用于细胞和组织培养的具有微纳米尺度刚度图形和曲率图形的基底以及制作这种基底的方法

专利名称：用于细胞和组织培养的具有微纳米尺度刚度图形和曲率图形的基底以及制作这种基底的方法
技术领域：
本发明涉及可用于细胞和组织培养的基底材料领域，具体的说，是涉及一种用于细胞和组织培养的具有微纳米尺度刚度图形和曲率图形的基底，同时，还涉及制作这种基底的方法。
背景技术：
细胞生长在细胞所属的组织提供的机械环境当中。已经证实的是，细胞行为对它所生长之上的基底的刚度极为敏感。例如，细胞的运动可以由它所生长之上的基底的刚度单独控制；上皮细胞在其基底上所产生的牵引力与基底的刚度成正比；基底刚度指引干细胞的分化方向；在各项异性微结构基底上，上皮细胞沿着最大刚度方向迁移；在生物软组织刚度值范围内，纤维细胞调整它们的内部刚度以与它们的基底刚度一致。但是，基底刚度是通过什么机制来指引这些细胞行为的，到目前为止我们在很大程度上是不了解的。本发明公开一类独特的，同时又非常简单的细胞培养基底，此类培养基底可以用来研究细胞怎样感受其基底的局部刚度和局部曲率，以及细胞又是怎样将这些基底局部刚度和局部曲率信息集成起来，从而做出控制细胞全局行为的决定。

发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，适应现实需要，提供一种用于细胞和组织培养的具有微纳米尺度刚度图形和曲率图形的基底，同时，还涉及制作这种基底的方法。为了实现本发明的目的， 本发明采用的技术方案为: 一种用于细胞和组织培养的具有微纳米尺度刚度图形和曲率图形的基底，包含以下几个部分:
一个根基；
置于所述根基之上的具有第一刚度值的第一个区域，所述第一个区域由大量的分
区组成；
置于根基之上的具有第二刚度值的第二个区域，所述第二个区域由大量的分区组成，所述第二刚度值不同于第一刚度值；
第一个区域的一个或多个分区的一部分和第二个区域的一个或多个部分区域的一部分是这个基底的上表面或上表面的一部分。所述基底的上表面作为第一、第二区域和细胞的界面，即细胞位于所述基底的上表面之上。所述第二个区域的分区布置在第一个区域的相邻两个分区之间的空间中。所述基底中的第二个区域包含一个与根基相接触的材料层，所述第一个区域的各个分区的外表面镶嵌于所述材料层的外表面之中。还包含具有第三刚度值的第一个区域，所述第三刚度值与第一个刚度值和第二个刚度值都不相同。所述第一个区域中的每个分区的尺寸在大于等于一纳米到小于等于一毫米的范围内，所述第二个区域中的每个分区的尺寸在大于等于一纳米到小于等于一毫米的范围内。 所述第一刚度值大于第二刚度值。所述第一个区域的每个分区包含有一个或多个从根基上表面垂直向上地延伸出来的柱子、非规则形状的颗粒、球体、以及轴线与根基上表面垂直的圆柱体。所述柱子具有圆形、椭圆形、或多边形的横截面。所述基底中根基的上表面设有位于根基上表面之下的微井阵列，所述微井阵列的各微井中填充有具有第二刚度值的材料，所述根基上表面构成具有高刚度值的高刚度区域，所述微井阵列中的填充区构成具有低刚度值的低刚度区域。所述微井阵列中的各个井具有圆形、椭圆形、或多边形的形状。微井阵列中的每一个井有不同的开口面积和井深。所述基底中的第一个区域包含一个镂空框架，所述镂空框架包括边界和框壁，所述框壁垂直于边界，所述边界将框壁框住并由框壁和边界形成彼此隔开的一个个格子状的镂空区域，采用填充物将镂空区域填充，所述镂空框架为高刚度区域，所述填充区为低刚度区域。所述基底中的格子状的镂空区域中的每一个区域具有多边形、圆形、或椭圆形的断面形状。 所述基底中的格子状的镂空区域中的每一个区域具有不同的横截面积。所述基底的上表面包含一个平面或一个曲面或多个曲面。所述根基的上表面加工有微井阵列，所述微井阵列的每一个井中装有一个球体或者其他任何几何形状的颗粒，所述球体或几何颗粒的尺寸大于对应的井的尺寸，所述球体或颗粒构成第一个区域，所述各球体或颗粒之间设有填充物，所述填充物具有第二刚度值，所述填充物构成的填充区为第二个区域。所述第一个区域为高刚度区域，由微纳米尺度的颗粒物组成，所述颗粒物随机的镶嵌在第二个区域中，所述第二个区域为软的低刚度区域。所述第一个区域为高刚度区域，为微纳米尺度的球体或圆柱体，所述球体或圆柱体随机的镶嵌在第二个区域中，所述第二个区域为软的低刚度区域。所述第一个区域为高刚度区域，由微纳米尺度的颗粒物组成，所述颗粒物随机的镶嵌在第二个区域中，所述第二个区域为软的低刚度区域，所述第二个区域具有弯曲的上表面。一种用于细胞和组织培养的具有微纳米尺度刚度图形和曲率图形的基底，包括如下部分:
一个根基；
置于所述根基之上的具有第一刚度值的第一个区域；所述第一个区域的上表面上包含有刻痕，所述刻痕的数量级在微纳米尺度。还包括具有第二刚度值的第二个区域，所述第二个区域包含有一个或多个从根基上表面垂直向上地延伸出来的柱子、非规则形状的颗粒、球体、以及轴线与根基上表面垂直的圆柱体，所述第一刚度值小于第二刚度值。制作基底的方法，包含以下步骤:
准备好一个根基；
在根基的上表面上形成多个高刚度区域；
在各高刚度区域之间形成低刚度区域。在各个高刚度区域之间填充具有低刚度的材料，形成低刚度区域。所述高刚度区域从根基的上表面上延伸出来，将根基和高刚度区域部分浸入一个低刚度材料中然后再将根基和高刚度区域部分从这个低刚度材料中拿出来，各高刚度区域之间的低刚度材料形成低刚度区域。所述高刚度区域的设置方法为，在所述根基的上表面设置位于根基上表面之下的微井阵列；所述低刚度区域的设置方法为，向所述微井阵列的各微井中填充有具有低刚度值的材料，形成低刚度区域。将所述高刚度区域浸入一个低刚度材料中，然后再将根基和高刚度区域部分从这个低刚度材料中拿出来，各高刚度区域之间的低刚度材料形成低刚度区域。所述高刚度 区域的设置方法为，设置一个由高刚度材料制成的镂空框架，所述镂空框架包括边界和框壁，所述框壁垂直于边界，所述边界将框壁框住并由框壁和边界形成彼此隔开的一个个格子状的镂空区域；向所述镂空区域中填充低刚度材料，形成低刚度区域。将所述高刚度区域的镂空框架浸入一个低刚度材料中，然后再将根基和高刚度区域部分从这个低刚度材料中拿出来，各高刚度区域之间的低刚度材料形成低刚度区域。本发明的有益效果在于:
1.本发明公开了一种非常简单的细胞培养基底，以及制作本基底的方法，可以用来研究细胞是怎样感受其基底的局部刚度和局部曲率以及细胞又是怎样集成这些基底局部刚度和局部曲率信息来达成一个控制细胞全局行为的决定的；
2.本发明实现了对细胞和组织生长的微机械控制，这种微机械控制，可以被用于有益地机械地操控一个细胞生长的生物方向。控制这个生长方向和过程可以允许我们对正常(健康)和非正常(病态)的细胞和组织的生长过程进行仔细的研究，在组织工程和再生医学领域中有着至关重要的应用。


图1为本发明基底的实施例一的结构示意 图2为本发明基底的实施例二的结构示意 图3为本发明基底的实施例三的高刚度区域的结构示意 图4-1为本发明基底的实施例四的结构示意 图4-2是一个细胞生长在图4-1所示基底的三个相邻球之间并扩展至与这三个相邻球吸附上的俯视 图4-3是一个细胞生长在图4-1所示基底的四个相邻球之间并扩展至与这四个相邻球吸附上的俯视 图4-4是两个细胞分别生长在图4-1所示基底的两个球体之上；
图4-5示出了一个细胞或一片组织同时生长在图4-1所示基底的一个球体或颗粒及其紧邻的材料上的主视剖视图；图4-6示出了一个细胞或一片组织同时生长在图4-1所示基底的两个紧邻球体或颗粒及它们紧邻的材料上的主视剖视图。图4-7示出了一个细胞或一片组织同时生长在图4-1所示基底的三个紧邻球体或颗粒及它们紧邻的材料上的俯视 图4-8示出了一个细胞或一片组织同时生长在图4-1所示基底的四个紧邻球体或颗粒及它们紧邻的材料上的俯视 图5为本发明基底的实施例五的结构示意 图6为本发明基底的实施例六的结构示意 图7为本发明基底的实施例七的结构示意 图8为本发明基底的实施例八的结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进一步说明:
在具体描述所发明的表面上具有刚度和几何图形的可用于包括培养细胞和组织在内基底的各种用途之前，本发明的基底以及制作这种基底的方法，主要是基于各种元素和方法步骤的组合。据此， 在说明书附图中，这些元素将被用传统元素来代替表达，图中将只显示与本发明相关的具体细节，这样将不妨碍对本领域技术人员来讲显而易见的结构细节的公开，同时本领域技术人员也能容易地领悟到这里所描述的本发明的精髓，意义，益处，和用途。下面所描述的本发明的各种实施方式，仅仅是从实施例的角度提出一些可以仿效的实际构造，并不用于限定本发明的结构以及方法，因此，所描述的各种实现方案是允许的而并非强制性的，是展示性的而并非详尽的。为更好地了解细胞和组织是怎样与它们的生长基底相互作用的，以及控制这些相互作用的生物物理机制，我们需要构建一个具有非均匀的局部刚度的图形(包括具有至少两种以上刚度值的区域)以及具有非均匀表面局部几何形状的生长基底。这些局部刚度图形和几何形状都在微米和纳米(在本专利的描述中，微米和纳米有时候就简称为微纳米)的
数量级上。总的来说，本发明中所说的微米和纳米的尺度是指从大于等于一个纳米到小于等于一个毫米的尺寸范围，也简称微纳米尺度。本发明的实现方案是指具有微米和纳米尺度刚度图形和几何形状的一种或多种基底，以及生产这些基底的一种或多种工艺。这些基底有益于生长和研究细胞和组织。这些工艺和基底已让本专利的发明者实现了对细胞和组织生长的微机械控制，这种微机械控制，在组织工程和再生医学领域中有着至关重要的应用。这里所公开的各种刚度图形是指基底表面具有不同刚度的区域，比如说，刚度相对较高，较低，和比较中等的区域。刚度是指在基底表面某个位置所施加力的大小与那个位置基底材料在施力方向上位移大小的比值，刚度的单位是牛顿/米(N/m)。基底表面及内部某个位置的刚度和基底表面及内部的刚度图形取决于构成基底的每种材料的杨氏模量(弹性模量)和这些材料在基底中的几何分布图形。杨氏模量的定义为，材料在弹性变形范围内，正应力与正应变的比值，其单位是帕斯卡(Pa)。总的来说，杨氏模量不同于刚度，杨氏模量是表征材料的性质，而刚度表征结构的性质。所以，刚度是由结构的材料(杨氏模量)和结构的形状共同决定的。对于本发明来说，总体上基底中高刚度区域的材料较硬，杨氏模量值较高；而低刚度区域的材料较软，杨氏模量值较低。对于一个表面具有刚度图形(包括有高刚度区域和低刚度区域)的基底，基底表面的局部刚度值通常可以用有限元方法来精确地计算，同时用原子力显微镜来精确地测量，或用本领域技术人员所用的其它类似的技术来精确地计算和测量。根据基底材料的杨氏模量和几何形状，应用简单的设计手册和在教科书中，就能找到相应的力学计算公式对基底表面的局部刚度进行估计。对于本发明的设计者来说，用这些估计值来进行预期的实验研究去选取合适的基底材料和刚度图形，这些估计值的精度是足够的，并且基底刚度图形中各刚度区域材料的杨氏模量本身通常就可以用来足够精确地定义、描述、和区分刚度图形中的各个刚度区域以及区分不同和类似的刚度图形。因此在针对本发明的描述中，为易于理解、简单、和方便起见，将近似地仅用在刚度图形中各刚度区域的构成材料的杨氏模量来定义、描述、和区分各区域的刚度。但是这个近似丝毫不影响本发明的思想、意义、贡献、和用途。相反地，这个近似使 本发明的使用者更容易理解、使用、和拓展本发明及其用途。实施例一:参见图1。图1示出了一种用于细胞和组织培养的具有微纳米尺度刚度图形和曲率图形的基底10，基底10是形成在一个可以由任何材料(如玻璃材料，有机塑料材料，硅材料，或钢材料)制成的根基11之上，根基11的材料必须要与将在根基11上形成的基底10的结构和材料相匹配，根基11的刚度与本发明无关。一个细胞或一片组织生长于基底10的上表面IOA之上。在这个实施例中，基底10由高刚度区域14和低刚度区域18组成，这两种区域在基底的上表面IOA之上清楚地展现。高刚度区域14作为具有第一刚度值的第一个区域，低刚度区域作为具有第二刚度值的第二个区域，所述第二刚度值不同于第一刚度值。所述基底的上表面IOA作为第一、第二区域和细胞12的界面，即细胞位于所述基底的上表面之上。在其它的实施方式中，在基底10中和其上表面IOA上可以有刚度值不同于上述的高刚度区域14和低刚度区域18的区域，即在基底10中和其上表面IOA上可以有多于两种刚度值的区域，比如说，在一个区域中，一部分区域具有第一刚度值，一部分区域具有第二刚度值，一部分区域具有第三刚度值，剩下的其它部分区域具有第四刚度值。所以，根据科学研究和工业生产的需要，可以在基底10中和其上表面IOA上形成有具有多个(至少两个)刚度值的刚度图形的区域。本发明所提供的具有不同刚度值的基底可以用于研究细胞和组织在生长过程中对这些不同基底刚度值的区分程度。所述基底中的第二个区域包含一个与根基相接触的材料层，所述第一个区域的各个分区的外表面镶嵌于所述材料层的外表面之中。具体到实施例一，高刚度区域14可以由玻璃材料构成，并且就像图中所示的那样构成柱状或杆状。这些柱状或杆状从根基11的上表面垂直向上延伸，也可以为非规则形状的颗粒、球体、以及轴线与根基上表面垂直的圆柱体。所述柱子具有圆形、椭圆形、或多边形的横截面，高刚度区域14作为第一个区域，其各个柱状的上表面镶嵌于作为第二个区域的低刚度区域18的外表面之中。总的来说，为有效地应用本发明，精确地标定高刚度和低刚度区域的刚度数值不是必须的。相反，只要满足高刚度和低刚度区域具有不同的刚度数值即可。这样的设计，是为了说明细胞和组织可以区分不同的基底刚度数值。所述第一个区域和第二个区域都由大量的分区组成，第一个区域的一个或多个分区的一部分和第二个区域的一个或多个部分区域的一部分是这个基底的上表面或上表面的一部分。所述第二个区域的分区布置在第一个区域的相邻两个分区之间的空间中，具体到本实施例，如图1所示，每个高刚度区域14是被低刚度区域18间隔开的，本实施例中，每个高刚度区域都具有相同的形状和尺寸。但本发明并不要求每个高刚度区域具有相同的形状和尺寸，比如，高刚度区域之间的间隔大小可以不同，以及每个高刚度区域可以有不同的高度H。分别用E1^P E1来标记高刚度和低刚度区域材料的杨氏模量。在一个实现方案中，高刚度区域的横截面是圆形的，所以高刚度区域是圆柱形的。用dh来标记每个高刚度区域的直径和用Cl1来标记相邻两高刚度区域的间距。用H来标记基底10的厚度。通过改变参数Eh，El，dh，和Cl1的数值可以制成能满足相关细胞和组织实验需要的在不同尺度上的具有不同刚度图形的基底。培养在基底上表 面IOA上的细胞12或组织同时覆盖了高刚度区域14和低刚度区域18。图1所示的实施例中，在高刚度区域14和低刚度区域18之间没有间隔，这样的基底结构布置可以允许我们去研究细胞是怎样感知基底刚度的局部变化或怎样区分相邻基底区域刚度的不同。应用本发明所制成的基底，研究人员可以控制和检测细胞和组织的行为和状态，比如细胞吸附，扩展，迁移，分裂，分化，细胞与细胞间相互作用，细胞与细胞间相互通讯，以及细胞和组织的健康状态。当然，研究人员将会根据自己具体研究工作的需要选择合适的具有由高刚度区域和低刚度区域形成的刚度图形的阵列的基底。例如，通过固定Eh和E1的数值，同时改变dh和Cl1的数值，可以对细胞对其基底局部刚度的尺寸敏感性(也就是细胞对各种基底刚度数值与这些刚度数值在基底表面上的分布的响应)进行研究。另一方面，通过固定dh和Cl1的数值，同时改变Eh和El的数值，可以对细胞区分基底刚度的局部变化的能力进行研究。所以，可以通过调整Eh，El, dh，和Cl1的数值来实现对细胞行为的定量控制。本专利里所说的基底刚度的微纳米图形化指的就是在微米和纳米尺度上调整基底的Eh，El, dh，和Cl1的数值。制作本实施例所述的基底的方法简述如下:
a.准备一个根基11；
b.直接用各种半导体加工技术在底板11的上表面形成高刚度区域14(在图1所示的实施方式中为柱状或杆状阵列)，这样基底10和根基11就自然成为一体且由一种材料构成；
c.将聚合物凝胶溶液浇注或注射入一个柱状阵列的空隙空间中，或者将一个柱状阵列插入一个聚合物凝胶溶液中，然后固化便形成软的聚合物凝胶(也就是在图1中所示的低刚度区域18)以及整个基底10。这样，高刚度区域的一个或多个分区的一部分和第二个区域的一个或多个分区的一部分是组成基底10的上表面或上表面的一部分。柱子的尺寸(包括横截面尺寸和高度)以及相邻柱子之间的间距可以根据需要进行选定，但这些尺寸和间距都在微米和纳米尺度上。柱子的几何形状(包括三维轮廓几何形状和横截面几何形状)及对应尺寸都可以根据需要进行改变和选定。聚合物凝胶的杨氏模量可以通过改变其构成成分的浓度或改变其构成成分本身来改变，但一般都在几十帕斯卡(Pa)到几百千帕斯卡(kPa)之间。根据另外一个不同的实施方式，在整个已有的基底(包括下面将要介绍到的所有实现方案的基底)上额外形成一层聚合物凝胶材料，以制成在不同区域有着不同厚度的凝胶材料的基底。根据这个方案，众多的刚度图形可以被实现。实施例二:参见图2。图2示出了另外一种具有刚度图形的基底，所述基底中根基11的上表面设有位于根基上表面之下的微井阵列，所述微井阵列的各微井中填充有具有第二刚度值的材料，所述根基11上表面构成具有高刚度值的高刚度区域14，所述微井阵列中的填充区构成具有低刚度值的低刚度区域18。所述微井阵列中的各个井具有圆形、椭圆形、或多边形的形状，微井阵列中的每一个井有不同的开口面积和井深。微井阵列由聚合物凝胶材料进行填充，其中平板根基的材料构成了该刚度图形中的高刚度区域，每个井 中的聚合物凝胶材料构成了该刚度图形中的低刚度区域，微井阵列的几何参数以及每个井的几何形状和几何尺寸都可以根据自己需要定义和选择。在图2中，一个细胞12生长在由被聚合物凝胶材料填充满的四个微井组成的刚度图形之上，其中d#1, d#2, d井3，和d井4是用来描述相邻微井之间间距的参数。实施例三:参见图3。在另一个实施方式中，首先加工好一个大约5到20微米高的由高刚度材料构成的镂空框架40，这个镂空框架40将取代图1中的柱状阵列和图2中的上表面上加工有微井阵列的平板根基，成为本实施例刚度图形中的第一个区域(即高刚度区域)。根据目前已知的加工工艺，这样的镂空框架是很容易加工的。框架还设有支撑腿40c，当框架由支撑腿40c支撑在一个表面上时，支撑腿和框架底部之间也会出现一个空洞区，用低刚度材料(比如上面所说的聚合物凝胶软材料)将框架中的镂空区域和空洞区填充，镂空框架的几何轮廓(也就是定义框架镂空区域的框壁和框架本身的边界)决定了最后形成的基底的刚度图形。框架的镂空高度和框架本身的高度决定了低刚度区域材料的厚度。图3示出了本实施方式中的镂空框架40，该框架是从一单晶硅片用该领域里所熟知的经改变过后的单晶反应刻蚀及金属化(SCREAM)加工工艺加工而成。各种半导体材料和微纳米机电系统加工工艺都可以被用来形成这个镂空框架40。镂空框架40包括边界41和框壁40B，框壁40B垂直于边界41，边界41将框壁40B框住并由框壁和边界形成彼此隔开的一个个像格子一样的矩形镂空区域40A。本发明也包括应用其它的具有不同尺寸，不同几何形状，不同镂空区域分布图形，不同框壁厚度，和不同镂空区域形状的镂空框架，和具有不同几何形状和尺寸的框壁的镂空框架。镂空区域中的每一个区域具有多边形、圆形、或椭圆形的断面形状，并且也可以具有不同的断面面积，使用者可以根据自己对生长细胞和组织的需要来决定和选择这些镂空框架的几何参数。比如，虽然图3中所展示的空洞区域40A是均匀一致的矩形，但这并不是必须的，甚至对细胞和组织的有些研究来说这并不是最佳的选择方案。镂空框架40由框架的支撑腿40C支撑。在一个实现方案中，镂空框架40中硅结构的厚度可以通过用热氧化硅来形成二氧化硅紧接着用氢氟酸来刻蚀二氧化硅的方法来缩减。应用这个方法(或其它一种半导体材料或微纳米机电系统加工工艺)，可以获得微纳米数量级上的刚度图形的连续镂空框架结构。图3所示的镂空框架由刚度相对较高的材料(比如说硅)构成，其中的镂空区40A将被刚度相对较低的材料(比如说聚合物凝胶)所填充。可以根据自己对生长细胞和组织的需要来决定和选择对这些空洞区域40A的填充程度，也就是说对具体到每一个空洞区域，都可以填满或部分填满或不填。当然，对每一个空洞区域中的填充程度可以是一样的也可以是不一样的，对每一个空洞区域中的所填充的低刚度材料可以是一样的也可以是不一样的，也就是说每一个镂空区都可以有自己的填充材料和填充程度，这个思想和相应的实现技术适用于本发明中所介绍的每一种实施方式中所产出的所有基底。该填充过程可以通过向空洞区域40A中注入低刚度材料来完成，或者通过将镂空框架40浸入到低刚度材料中。在一个实现方案中，空洞区域中的低刚度材料由聚丙烯酰胺凝胶构成。与这些凝胶区域相t匕，由镂空框架40所表示的高刚度区域的刚度可以认为是无限大。在一个实现方案中，一种材料被用于填充悬空框架40的下表面40D与悬空框架的支撑表面(图3中没有显示) 之间的空隙空间。比如，在一个实现方案中这个材料与填充空洞区域40A所用的材料相同。镂空框架40可以用聚二甲硅氧烷(PDMS)来制作，聚二甲硅氧烷(PDMS)的杨氏模量比聚丙烯酰胺凝胶的杨氏模量数值高很多。PDMS的杨氏模量可以从几十千帕斯卡(kPa)到2.5百万帕斯卡(MPa)或更高变化，并且小到I至2微米的PDMS结构可以被加工出来。对于某些应用领域来讲，由PDMS制成的镂空框架可以比由硅制成的镂空框架更合适。PDMS的杨氏模量同样也可以通过改变其构成成分的浓度或改变其构成成分本身来改变。制作本实施例的基底的方法:
a.设置一个由高刚度材料制成的镂空框架，所述镂空框架包括边界和框壁，所述框壁垂直于边界，所述边界将框壁框住并由框壁和边界形成彼此隔开的一个个格子状的镂空区域，在所述镂空区域中形成低刚度区域；
b.向所述镂空区域中填充低刚度材料，形成低刚度区域；
C.也可将所述高刚度区域的镂空框架浸入一个低刚度材料中，然后再将根基和高刚度区域部分从这个低刚度材料中拿出来，各高刚度区域之间的低刚度材料形成低刚度区域。实施例四:参见图4-1-4-8。图4-1示出了另一种具有微纳米尺度刚度图形的基底，本实施例中基底10的上表面IOA包含一个或多个曲面。根基11的上表面加工有微井阵列，所述微井阵列的每一个井中装有一个球体或者其他任何几何形状的颗粒，所述球体或几何颗粒的尺寸大于对应的井的尺寸，所述球体或颗粒构成第一个区域即高刚度区域14，所述各球体或颗粒之间设有填充物，所述填充物具有第二刚度值，所述填充物构成的填充区为低刚度区域18。这样，球体或几何颗粒的突出于填充物上表面的部分称为一个或多个曲面。第一步，预先在平板根基上表面加工成预先设计好的微井阵列；然后再用由高刚度材料制成的具有合适尺寸的球或具有其它形状的颗粒配合装入那些微井中，那些球或颗粒的尺寸应比所对应的那些微井的口径要稍大，这样那些球或颗粒才不至于掉进那些微井里，如图4-1所示，球的直径D3f大于微井的直径队，球或颗粒的超过整个球或颗粒尺寸一半的上部分将会暴露于平板根基上表面之上，这样便形成了球阵列或颗粒阵列，每个球或颗粒的位置由其装入的井的位置所决定。最后在这些球或颗粒之间的区域在平板根基的上表面上形成一层聚合物凝胶材料作为低刚度区域18，这层聚合物凝胶材料的杨氏模量和厚度由基底用户根据自己的需要决定，这样便制成了具有预期刚度图形的基底。在这个基底中，球或颗粒阵列是所形成的刚度图形中的高刚度区域，球或颗粒之间的聚合物凝胶材料是所形成的刚度图形中的低刚度区域。图4-1示出了一个细胞生长在两个相邻球之间并扩展至与这两个相邻球吸附上的剖面图，我们说这个细胞生长在由这两个球和它们之间的凝胶材料所形成的刚度图形之中。图4-2是一个细胞生长在三个相邻球之间并扩展至与这三个相邻球吸附上的俯视图，我们说这个细胞生长在由这三个球和它们之间的凝胶材料所形成的刚度图形之中。图4-3是一个细胞生长在四个相邻球之间并扩展至与这四个相邻球吸附上的俯视图，我们说这个细胞生 长在由这四个球和它们之间的凝胶材料所形成的刚度图形之中。图4-4是两个细胞分别生长在两个球体之上，我们说这两个细胞生长在由这个两球组成的刚度图形之中，球体不是唯一的形状，可根据用户需要选用具有任何其它几何形状的颗粒或物体，以研究细胞和组织对基底表面曲率的机械(或)力生物响应。这里的(以致整个本专利所用的)球体或颗粒可以用市场上已有的(商用的)从大约小于一纳米到大约100毫米之间的球体或颗粒。同时，这里的球体或颗粒的材料可硬可软，也就是，这里的球体或颗粒可以由具有任何刚度的材料构成，不一定要比图中所用的那层聚合物凝胶材料软。图4-5示出了一个细胞或一片组织同时生长在一个球体或颗粒及其紧邻的材料上的主视剖视图。图4-6示出了一个细胞或一片组织同时生长在两个紧邻球体或颗粒及它们紧邻的材料上的主视剖视图。图4-7示出了一个细胞或一片组织同时生长在三个紧邻球体或颗粒及它们紧邻的材料上的俯视图。图4-8示出了一个细胞或一片组织同时生长在四个紧邻球体或颗粒及它们紧邻的材料上的俯视图。实施例五:参见图5。图5不出了另一种具有微纳米尺度刚度图形的基底，本实施例的基底42用微纳米复合材料制成。在这个实现方案中，硬的高刚度材料以颗粒44的形式出现。在微纳米尺度上的颗粒44被随机地撒落在然后镶嵌在软的低刚度材料制成的低刚度区域18的表面上以形成刚度图形。颗粒44为高刚度区域，这些颗粒具有随机的形状和大小，也就是说它们可以具有不同的形状和尺寸。利用随机形状的颗粒允许我们可以对细胞和组织对基底42的上表面42A上的各种基底局部弯曲形状和局部刚度的响应进行系统的研究。实施例六:参见图6。图6展示了一个应用微纳米复合材料和工艺形成的具有刚度图形的基底50。在这个实施方式中，硬的高刚度材料区域是在微纳米尺度上的球体52或圆柱体，球体52或圆柱体撒落在然后镶嵌在软的低刚度材料的表面上形成基底50。
实施例七:参见图7。图7展示了另外一种实施方式，在此方案中，低刚度区域58具有弯曲的上表面58A，这不同于上面从图1到图6中所展示的所有实现方案，因为从图1到图6中所展示的方案中的低刚度区域18原则上是平整的，所述第一个区域为高刚度区域，由微纳米尺度的颗粒物组成，所述颗粒物随机的镶嵌在第二个区域中。虽然图7中仍用颗粒44来实现高刚度区域，但是其它形式的高刚度区域实现方式(在这里没有展示)，比如说图1中的柱子或杆子14，图4中的球体，和图6中的球体或圆柱体52，都可以用在图7所示的实现方案中。实施例八:参见图8。图8示出了一种由本发明的核心思想所引申出来的表面具有随机非均匀几何轮廓和随机非均匀刚度分布的可用于细胞和组织培养和研究的基底。此基底的表面由在一层材料62的上表面62A上加工出微纳米数量级上的随机刻痕66来形成，材料62可以具有任何刚度值。图8所示基底还可以进一步包括由上面所介绍到的任何形式，比如说图1中的柱子或杆子14，图4中的球体， 图5中的颗粒44，和图6中的球体或圆柱体52，来实现的高刚度区域。所以，上面所介绍的本发明的实现方案描述了一系列表面具有不同的局部几何形状和局部刚度性质的基底。本发明允许加工制作变化广泛的表面刚度图形和曲率图形。在图1到图6和图8的实现方案中，基底的平面度(或平整性)由经各种半导体材料和微纳米机电系统加工工艺加工出来的根基11、柱子14、微井、和悬空框架40的良好平面度以及凝胶溶液极好的流变性质所保证。在另一个实施方式中，高刚度的颗粒可以根据所期望的高刚度区域图形被放入低刚度的材料中的指定位置，而不是像在图5到图7中所示的随机分布这些高刚度的颗粒。就像至此我们已经明白的，本发明的结构可以被用于有益地机械地操控一个细胞生长的生物方向。控制这个生长方向和过程可以允许我们对正常(健康)和非正常(病态)的细胞和组织的生长过程进行仔细的研究。虽然上面所介绍的本发明的各种各样的实现方案是以将本发明应用于对细胞和组织的培养为动机或目的方式进行介绍的，但是本发明的思想和所介绍的基底可以被用于任何想要表面具有不同的局部刚度数值和不同的局部几何形状的表面、界面、和微纳米复合材料与结构的情形或应用。虽然本发明仅仅示出了一些优选的实施方式，但是很明显本领域技术人员在阅读完和理解本专利的文字描述和附图后会产出这些优选实施方式的改变或升级版本和等同的其它实现方案。具体地，关于上面所描述到的本专利的各种元素和功能，用于描述这些元素和功能的术语是为了与执行指定功能(也就是功能等同)的任何元素或功能通讯(除非另外指明)，即使与本专利所公开的执行在可效仿的实现方案中所展示的功能的结构在结构上不等同。另外，虽然本发明的某一个特征针对于某一个实现方案来说可能已经公开，但是这个特征可以和其它实现方案中的一个或多个特征联合，这对一个任何给定的或特定的应用来说可能是想要的并有益的。本发明的实施例公布的是较佳的实施例，但并不局限于此，本领域的普通技术人员，极易根据上述实施例，领会本发明的精神，并做出不同的引申和变化，但只要不脱离本发明的精神，都在本发明的 保护范围内。
权利要求
1.一种用于细胞和组织培养的具有微纳米尺度刚度图形和曲率图形的基底，其特征在于，包含以下几个部分:一个根基；置于所述根基之上的具有第一刚度值的第一个区域，所述第一个区域由大量的分区组成；置于根基之上的具有第二刚度值的第二个区域，所述第二个区域由大量的分区组成，所述第二刚度值不同于第一刚度值； 第一个区域的一个或多个分区的一部分和第二个区域的一个或多个部分区域的一部分是这个基底的上表面或上表面的一部分。
2.根据权利要求1所述的基底，其特征在于:所述基底的上表面作为第一、第二区域和细胞的界面，即细胞位于所述基底的上表面之上。
3.根据权利要求1所述的基底，其特征在于:所述第二个区域的分区布置在第一个区域的相邻两个分区之间的空间中。
4.根据权利要求1所述的基底，其特征在于:所述基底中的第二个区域包含一个与根基相接触的材料层，所述第一个区域的各个分区的外表面镶嵌于所述材料层的外表面之中。
5.根据权利要求1所述的基底，其特征在于:还包含具有第三刚度值的第一个区域，所述第三刚度值与第一个刚度值和第二个刚度值都不相同。
6.根据权利要求1所述的基底，其特征在于:所述第一个区域中的每个分区的尺寸在大于等于一纳米到小于等于一毫米的范围内，所述第二个区域中的每个分区的尺寸在大于等于一纳米到小于等于一毫米的范围内。
7.根据权利要求1所述的基底，其特征在于:所述第一刚度值大于第二刚度值。
8.根据权利要求1所述的基底，其特征在于:所述第一个区域的每个分区包含有一个或多个从根基上表面垂直向上地延伸出来的柱子、非规则形状的颗粒、球体、以及轴线与根基上表面垂直的圆柱体。
9.根据权利要求8所述的基底，其特征在于:所述柱子具有圆形、椭圆形、或多边形的横截面。
10.根据权利要求1所述的基底，其特征在于:所述基底中根基的上表面设有位于根基上表面之下的微井阵列，所述微井阵列的各微井中填充有具有第二刚度值的材料，所述根基上表面构成具有高刚度值的高刚度区域，所述微井阵列中的填充区构成具有低刚度值的低刚度区域。
11.根据权利要9所述的基底，其特征在于:所述微井阵列中的各个井具有圆形、椭圆形、或多边形的形状。
12.根据权利要求9所述的基底，其特征在于:微井阵列中的每一个井有不同的开口面积和井深。
13.根据权利要求1所述的基底，其特征在于:所述基底中的第一个区域包含一个镂空框架，所述镂空框架包括边界和框壁，所述框壁垂直于边界，所述边界将框壁框住并由框壁和边界形成彼此隔开的一个个格子状的镂空区域，采用填充物将镂空区域填充，所述镂空框架为高刚度区域，所述填充区为低刚度区域。
14.根据权利要求13所述的基底，其特征在于:所述基底中的格子状的镂空区域中的每一个区域具有多边形、圆形、或椭圆形的断面形状。
15.根据权利要求13所述的基底，其特征在于:所述基底中的格子状的镂空区域中的每一个区域具有不同的横截面积。
16.根据权利要求1所述的基底，其特征在于:所述基底的上表面包含一个平面或一个曲面或多个曲面。
17.根据权利要求16所述的基底，其特征在于:所述根基的上表面加工有微井阵列，所述微井阵列的每一个井中装有一个球体或者其他任何几何形状的颗粒，所述球体或几何颗粒的尺寸大于对应的井的尺寸，所述球体或颗粒构成第一个区域，所述各球体或颗粒之间设有填充物，所述填充物具有第二刚度值，所述填充物构成的填充区为第二个区域。
18.根据权利要求16所述的基底，其特征在于:所述第一个区域为高刚度区域，由微纳米尺度的颗粒物组成，所述颗粒物随机的镶嵌在第二个区域中，所述第二个区域为软的低刚度区域。
19.根据权利要求16所述的基底，其特征在于:所述第一个区域为高刚度区域，为微纳米尺度的球体或圆柱体，所述球体或圆柱体随机的镶嵌在第二个区域中，所述第二个区域为软的低刚度区域。
20.根据权利要求16所述的基底，其特征在于:所述第一个区域为高刚度区域，由微纳米尺度的颗粒物组成，所述颗粒物随机的镶嵌在第二个区域中，所述第二个区域为软的低刚度区域，所述第二个区域具有弯曲的上表面。
21.一种用于细胞和组织培养的具有微纳米尺度刚度图形和曲率图形的基底，其特征在于，包括如下部分:一个根基； 置于所述根基之上的具有第一刚度值的第一个区域；所述第一个区域的上表面上包含有刻痕，所述刻痕的数量级在微纳米尺度。
22.根据权利要求21所述的基底，其特征在于:还包括具有第二刚度值的第二个区域，所述第二个区域包含有一个或多个从根基上表面垂直向上地延伸出来的柱子、非规则形状的颗粒、球体、以及轴线与根基上表面垂直的圆柱体，所述第一刚度值小于第二刚度值。
23.制作基底的方法，其特征在于，包含以下步骤:准备好一个根基； 在根基的上表面上形成多个高刚度区域； 在各高刚度区域之间形成低刚度区域。
24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于:在各个高刚度区域之间填充具有低刚度的材料，形成低刚度区域。
25.根据权利要求23或权利要求24所述的方法，其特征在于:所述高刚度区域从根基的上表面上延伸出来，将根基和高刚度区域部分浸入一个低刚度材料中然后再将根基和高刚度区域部分从这个低刚度材料中拿出来，各高刚度区域之间的低刚度材料形成低刚度区域。
26.根据权利要求23所述的方法，其特征在于: 所述高刚度区域的设置方法为，在所述根基的上表面设置位于根基上表面之下的微井阵列； 所述低刚度区域的设置方法为，向所述微井阵列的各微井中填充有具有低刚度值的材料，形成低刚度区域。
27.根据权利要求26所述的方法，其特征在于:将所述高刚度区域浸入一个低刚度材料中，然后再将根基和高刚度区域部分从这个低刚度材料中拿出来，各高刚度区域之间的低刚度材料形成低刚度区域。
28.根据权利要求23所述的方法，其特征在于:所述高刚度区域的设置方法为，设置一个由高刚度材料制成的镂空框架，所述镂空框架包括边界和框壁，所述框壁垂直于边界，所述边界将框壁框住并由框壁和边界形成彼此隔开的一个个格子状的镂空区域； 向所述镂空区域中填充低刚度材料，形成低刚度区域。
29.根据权利要求28所述的方法，其特征在于:将所述高刚度区域的镂空框架浸入一个低刚度材料中，然后再将根基和高刚度区域部分从这个低刚度材料中拿出来，各高刚度区域之间的低刚度材料形成低 刚度区域。
全文摘要
本发明涉及一种用于细胞和组织培养的具有微纳米尺度刚度图形和曲率图形的基底，包含一个根基；置于根基之上的具有第一刚度值的第一个区域，第一个区域由大量的分区组成；置于根基之上的具有第二刚度值的第二个区域，第二个区域由大量的分区组成，第二刚度值不同于第一刚度值；第一个区域的一个或多个分区的一部分和第二个区域的一个或多个部分区域的一部分是这个基底的上表面或上表面的一部分。还公开了制作本基底的方法；准备好一个根基；在根基的上表面上形成多个高刚度区域；在各高刚度区域之间形成低刚度区域。本发明公开了一种非常简单的基底，以及制作本基底的方法，对于研究细胞对于基底信息的集成等研究意义重大。
文档编号C12M3/04GK103224883SQ201310087678
公开日2013年7月31日 申请日期2013年3月19日 优先权日2012年3月21日
发明者杨生元 申请人:杨生元