一种微加工气体匹配层调制体超声波细胞组装和排列装置、制备方法及应用

1.本发明属于生物医学工程下属的组织工程和生物制造技术领域，尤其涉及一种微加工气体匹配层调制体超声波细胞组装和排列装置、制备方法及应用。


背景技术：

2.在组织工程领域，细胞的有序组装和操控对于可控的细胞生长展现出越来越重要的作用，因为很多细胞的交流和功能实现都基于一定的形状结构信号，所以为了实现特定的组织功能并引导特定的分化方向，需要对细胞等样本按照特定的结构进行排列组装。传统的细胞排列方式大多是使用模具进行被动式的细胞溶液排列，这样的方式只能对细胞溶液进行排列，不能直接作用于更小尺寸的细胞，并且与细胞接触限制的基底会对细胞信息的传递和细胞生长都有着消极的影响，无法满足细胞排列的需求。
3.体超声波是一种在弹性固体内部传播的超声波，随着微机电和微流控技术的发展而得到越来越多的应用，其通过在压电晶体上产生特定频率的超声波，并耦合进入微流体之中，细胞等物质由于受到声辐射力的作用而移动聚集，从而实现细胞的组装和排列。体超声波能够对细胞进行精准、非接触式和无损伤的操控，在生物应用领域有着巨大的应用前景。
4.传统的体超声波细胞组装装置大多由两个金属电极连接一个压电陶瓷材料的超声换能器，细胞在声场中受到声辐射力作用聚集到声势阱中，从而能实现对细胞的操控排列。但其难以实现细胞的任意图案化，无法满足生物制造领域细胞紧密有序排列以及组织工程领域在体外构建宏观尺度人体微组织微器官的需求。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种微加工气体匹配层调制体超声波细胞组装和排列装置、制备方法及应用，目的在于解决现有技术中的一部分问题或至少缓解现有技术中的一部分问题。
6.本发明是这样实现的，一种微加工气体匹配层调制体超声波细胞组装和排列装置，包括：任意波形函数发生器、超声换能器、微图案结构匹配层及细胞组装腔室；
7.所述任意波形函数发生器的两个电极分别与所述超声换能器的两个电极连接，所述微图案结构匹配层设于所述超声换能器的顶部，所述细胞组装腔室设于所述微图案结构匹配层的顶部；
8.所述微图案结构匹配层设有若干微通道，所述若干微通道呈规则或不规则分布，所述若干微通道的分布规则与细胞的目标排列方式对应。
9.任意波形函数发生器用于给超声换能器提供激励信号，且可以在一定范围内调节激励信号的频率、振幅和相位。超声换能器用于产生特定频率的声场，通过压电效应将高频电信号转换为高频声信号。超声换能器的两极均通过导线引出，导线与任意波形函数发生
器相连。细胞组装腔室用于容纳细胞溶液，细胞组装腔室底部设置有微图案结构的声学匹配层来调制声场，二者通过等离子键合连接到一起。当需要进行细胞组装排列时，任意波形函数发生器产生的射频信号传入超声换能器，超声换能器被激活产生体超声波通过声学匹配层传输到细胞组装腔室中，细胞溶液样本中的细胞在声场中受到声辐射力作用被聚集到声势阱当中，从而产生对应的结构图案，实现细胞的组装排列。
10.进一步地，微通道与微图案结构匹配层的其他结构区域通过气体和固体声阻抗不匹配来调制声场。
11.进一步地，所述固体为高聚物。
12.进一步地，所述固体为聚二甲基硅氧烷。
13.进一步地，所述微图案结构匹配层通过软光刻方法、3d打印方法或微加工激光雕刻方法中的任一种加工而成。
14.进一步地，所述超声换能器由三层聚甲基丙烯酸甲酯将压电陶瓷片封装而成，所述压电陶瓷片嵌设于第一层聚甲基丙烯酸甲酯中部，第二层聚甲基丙烯酸甲酯中部开设有与所述压电陶瓷片对应的通孔，第三层聚甲基丙烯酸甲酯为底座。
15.所述压电陶瓷片为压电陶瓷片用激光雕刻机加工后的三层特定高度的聚甲基丙烯酸甲酯对压电陶瓷片进行封装，底部的空气背衬层将压电陶瓷片双侧的声能集中到一侧，提高了声指向性和声能。
16.进一步地，所述微图案结构匹配层的制备方法包括以下步骤：
17.根据目标图案制作掩膜图案，通过软件将目标图案转化为二进制的螺旋化灰度图像；
18.将螺旋化灰度图像导入软件处理，得到螺旋化掩膜图案；
19.通过紫外光刻技术，将微图案显影于硅片，得到微图案的硅片模具；
20.在硅片模具上浇注未凝固的聚二甲基硅氧烷，加热使其凝固，切割清洗后得到微图案结构匹配层。微图案匹配层中，有图案的部分为气体层，没有图案的部分为pdms层，两者的声阻抗不匹配导致不同的声场样式。
21.进一步地，压电陶瓷片的谐振频率为20k
‑
20mhz。
22.本发明还提供了利用上述的一种微加工气体匹配层调制体超声波细胞组装和排列装置进行细胞排列的方法，包括以下步骤：
23.根据细胞的目标排列方式，通过软光刻技术加工对应图案的微图案结构匹配层；
24.将微图案结构匹配层粘合于细胞培养腔室底部；
25.将微图案结构匹配层粘合于超声换能器顶部；
26.将细胞溶液注入细胞组装腔室中；
27.根据压电陶瓷片的谐振频率和工作电压调节频率和振幅，保持信号持续一定时间，细胞被聚集到驻波声场波节的地方，完成目标排列。
28.进一步地，利用超声耦合剂将微图案结构匹配层粘合于超声换能器顶部，保证超声耦合剂中无气泡。
29.进一步地，使用缓冲液重悬细胞得到细胞溶液。
30.本发明还提供了上述的一种微加工气体匹配层调制体超声波细胞组装排列方法、微加工气体匹配层调制体超声波细胞组装和排列装置在微结构组装排列中的应用。
31.进一步地，所述微结构包括微颗粒、细胞、水凝胶包裹的细胞、细胞球或微组织中的至少一种。
32.综上所述，本发明的优点及积极效果为：
33.本发明的微加工气体匹配层调制体超声波细胞组装和排列的方法及其装置，通过加工声学匹配层微图案结构对超声换能器产生的声场进行调制，在细胞组装腔室中对细胞进行组装和任意排列。这种装置首次利用软光刻技术加工声学匹配层来调制声场进行细胞组装，实现了更加灵活的体超声波声场样式，使其能够更加适合多样的生物研究和组织工程的细胞操控需求，具有巨大的应用前景和商业价值。
附图说明
34.图1是本发明实施例中微加工气体匹配层调制体超声波细胞组装和排列的装置示意图；
35.图2是本发明实施例中声学匹配层加工示意图；a：声学匹配层cad设计；b：声学匹配层掩膜；c：声学匹配层细胞组装腔室；
36.图3是本发明实施例1中利用软光刻技术加工简单图案声学匹配层进行聚苯乙烯微球组装和排列的示意图；a：无声学匹配层组装前微球图案；b：无声学匹配层组装后微球图案；c：无声学匹配层组装后声压分布图；d：声学匹配层组装前微球图案；e：声学匹配层组装后微球图案；f：声学匹配层组装后声压分布图；
37.图4是本发明实施例2中利用软光刻技术加工复杂图案声学匹配层进行聚苯乙烯微球组装和排列的示意图；a：目标微球组装图案；b：螺旋化掩膜图案；c：复杂图案声学匹配层组装前微球图案；d：复杂图案声学匹配层组装后微球图案；
38.图中，1：任意波形函数发生器；2：超声换能器；3：细胞组装腔室；4：细胞培养皿；5：微图案结构匹配层；6：压电陶瓷片；7：第一层聚甲基丙烯酸甲酯；8：第二层聚甲基丙烯酸甲酯；9：第三层聚甲基丙烯酸甲酯。
具体实施方式
39.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明，各实施例及试验例中所用的设备和试剂如无特殊说明，均可从商业途径得到。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
40.根据本申请包含的信息，对于本领域技术人员来说可以轻而易举地对本发明的精确描述进行各种改变，而不会偏离所附权利要求的精神和范围。应该理解，本发明的范围不局限于所限定的过程、性质或组分，因为这些实施方案以及其他的描述仅仅是为了示意性说明本发明的特定方面。实际上，本领域或相关领域的技术人员明显能够对本发明实施方式做出的各种改变都涵盖在所附权利要求的范围内。
41.为了更好地理解本发明而不是限制本发明的范围，在本申请中所用的表示用量、百分比的所有数字、以及其他数值，在所有情况下都应理解为以词语“大约”所修饰。因此，除非特别说明，否则在说明书和所附权利要求书中所列出的数字参数都是近似值，其可能会根据试图获得的理想性质的不同而加以改变。各个数字参数至少应被看作是根据所报告的有效数字和通过常规的四舍五入方法而获得的。本发明中，“约”指给定值或范围的10％
以内，优选为5％以内。
42.本发明披露了一种微加工气体匹配层调制体超声波细胞组装和排列装置、制备方法及应用，具体如下实施例所示。
43.实施例1利用软光刻技术加工简单图案声学匹配层进行聚苯乙烯微球组装和排列
44.如图1所示，本发明实施例的利用软光刻技术加工声学匹配层进行聚苯乙烯微球组装和排列的装置包括任意波形函数发生器1、细胞组装腔室3、微图案结构匹配层5和超声换能器2。本实施例中，细胞组装腔室3由一个细胞培养皿4组成，微图案结构匹配层5位于细胞培养皿4的外底部，超声换能器2位于微图案结构匹配层5的底部。
45.任意波形函数发生器1的型号为afg3000，拥有双通道设计，最高采样率为1gs/s，输出频率最高可达100mhz，最大振幅输出为10vpp。本实施例中任意波形函数发生器1输出为1.9mhz的正弦波信号，振幅为8vpp，相位为0。
46.超声换能器2由三层特定高度和形状的聚甲基丙烯酸甲酯将压电陶瓷片6封装而成，压电陶瓷片6为富士fujicera圆板式压电陶瓷片6，直径为2.5cm，厚度为1mm，谐振频率为1.9mhz。如图1所示，第一层聚甲基丙烯酸甲酯7用于固定压电陶瓷片6，其尺寸与压电陶瓷片6相匹配；第二层聚甲基丙烯酸甲酯8作为空气背衬层，其厚度为0.2mm，中部设有通孔；第三层聚甲基丙烯酸甲酯9作为底座，使整个超声换能器保持水平。
47.微图案结构匹配层5为：
48.根据cad软件绘制好预期的微图案(例如图2a)，然后根据微图案制作掩膜(如图2b)，通过紫外光刻技术，将微图案显影于硅片，得到微图案的硅片模具；使用有机材料聚二甲基硅氧烷，在硅片模具上浇注未凝固的聚二甲基硅氧烷，在80摄氏度的温度下热烘1小时即可凝固，得到带有若干微通道的半成品；经过切割以及等离子清洗机表面处理后将微图案结构匹配层5粘合在细胞培养皿4的外底部(如图2c)。
49.微球溶液中微球的材料为聚苯乙烯，颜色为紫色，直径是10μm，密度1.05g/cm3，其物理性质与细胞相似，微球溶液浓度为1mg/ml。
50.利用本发明进驻波声场的形成与细胞组装排列的步骤如下：
51.1.根据需要的细胞排布样式，通过软光刻技术加工对应图案的声学匹配层(即微图案结构匹配层5)，将声学匹配层和细胞培养皿4表面通过等离子清洗技术处理后粘合在一起，如图2c。
52.2.在超声换能器2上方涂一层薄薄的超声耦合剂(即医院做b超常用的超声耦合剂)，将声学匹配层和超声换能器2粘合在一起，保证超声耦合剂中间没有气泡产生。
53.3.对需要进行排列组装的细胞使用磷酸盐缓冲液重悬样本，使用移液器将细胞样本注入细胞组装腔室3中。
54.4.根据压电陶瓷片6的谐振频率和工作电压调节相应的频率为1.9mhz，振幅为8vpp，压电陶瓷片6的两个电极分别对应任意波形函数发生器1的两个电极，保持信号持续时间3min，细胞便被聚集到驻波声场波节的地方，形成相应的图案。
55.图3(a,b,d,e)展示了在有无微图案结构匹配层5图案下的实际组装图，其中颜色较深的紫色区域为势能较低的波节位置，微球在这些位置将达到稳定状态。图3(c，f)则显示了相应的声压分布图，当微图案结构匹配层5图案放置到超声换能器2上之后，微球受到声辐射力力作用快速移动到波节区域，也就是模拟图中紫色区域，实验结果能够与模拟结
果很好的符合。
56.实施例2利用软光刻技术加工复杂图案声学匹配层进行聚苯乙烯微球组装和排列
57.如图1所示，本发明实施例的利用软光刻技术加工声学匹配层进行聚苯乙烯微球组装和排列的装置包括任意波形函数发生器1、细胞组装腔室3、微图案结构匹配层5和超声换能器2。本实施例中，细胞组装腔室3由一个细胞培养皿4组成，微图案结构匹配层5位于细胞培养皿4的外底部，超声换能器2位于微图案结构匹配层5的底部。
58.任意波形函数发生器1的型号为afg3000，拥有双通道设计，最高采样率为1gs/s，输出频率最高可达100mhz，最大振幅输出为10vpp。本实施例中任意波形函数发生器1输出为1.9mhz的正弦波信号，振幅为10vpp，相位为0。
59.超声换能器2由三层特定高度和形状的聚甲基丙烯酸甲酯将压电陶瓷片6封装而成，压电陶瓷片6为富士fujicera圆板式压电陶瓷片6，直径为2.5cm，厚度为1mm，谐振频率为1.9mhz。如图1所示，第一层聚甲基丙烯酸甲酯7用于固定压电陶瓷片6，其尺寸与压电陶瓷片6相匹配；第二层聚甲基丙烯酸甲酯8作为空气背衬层，其厚度为0.2mm；第二层聚甲基丙烯酸甲酯8作为底座，使整个超声换能器2保持水平。
60.微图案结构匹配层5为：
61.1、根据目标图案(图4a，图片来源于网络)设计掩膜图案，通过adobe illustrator cc 2019软件将目标图案转化为二进制的螺旋化灰度图像。
62.2、将图像导入cad软件进行进一步处理，得到图4b的螺旋化掩膜图案。
63.3、通过紫外光刻技术，将微图案显影于硅片，得到微图案的硅片模具。
64.4、使用有机材料聚二甲基硅氧烷，在硅片模具上浇注未凝固的聚二甲基硅氧烷，在80摄氏度的温度下热烘1小时即可凝固，得到带有若干微通道的半成品。
65.5、经过切割以及等离子清洗机表面处理后将微图案结构匹配层5与细胞培养皿4粘合在一起。
66.微球溶液中微球的材料为聚苯乙烯，颜色为紫色，直径是10μm，密度1.05g/cm3，其物理性质与细胞相似，微球溶液浓度为1mg/ml。
67.在利用本发明进驻波声场的形成与细胞组装排列时，步骤如下：
68.1.根据需要的细胞排布样式，通过软光刻技术加工对应图案的微图案结构匹配层5，将微图案结构匹配层5和细胞培养皿4表面通过等离子清洗技术处理后粘合在一起。
69.2.在超声换能器2上方涂一层薄薄的超声耦合剂，将微图案结构匹配层5和超声换能器2粘合在一起，保证超声耦合剂中间没有气泡产生。
70.3.对需要进行排列组装的细胞使用磷酸盐缓冲液重悬样本，使用移液器将细胞样本注入细胞组装腔室3中。
71.4.根据压电陶瓷片6的谐振频率和工作电压调节相应的频率为1.9mhz，振幅为10vpp，压电陶瓷片6的两个电极分别对应任意波形函数发生器1的两个电极，保持信号持续时间3min，细胞便被聚集到驻波声场波节的地方，形成相应的图案。
72.图4(c,d)展示了在复杂匹配层图案下的实际微球组装图，其中颜色较深的紫色区域为势能较低的波节位置，微球在这些位置将达到稳定状态。由组装前后对比图可以看出，微球有聚集在匹配层图案边缘的趋势。
73.综上可知，本发明利用软光刻技术加工微图案结构匹配层5进行细胞组装，可以实
现较为复杂的声场样式，稳定性较好，并且不用直接接触，无损伤。为组织工程以及其他生物研究中对于细胞排列的需求提供了一种全新的解决方案。
74.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。