一种基于微载体的微流控细胞培养系统及其操控方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种细胞培养技术，具体是基于微流控芯片和微载体的细胞培养系统，解决困扰细胞培养的剪切力控制问题。
【背景技术】
[0002]细胞培养是现代生物工程等学科的基石之一。传统的细胞培养主要是通过培养皿或者培养瓶等器皿结合培养基来构建细胞生长的载体，通过孵育箱来构建细胞生长的微环境，通过营养液的定期更换来为细胞提供必要的养分并排出代谢物质。
[0003]微流控技术是通过对微流控芯片中的微流体的控制来实现传统生物、化学、医学实验室的培养、分离、检测等功能。相对于传统培养，微流控培养具有更接近于体内环境、消耗试剂少、高度定制化、容易实现灌流培养、容易和下游分析设备集成以及实现活细胞在线观察等优势。
[0004]然而不管是传统培养还是微流控培养，对于细胞剪切力的控制始终是制约细胞长期体外生存的瓶颈之一。对于绝大多的植物和动物细胞而言，过大的剪切力会对细胞的形态结构和生理功能造成不可逆转的影响，因此需要控制剪切力的大小在一定的范围之内。而对于另一部分细胞，如血管的内皮细胞，只有在一定的剪切力作用下才能正常生长，因此在培养过程中，需要维持特定的剪切力范围。在微流控细胞培养中，一般通过调控营养液换流的速度来调控细胞受到的剪切力，然后换流速度过大时，剪切力会对细胞造成一定的伤害，当换流速度过小时，培养仓中会有一定的死体积营养液无法参与交换；同时，由于通过营养液的流速间接控制剪切力，在培养血管内皮细胞等对剪切力敏感的细胞时，难以让剪切力精确稳定地维持在特定的范围内。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种基于微载体的微流控细胞培养系统及其操控方法，解决换液时剪切力控制和换液死体积的矛盾，实现细胞培养过程中剪切力的精确控制，特别适合应用于对剪切力敏感的细胞的培养。
[0006]为达到上述目的，本发明一种基于微载体的微流控细胞培养系统采用的技术解决方案是:微流控细胞培养系统具有一个微流控芯片，在微流控芯片上构造出两个相同的三角形的培养仓，两个培养仓的一个顶点相接且在相接处设有一个微阀，两个培养仓相对于微阀对称，吸附细胞的磁性微载体位于两个培养仓内；每个培养仓均通过一个进液管连接一个注射泵，每个培养仓均通过一个出液管连接一个真空泵，在每个进液管上设有一个进液管开关阀门，在每个出液管上设有一个出液管开关阀门；在每个培养仓的周围设置一个用以探测磁性微载体位置的巨磁阻传感器；在每个培养仓旁侧设置一个控制磁性微载体运动轨迹的磁场控制模块；一个微阀、两个所述进液管开关阀门、两个所述出液管开关阀门、两个所述磁场控制模块、两个所述巨磁阻传感器、两个所述真空泵以及两个所述注射泵分别连接于控制器。
[0007]本发明一种基于微载体的微流控细胞培养系统的操控方法米用的技术解决方案是依序按以下步骤:
O将磁性微载体和37摄氏度的培养液混合后加入注射泵中，控制器控制打开相应的进液管开关阀门，由注射泵将混合液注入到培养仓中，使培养仓中充满混合液；完成后关闭相应的进液管开关阀门和注射泵；当培养仓旁的巨磁阻传感器感应到磁性微载体的存在向控制器反馈高电平时，完成对培养仓的进样；
2)控制器30启动磁场控制模块，由磁场控制模块控制磁性微载体在培养仓(6、7)内作匀速圆周运动；
3)当培养仓中的培养液需要更换时，控制器开启微阀，两培养仓连通，由相应的磁场控制模块控制需要更换营养液的第一个培养仓内的磁性微载体运动，从第一个培养仓内通过微阀5进入第二个培养仓内；当第一个培养仓旁的巨磁阻感应器感应不到磁性微载体的信号，输出由高电平跳变到低电平，同时第二个培养仓旁的巨磁阻感应器感应到磁性微载体的信号，输出由低电平跳变到高电平时，磁性微载体完成从第一个培养仓到第二个培养仓的转移；
4)控制器打开连接第一个培养仓的出液管上的第一个出液管开关阀门，启动相应的第一个真空泵，将第一个培养仓中的培养液泵出，之后关闭第一个出液管开关阀门和第一个真空泵并打开连接第一个培养仓的进液管上的第一个进液管开关阀门，启动相应的第一个注射泵，将新鲜的培养液注入到第一个培养仓中，完成后关闭第一个进液管开关阀门(14)和第一个注射泵。。
[0008]本发明和已有技术相比具有以下优点:
1、本发明通过外磁场对吸附细胞的磁性微载体的运动控制，使磁性微载体在外磁场的作用下进行圆周运动或在两个培养仓中来回定速移动，实现对细胞培养过程中剪切力的精确控制。
2、本发明利用通过在微流控芯片上构建由微阀联接的两个独立的培养仓，培养仓中充满了培养液，双培养仓交换培养，解决更换培养液时，培养液交换时剪切力和培养液死体积的矛盾。
[0009]3、本发明利用真空抽液系统，实现了快速高效的培养液交换，彻底解决对于常规微流控芯片培养中无法克服的培养液换流死体积问题，提高了细胞微环境的稳定性。
[0010]4、本发明通过微流道结构更加接近于人体的内环境。相对于传统培养，微流控培养技术具有消耗试剂少，高度定制化，容易实现灌流培养，容易和下游分析设备集成等诸多优势。
[0011]5、本发明使用透明的芯片，可以实现传统培养无法实现的活体细胞在线观察。
[0012]6、本发明可广泛应用于各种细胞的培养中，特别是可以为对剪切力敏感的细胞提供适宜的培养环境。
【附图说明】
[0013]图1本发明一种基于微载体的微流控细胞培养系统的结构示意图；
图2是图1中微流控芯片及其流道结构的放大示意图；
图3是图2所示磁性微载体在两个培养仓之间转移路径示意图； 图4是图1的电路控制框图；
图5是图1所示微流控细胞培养系统的工作流程图。
[0014]图中:1.磁场控制模块；2.微流控芯片；3.出液管开关阀门；4.出液管开关阀门；
5.微阀；6.培养仓；7.培养仓；8.出液管；9.出液管；10.真空泵；11.真空泵；12.磁场控制模块；13.温度控制单元总成；14.进液管开关阀门；15.进液管开关阀门；16.进液管；17.进液管；18.注射泵；19.注射泵；20.巨磁阻传感器；21.巨磁阻传感器；22.磁性微载体；23.出液口 ；24.出液口 ；25进液口 ；26.进液口 ；27.轨迹；28.轨迹；29.轨迹；30.控制器。
【具体实施方式】
[0015]参见图1和图2，本发明具有一个微流控芯片2，微流控芯片2水平放置。微流控芯片2材料可以是玻璃、硅等传统微制造材料，也可以是PDMS、PMMA等聚酯材料，是一种透明的芯片。微流控芯片2上使用传统光刻或者热压、机械加工等聚酯芯片加工技术构造出两个三角形的培养仓6、7，两个三角形的培养仓6、7的结构相同，培养仓6的一个顶点和培养仓7的一个顶点相接,在两个顶点相接处安装微阀5,两个培养仓6、7相对于微阀5对称地布置，微阀5用来连接两个独立的培养仓6、7。吸附细胞的磁性微载体22位于培养仓6、7内，磁性微载体22为微米量级的磁性微载体颗粒。内核为磁性颗粒,外层由生物亲合性材料构成，使得细胞易于在其表面吸附，形成载负细菌的微载体。当微阀5闭合时，两个培养仓6、7连通,磁性微载体22可以从其中一个培养仓转移到另一个培养仓中去，当微阀5闭合时，两个培养仓6、7相互独立，对其中一个培养仓中的培养液进行更替时，另一个培养仓中的培养环境不会受到任何影响。
[0016]每个培养仓6、7均通过一个培养液进液管16、17连接一个注射泵18、19，每个培养仓6、7均通过一个出液管8、9连接一个真空泵10、11。在每个培养液进液管16、17上安装一个进液管开关阀门14、15，在每个出液管8、9上安装一个出液管开关阀门3、4。为了提高营养液交换效率，进液管16、17和出液管8、9与微流控芯片2连接时，分别连接三