通过第一连通区域和第二连通区域与所述第二通道连通，所述细胞捕获单元包括细胞捕获单元入口和细胞捕获单元出口，所述细胞捕获单元入口位于所述第一通道一侧，所述细胞捕获单元出口位于所述第二通道一侧，所述细胞捕获单元出口形成所述第二连通区域。胚胎细胞体外动态培养装置包括上述微流控芯片，利用该培养装置可对胚胎细胞进行简单、高效的体外培养。
【专利说明】用于细胞培养的微流控芯片、动态培养装置及方法

【技术领域】
[0001]本发明涉及微全分析系统的生物医学应用【技术领域】，特别是涉及用于细胞培养的微流控芯片、动态培养装置及方法。

【背景技术】
[0002]如今胚胎细胞体外培养技术在生物医学【技术领域】的应用非常广泛，并且成为关键技术。利用普通的培养皿、培养瓶等进行细胞体外培养，仅能为胚胎细胞提供一个静态的、二维的体外生长环境，与胚胎细胞在动物体内的生长环境差别很大。这类培养装置常常会改变细胞的生长速率、功能、形态等特性，致使体外受精的胚胎细胞在后续培养过程中发育率很低。
[0003]胚胎细胞在体内发育、成长期间会受到输卵管的挤压、摩擦、人体内电磁环境，以及输卵管液流的冲击影响；胚胎细胞在发育、成长期间需要流动的营养液提供营养物质并带走胚胎分泌物，同时还有来自子宫蠕动所产生的机械力的刺激。而这些液流冲击、营养物质输送与分泌物排出、机械力刺激、电磁环境是普通培养装置无法提供的。
[0004]专利CN102876573A介绍了一种哺乳动物胚胎体外培养器，通过设置在培养室内带磁片的膜片的震动，带动培养室内的培养液、矿物油运动，模拟胚胎在哺乳动物体内显微环境条件下生长发育，刺激胚胎，使胚胎处于动态的、微观的、三维的生长环境。专利CN202786260U把可调角度及速度的摇摆电机的动力传输轴与放置有胚胎培养皿的载物台连接，通过摇摆电机带动载物台、胚胎培养器一起摇摆，使胚胎处于动态的培养状态。这两种方法都无法及时更新及控制流经胚胎细胞的培养液，排除分泌物，为胚胎细胞提供更简单高效的培养环境。


【发明内容】

[0005]本发明目的在于提出一种用于细胞培养的微流控芯片、胚胎细胞体外动态培养装置及培养方法，用于解决普通培养皿、培养瓶以及一般动态培养装置进行胚胎细胞体外培养时无法提供模拟子宫内环境，导致胚胎细胞成活率低，无法实现胚胎细胞体外简单、高效的培养问题。
[0006]为此，本发明提出一种用于细胞培养的微流控芯片，包括芯片入口、芯片出口、通道和细胞捕获结构，所述细胞捕获结构包括多个细胞捕获单元，所述通道包括相互连通的第一通道和第二通道，所述第一通道分别通过第一连通区域和第二连通区域与所述第二通道连通，所述细胞捕获单元包括细胞捕获单元入口和细胞捕获单元出口，所述细胞捕获单元入口位于所述第一通道一侧，所述细胞捕获单元出口位于所述第二通道一侧，所述细胞捕获单元出口形成所述第二连通区域。
[0007]优选地，所述多个细胞捕获单元沿液体流动方向依次排列在芯片入口与所述第一连通区域之间。
[0008]优选地，所述细胞捕获单元的形状为凹弧形。
[0009]本发明还提出了一种基于微流控芯片的胚胎细胞体外动态培养装置，包括上述的微流控芯片，以及营养池、出口储液池和实验台，所述实验台用于承载所述微流控芯片，所述微流控芯片用于承载所述出口储液池；
[0010]所述实验台包括载物台、支撑柱和高度调节装置，所述载物台和所述支撑柱通过所述高度调节装置连接，所述营养池置于所述载物台上，所述出口储液池置于所述芯片出口的上方，所述高度调节装置用于调节所述营养池相对于所述出口储液池的高度。
[0011]优选地，所述高度调节装置为高度调节螺母。
[0012]优选地，所述营养池和所述出口储液池上端有可拆分的细菌过滤膜，用于细胞生长过程中气体交换时的细菌过滤。
[0013]优选地，所述口储液池是塑料管。
[0014]本发明还提出了一种利用上述培养装置的培养方法，包括步骤:
[0015]S1、所述营养池中加入细胞溶液，所述出口储液池置空，所述营养池和所述出口储液池中的液面差驱动溶液在所述微流控芯片中流动，所述细胞捕获单元捕获单个细胞；
[0016]S2、在所述出口储液池中加入培养液并调节所述高度调节装置，使所述营养池和所述出口储液池中的液面持平，将胚胎细胞体外动态培养装置转移到培养箱中培养设定时间；
[0017]S3、去除营养池和所述出口储液池中的培养液，清空所述出口储液池，在营养池中重新加入设定量的培养液；
[0018]S4、通过控制所述高度调节装置在所述支撑柱上的位置调节所述营养池和所述出口储液池中的液面差，改变所述微流控芯片内的液流速度，以满足适合细胞生长。
[0019]优选地，在步骤S4中，还包括将所述微流控芯片置于显微镜下，观察细胞的实时生成情况。
[0020]本发明与现有技术相比，新的营养物质、生长因子等源源不断的提供给胚胎细胞的同时也带走了胚胎细胞的分泌物，同时流动能使胚胎细胞的分泌物易于扩散，细胞和营养物质、生长因子充分接触。

【专利附图】

【附图说明】
[0021]图1是本发明【具体实施方式】一的各部分的总体连接关系示意图；
[0022]图2是本发明【具体实施方式】一的微流控芯片各部分结构示意图；
[0023]图3是本发明【具体实施方式】一的细胞捕获结构的示意图；
[0024]图4是本发明【具体实施方式】一的营养池的结构示意图；
[0025]图5是本发明【具体实施方式】一的出口储液池的结构示意图。

【具体实施方式】
[0026]下面结合【具体实施方式】并对照附图对本发明作进一步详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
[0027]参照以下附图，将描述非限制性和非排他性的实施例，其中相同的附图标记表示相同的部件，除非另外特别说明。
[0028]实施例一:
[0029]请参看图1为本发明【具体实施方式】一的各部分的总体连接关系示意图，一种基于微流控芯片的胚胎细胞体外动态培养装置，包括微流控芯片1、营养池2、出口储液池3和实验台4。微流控芯片I是自行设计的胚胎细胞培养结构，提供胚胎细胞培养所需的空间、营养物质、机械力刺激等。营养池2是作为微流控芯片上培养液的入口储液池，出口储液池3是胚胎细胞培养液的出口储液池，微流控芯片I上液流的驱动力来源于营养池2和出口储液池3的液面差。实验台4包括基座12、载物台13、支撑柱16和高度调节装置14，其中，载物台13和支撑柱16通过高度调节装置14连接，通过控制高度调节装置14在支撑柱16上的位置调节载物台13和基座12之间的高度差，由于营养池2置于载物台13上，出口储液池3置于基座12上，进而调节营养池2和出口储液池3中的液面差。出口储液池可以采用塑料管，该塑料管直径可以为15_、高可以为20_，高度调节装置14可以采用高度调节螺母。
[0030]请参看图2为本发明【具体实施方式】一的微流控芯片I各部分结构示意图，图3为本发明【具体实施方式】一的细胞捕获结构7的示意图。微流控芯片I包括芯片入口 5、芯片出口 6、通道8和细胞捕获结构7,细胞捕获结构7包括多个细胞捕获单元9,通道8包括相互连通的第一通道81和第二通道82，第一通道81分别通过第一连通区域811和第二连通区域821与第二通道82连通，细胞捕获单元9包括细胞捕获单元入口和细胞捕获单元出口，细胞捕获单元入口位于第一通道81 —侧,细胞捕获单元出口位于第二通道82—侧,细胞捕获单元出口形成第二连通区域821。细胞捕获结构7将捕获的细胞限制在每个细胞捕获单元9中，实现单个胚胎细胞的独立培养。在本发明的一个实施例中，多个细胞捕获单元9沿液体流动方向依次排列在芯片入口 5与第一连通区域之间，细胞捕获单元9的形状为凹弧形。可选地，通道8直流段的宽度为300 μ m,深度为50 μ m,细胞捕获结构7尺寸根据要培养的胚胎细胞种类进行选定。
[0031]本培养装置工作时，微流控芯片I置于实验台4上，营养池2置于载物台13上，硅胶管11两头分别接营养池出液口 10和芯片入口 5，出口储液池3置于基座12上并粘在微流控芯片I的芯片出口 6处，请参看图4本发明【具体实施方式】一的营养池的结构示意图，图5本发明【具体实施方式】一的出口储液池的结构示意图。在营养池2中加入一定细胞密度的细胞培养液悬浮液，出口储液池3置空，在液面差的作用下，细胞顺利地进入芯片入口 5流经细胞捕获结构7流向芯片出口 6。当细胞捕获结构7中的细胞捕获单元9为空时，流动阻力依液体流动方向增大，因此溶液中的细胞将被主流体携带入细胞捕获单元9而被固定。一旦细胞被固定，临近的没有细胞的捕获单元处的流动阻力最小，细胞将优先在此固定。所有细胞捕获单元9均固定细胞后，所处位置产生的流动阻力将大于胚胎捕获结构6末端通道的流动阻力，随后的细胞将液流被带走。在微流控芯片I中没有多余细胞残留，不会由于细胞沉降聚集而消耗营养成分及积累废物，较好控制了芯片中接种细胞的微环境，确保其能更好的吸收养分。
[0032]在出口储液池3中加入一定量的细胞培养液并调节高度调节装置14使营养池2和出口储液池3中的液面基本持平，此时，微流控芯片I中的液体停止流动，再将接种好细胞的芯片转移到培养箱中。在停止溶液流动的过程中不需要对芯片进行任何操作，溶液停止流动后芯片中仍存留有充足量且均匀分布的液体，确保接种好的细胞在转移过程中不会受环境改变的影响而失去活性。细胞停留在细胞捕获结构7内并逐渐贴附于通道底部。培养一段时间后，弃去营养池2和出口储液池3中的培养液,在营养池2中重新加入一定量新鲜的培养液，出口储液池3置空。
[0033]被捕获的胚胎细胞在细胞捕获结构7中生长，营养池2内加入的胚胎细胞生长所需的营养物质、生长因子等将由液体的重力驱动进入微流控芯片1，并源源不断的供应给固定在细胞捕获单元9中的胚胎细胞。培养液从营养池2经过细胞捕获结构7流到出口储液池3会导致液面差的逐渐变小，流速也在一定范围内发生变化，通过改变营养池2和出口储液池3中液面高度差可以改变微流控芯片I内的液流速度，以满足适合细胞生长的最佳效果。在本发明的实施例中，改变营养池2和出口储液池3中液面高度差可以通过控制高度调节装置14来调节载物台13和基座12的高度差来实现，也可以通过向营养池2中添加培养液或者从出口储液池3中抽取废弃的培养液来实现。若是不能调节载物台13和基座12的高度差，由于进出口处的液面很快就会达到平衡，液体流动速度逐渐减缓直至最后停止，难以维持液体在通道内以恒定的速度流动，通过采用本发明的高度调节装置可实时调整液面差以获得某类胚胎细胞生长所需的最佳流速，持续而稳定地供给养分并带走分泌物，保证胚胎细胞的正常生长，且整个培养装置结构简单，不需要额外设备。
[0034]整个培养装置在使用前需置于净化工作台上并暴露于紫外线下灭菌过夜，工作时置于培养箱中。为提高整个装置的洁净度，营养池2和出口储液池3上端还设有可拆分的0.22 μ m的细菌过滤膜15，可满足细胞正常生长过程中的气体交换，使培养液中含有一定的氧分压和二氧化碳浓度，并使细胞能在通道8内正常生长。(此处0.22 μ m的细菌过滤膜可过滤细菌并实现气体交换)
[0035]将培养装置置于显微镜下，可实现单个胚胎细胞的实时在位观测。
[0036]实施例二:
[0037]本发明还提出了一种利用上述培养装置的培养方法，包括步骤:
[0038]S1、营养池2中加入细胞溶液，出口储液池3置空，营养池2和出口储液池3中的液面差驱动溶液在微流控芯片I中流动，细胞捕获单元9捕获单个细胞；
[0039]S2、在出口储液池3中加入培养液并调节高度调节装置14，使营养池2和出口储液池3中的液面持平，将胚胎细胞体外动态培养装置转移到培养箱中培养设定时间；
[0040]S3、去除营养池2和出口储液池3中的培养液，清空出口储液池3，在营养池2中重新加入设定量的培养液；
[0041]S4、通过控制高度调节装置14在支撑柱16上的位置调节营养池2和出口储液池3中的液面差，改变微流控芯片I内的液流速度，以满足适合细胞生长。
[0042]还可以将微流控芯片I置于显微镜下，观察细胞的实时生长情况。
[0043]由于本实施例与本发明产品实施例基于同一构思，其带来的技术效果与本发明产品实施例相同，具体内容可参见本发明产品实施例中的叙述，此处不再赘述。
[0044]本领域技术人员将认识到，对以上描述做出众多变通是可能的，所以实施例仅是用来描述一个或多个特定实施方式。
[0045]尽管已经描述和叙述了被看作本发明的示范实施例，本领域技术人员将会明白，可以对其作出各种改变和替换，而不会脱离本发明的精神。另外，可以做出许多修改以将特定情况适配到本发明的教义，而不会脱离在此描述的本发明中心概念。所以，本发明不受限于在此披露的特定实施例，但本发明可能还包括属于本发明范围的所有实施例及其等同物。
【权利要求】
1.一种用于细胞培养的微流控芯片，包括芯片入口、芯片出口、通道和细胞捕获结构，其特征是，所述细胞捕获结构包括多个细胞捕获单元，所述通道包括相互连通的第一通道和第二通道，所述第一通道分别通过第一连通区域和第二连通区域与所述第二通道连通，所述细胞捕获单元包括细胞捕获单元入口和细胞捕获单元出口，所述细胞捕获单元入口位于所述第一通道一侧，所述细胞捕获单元出口位于所述第二通道一侧，所述细胞捕获单元出口形成所述第二连通区域。
2.如权利要求1所述的用于细胞培养的微流控芯片，其特征是，所述多个细胞捕获单元沿液体流动方向依次排列在芯片入口与所述第一连通区域之间。
3.如权利要求1或2任一项所述的用于细胞培养的微流控芯片，其特征是，所述细胞捕获单元的形状为凹弧形。
4.一种基于微流控芯片的胚胎细胞体外动态培养装置，其特征是，包括如权利要求1所述的微流控芯片，以及营养池、出口储液池和实验台，所述实验台用于承载所述微流控芯片，所述微流控芯片用于承载所述出口储液池； 所述实验台包括载物台、支撑柱和高度调节装置，所述载物台和所述支撑柱通过所述高度调节装置连接，所述营养池置于所述载物台上，所述出口储液池置于所述芯片出口的上方，所述高度调节装置用于调节所述营养池相对于所述出口储液池的高度。
5.如权利要求4所述的胚胎细胞体外动态培养装置，其特征是，所述高度调节装置为高度调节螺母。
6.如权利要求5所述的胚胎细胞体外动态培养装置，其特征是，所述营养池和所述出口储液池上端有可拆分的细菌过滤膜。
7.如权利要求5所述的胚胎细胞体外动态培养装置，其特征是，所述营养池上端开口，用于细胞生长过程中气体交换。
8.如权利要求5所述的胚胎细胞体外动态培养装置，其特征是，所述储液池是塑料管。
9.一种利用权利要求4?7任一的培养装置的培养方法，其特征是，包括步骤: 51、所述营养池中加入细胞溶液，所述出口储液池置空，所述营养池和所述出口储液池中的液面差驱动溶液在所述微流控芯片中流动，所述细胞捕获单元捕获单个细胞； 52、在所述出口储液池中加入培养液并调节所述高度调节装置，使所述营养池和所述出口储液池中的液面持平，将胚胎细胞体外动态培养装置转移到培养箱中培养设定时间； 53、去除营养池和所述出口储液池中的培养液，清空所述出口储液池，在营养池中重新加入设定量的培养液； 54、通过控制所述高度调节装置在所述支撑柱上的位置调节所述营养池和所述出口储液池中的液面差，改变所述微流控芯片内的液流速度，以满足适合细胞生长。
10.如权利要求9所述的培养方法，其特征是，在步骤S4中，还包括将所述微流控芯片置于显微镜下，观察细胞的实时生成情况。
【文档编号】C12N5/073GK104371919SQ201410559419
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年10月20日 优先权日:2014年10月20日
【发明者】弥胜利, 徐圆圆, 孙伟, 吴正洁, 苏鑫, 孔彬, 刘多静 申请人:清华大学深圳研究生院