专利名称：一种可机械拉伸的微流控芯片细胞培养装置及其应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可机械拉伸的微流控芯片细胞培养装置及其应用，属于芯片实验室系统中的细胞培养技术领域。
背景技术：
细胞培养是生物与健康相关研究领域的一项重要技术。随着生命科学的迅速发展，目前细胞培养已成为细胞生物学、分子生物学、遗传学和免疫学等学科研究的重要基础。为了深入探讨细胞的生长活动规律、有关疾病的病理和药物的药理(毒理)机制，开发具有不同针对性的细胞培养方法具有重要意义。当前，细胞培养广泛使用各种培养瓶(皿)，局限于单一静态培养环境。然而，在正常生理条件下，细胞往往处于复杂的力学环境当中，诸如骨细胞、心肌细胞以及血管内皮细胞等，这些细胞在生长过程中受到一些物理因素的影响如:流体剪切力、机械拉伸力和液体压力等。在常规细胞培养条件下，此类细胞的真实生长环境无法模拟。因此，需要开发新的细胞培养方法提供与体内细胞生长近似的微环境，较为真实地反映细胞的生长情况。目前，对细胞的机械拉伸力作用通常是借助细胞粘附的基底材料发生形变而产生的机械力而实现，其中多数采用弹性膜为基底材料，通过液体或气体产生的压力使基底膜变形而拉伸细胞，对细胞进行刺激。例如，有一种四点弯曲加载的方法，是将细胞直接接种在可变形的弹性板上，通过机械装置对弹性板加载，使细胞受载，但其加载频率不能太高，以忽略基底应变带来的剪切力作用。以上整个系统需要动力加载单元，细胞培养单元和电路控制系统三部分，其机械部分体积较大，细胞培养单元必须置于专门的细胞培养设备中(Owan, 1.;Burr, D.B.; Turner, C.H.;Qiu, J.;Tu, Y.; Onyia, J.E.;Duncan, R.L.American Journal of Physiology-Cell Physiologyl997,273, C810.Meazzini, M.;Toma, C.;Schaffef, J.;Gray, M.; Gerstenfeld, L.Journal of orthopaedicresearch2005, 16, 170.)。另外,还有一种加载装置,通过圆形空心压头下压弹性聚丙烯酰胺凝胶，从而使其产生均匀稳定的等双轴变形从而拉伸细胞，考察拉伸应变对平滑肌细胞的液化和固化的影响(Chen, C.;Krishnan, R.; Zhou, E.; Ramachandran, A.; Tambe, D.; Rajendran, K.; Adam, R.Μ.;Deng, L.;Fredberg, J.J.PloS one2010, 5, el2035.)，但是以上这些对细胞产生机械拉伸应力的装置比较复杂、操作困难，不易推广。
发明内容
本发明的目的是提供一种可机械拉伸的微流控芯片细胞培养装置及其应用，利用微量注射泵控制所述微通道内的液体流量，进而控制细胞粘附的基底材料(PDMS，聚二甲基硅氧烷)应变量，实现在微流控芯片条件下，为细胞提供一个具有机械拉伸作用的生长环境，以此建立一种便捷、可靠、低成本的微流控芯片加载机械应力的细胞培养技术。本发明所提供的一种可机械拉伸的微流控芯片细胞培养装置，包括依次叠加在一起的细胞培养层、PDMS薄膜和液体流量控制层；所述液体流量控制层上设有至少I条微通道；所述微通道上设有至少I个腔室，所述腔室的高度与所述微通道的高度相等；所述细胞培养层上设有与所述腔室数量相等的细胞培养池，所述细胞培养池的底部为所述PDMS薄膜，所述细胞培养池与所述腔室的形状相同；在沿所述液体流量控制层至所述细胞培养层的方向上，所述细胞培养池与所述腔室的位置相应；所述微通道的入口和出口均依次穿过所述PDMS薄膜和所述细胞培养层与外界相连通。上述的细胞培养装置，所述液体流量控制层的材质可为PDMS，所述微通道的入口和出口端连接微注射泵，利用微注射泵控制液体流量的大小、频率和时间。当向所述微通道里灌注液体时，所述PDMS薄膜受到液压向上的作用，发生凸起的形变，这样，就达到了为粘附在PDMS薄膜上的细胞施加机械拉伸应力的目的，如图3所示；所述细胞培养层的材质可为PDMS，制作时，所述细胞培养层可通过模塑法先制作出PDMS模版，再按照模版打孔得到；所述细胞培养层规划了细胞生长区域，也提供了细胞生长空间。上述的细胞培养装置，所述细胞培养池可为开放圆柱体形，所述开放圆柱体形的设计，一方面简化有关参数的计算，另一方面便于细胞培养液和其它试液的加入和更换。上述的细胞培养装置，所述细胞培养池的直径可为0.Γ0.6cm ；所述腔室的直径可比所述细胞培养池的直径大0.3mnT0.5mm，在制作过程中，在将所述细胞培养层与所述液体流量控制层进行密封时，防止所述细胞培养池与所述腔室位置的偏差，影响所述细胞培养装置的制作精度。上述的细胞培养装置，所述微通道设有若干个所述腔室，相邻所述腔室之间的距离可为 0.5^1.0cm。上述的细胞培养装置，所述微通道的高度可为45 55 μ m，宽度可为200 500 μ m。上述的细胞培养装置，所述PDMS薄膜的厚度可为8(Γ100 μ m，可以根据匀胶旋涂仪的转速和时间进行控制。上述的细胞培养装置，所述细胞培养层和所述液体流量控制层的厚度均可为0.3^0.5cm。上述的细胞培养装置，所述液体流量控制层可设有若干条所述微通道，所述微通道之间可为串联连通或并联连通，如图4所示。本发明提供的细胞培养装置可用于机械拉伸对细胞的作用进行分析。所述装置应用原理基于以下假设:当所述腔室内的液体将中层所述PDMS薄膜顶起的时候，由于液压是均匀分布的，可以近似认为形成一个球面，如图5所示。这样，流量与应变之间的关系，就可以根据球缺体积计算公式、形成球冠面积(施压状态)、基底膜的面积(无压状态)和其它已知量之间的几何关系推导得出如下公式1、公式2和公式3，而且在一定的范围内，可以将膜的应变视为与膜的厚度，以及PDMS本身的杨氏模量无关。所述流量与应变(ε )间的关系，对单个腔室而言:
权利要求
1.一种可机械拉伸的微流控芯片细胞培养装置，其特征在于:所述细胞培养装置包括依次叠加在一起的细胞培养层、PDMS薄膜和液体流量控制层； 所述液体流量控制层上设有至少I条微通道；所述微通道上设有至少I个腔室，所述腔室的高度与所述微通道的高度相等； 所述细胞培养层上设有与所述腔室数量相等的细胞培养池，所述细胞培养池的底部为所述PDMS薄膜，所述细胞培养池与所述腔室的形状相同； 在沿所述液体流量控制层至所述细胞培养层的方向上，所述细胞培养池与所述腔室的位置相应； 所述微通道的入口和出口均依次穿过所述PDMS薄膜和所述细胞培养层与外界相连通。
2.根据权利要求1所述的细胞培养装置，其特征在于:所述液体流量控制层和所述细胞培养层的材质为PDMS。
3.根据权利要求1或2所述的细胞培养装置，其特征在于:所述细胞培养池为圆柱体形。
4.根据权利要求3所述的细胞培养装置，其特征在于:所述细胞培养池的直径为0.4^0.6cm ； 所述腔室的直径比所述细胞培养池的直径大0.3mnT0.5mm。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的细胞培养装置，其特征在于:所述微通道设有若干个所述腔室，相邻所述腔室之间的距离为0.5^1.0cm0
6.根据权利要求 1-5中任一项所述的细胞培养装置，其特征在于:所述微通道的高度为45 55 μ m,宽度为200 500 μ m。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的细胞培养装置，其特征在于:所述PDMS薄膜的厚度为80 100 μ m。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的细胞培养装置，其特征在于:所述细胞培养层和所述液体流量控制层的厚度均为0.3^0.5cm。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的细胞培养装置，其特征在于:所述液体流量控制层上设有若干条所述微通道，所述微通道之间为串联连通或并联连通。
10.权利要求1-9中任一项所述细胞培养装置在机械拉伸对细胞活性影响的相关研究中的应用。
全文摘要
本发明公开了一种可机械拉伸的微流控芯片细胞培养装置。所述细胞培养装置包括依次叠加在一起的细胞培养层、PDMS薄膜和液体流量控制层；所述液体流量控制层上设有至少1条微通道；所述微通道上设有至少1个腔室，所述腔室的高度与所述微通道的高度相等；所述细胞培养层上设有与所述腔室数量相等的细胞培养池，所述细胞培养池的底部为所述PDMS薄膜，所述细胞培养池与所述腔室的形状相同；在沿所述液体流量控制层至所述细胞培养层的方向上，所述细胞培养池与所述腔室的位置相应；所述微通道的入口和出口均依次穿过所述PDMS薄膜和所述细胞培养层与外界相连通。本发明为研究细胞对机械拉伸力的响应，提供了一种简单、灵敏和可靠的微流控细胞培养装置。
文档编号C12M3/00GK103146576SQ20131004368
公开日2013年6月12日 申请日期2013年2月4日 优先权日2013年2月4日
发明者丁永胜, 卫元晨, 范蓓媛, 刘春彦 申请人:中国科学院大学