一种具有自放大功能的微流控细胞培养芯片的制作方法

本发明属于细胞培养芯片，涉及一种具有自放大功能的微流控细胞培养芯片，其芯片本身具有自放大功能。

背景技术：

传统细胞培养主要是在培养皿、培养瓶、培养板等装置中进行进行细胞培养。传统细胞培养过程不仅操作繁琐复杂，而且耗费时间、浪费试剂、成本高昂，传统细胞培养方法的培养空间相对与细胞而言过于庞大，难以定量控制相关参数，不能准确地模拟细胞生存状况，从而降低了细胞研究的可靠性。

目前，使用微流控芯片广泛应用于生物学和医学研究领域。微流控芯片具有高通量、低成本、高精度、速度快的特点，同时pdms与生物系细胞具有良好的兼容性，能够维持细胞的长期培养，并且其结构设计灵活，规模集成的特点，大大提高了工作效率，为细胞培养药物药物筛选提供了良好平台。但目前现有的微流控芯片在完成芯片制作后进行完整性检测时，存在的缺陷大多数都需要使用显微镜才能发现，在实验室小批量生产还可以忍受，在工厂大规模生产这将会是致命的，所以让芯片具有自放大功能，可以不需要显微镜或者使用更加简陋的设备，直接观测到芯片内部结构是十分必要且迫切的。此外，在芯片使用阶段，也需要使用显微镜进行观测，而若芯片具有足够的自放大能力，可直接看到芯片内细胞的培养情况，摆脱对显微镜等设备的依赖，简化实验环境，将更加有利于实验观测，对于大量的药物筛选试验意义深远。

技术实现要素：

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种具有自放大功能的微流控细胞培养芯片，简化芯片制作完成后的检测过程和便于后续使用观测。

技术方案

一种具有自放大功能的微流控细胞培养芯片，其特征在于包括微透镜1和细胞捕获培养结构2；微透镜1采用两层pdms结构，分别是芯片底层1-1和芯片上层1-2，芯片上层1-2的中部为平凸的透镜结构1-3，细胞捕获培养结构2位于芯片底层1-1和芯片上层1-2之间，以芯片底层1-1为衬底；所述细胞捕获培养结构2所述包括进液入口2-1、进液通道2-2、进液缓冲结构2-3、细胞培养腔2-4、细胞阻拦捕获结构2-5、废液通道2-6和废液出口2-7；进液入口2-1通过进液通道2-2和进液缓冲结构2-3连接细胞培养腔2-4，细胞培养腔2-4通过多个通道构成的细胞阻拦捕获结构2-5连接废液通道2-6和废液出口2-7；所述平凸的透镜结构1-3下方为细胞培养腔2-4；所述进液入口2-1和废液出口2-7与芯片上层1-2连通；所述进液缓冲结构2-3的截面大于进液通道2-2；所述细胞阻拦捕获结构2-5的多个通道宽50um，高10um。

所述顶部透镜结构1-3的平凸透镜，满足1/f＝(n-1)/r、1/f＝1/u+1/v，其中f为透镜焦距、n为透镜折射率、r为透镜曲面半径、u为物距即为芯片上层1-2厚度、v为像距。

所述物距u大于f并且小于2f。

所述进液通道2-2由宽50um的通道构成；所述进液缓冲结构2-3由长宽各100um的通道构成。

所述细胞培养腔2-4由直径400um的圆柱腔体构成。

所述细胞阻拦捕获结构2-5的多个通道为五个。

有益效果

本发明提出的一种具有自放大功能的微流控细胞培养芯片，微流控芯片通过阻拦捕获结构将细胞留在培养腔中进行培养，整体结构非常简单易于实现。为了实现自放大，在核心结构培养腔与阻拦捕获结构正上方构建平凸透镜，透镜焦距与芯片厚度匹配，以便为后续芯片自测与培养阶段观测提供正常放大能力。

本发明的有益效果是：使用简单的细胞过滤阻拦结构，捕获细胞实现细胞的灌流培养，并且在细胞培养结构上方构建透镜结构，使微流控芯片本身具有一定的放大能力，在芯片制作完成后，可以直接看清结构细节更加快速便捷的完成芯片检测，在使用阶段也可以直接观测到细胞本身，简化实验环境，将更加有利于实验观测。

附图说明

图1是本发明微流控芯片整体结构示意图

图2是本发明微流控芯片细胞培养结构示意图

图3是本发明微流控芯片自放大原理示意图

图中，1-1-芯片底层；1-2-芯片上层；1-3-顶部透镜结构；2-1-进液入口；2-2-进液通道；2-3-进液缓冲结构；2-4-细胞培养腔；2-5-细胞阻拦捕获结构；2-6-废液通道；2-7-废液出口；r-透镜结构曲面曲率半径；f-透镜结构焦距；n-透镜结构材料pdms折射率；h-顶层芯片厚度。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种具有自放大功能的微流控细胞培养芯片，其特点是在细胞捕获培养结构正上方制作微透镜，采用两层pdms结构，分别是芯片底层1-1、芯片上层1-2和顶部透镜结构1-3。其中，所有的细胞捕获培养结构均在芯片上层1-2，芯片底层1-1仅作衬底使用。细胞培养结构包括进液入口2-1、进液通道2-2、进液缓冲结构2-3、细胞培养腔2-4、细胞阻拦捕获结构2-5、废液通道2-6和废液出口2-7。所述进液通道2-2由宽50um的通道构成；所述进液缓冲结构2-3由长宽各100um的通道构成；所述细胞培养腔2-4由直径400um的圆柱腔体构成；细胞阻拦捕获结构2-5由5个宽50um间隔25um的通道构成；所述进废液通道2-6由长宽各130um的通道构成；所述结构除细胞阻拦捕获结构2-5高度为10um,其余均为50um；所述进液入口2-1和废液出口2-7的直径为1000um。

所述的顶部透镜结构1-3和芯片上层1-2是一个整体，其实质是一个平凸透镜，满足1/f＝(n-1)/r、1/f＝1/u+1/v,其中f为透镜焦距、n为透镜折射率、r为透镜曲面半径、u为物距、v为像距。所述的芯片上层1-2厚度h即为物距u，应该大于f并且小于2f，具体数值根据放大倍数确定。

具体结构和尺寸如下：

本发明用于生物细胞培养的微流控芯片包含细胞灌流培养和透镜自放大两部分。细胞灌流培养结构包含直径1000um的进液入口2-1和废液出口2-7、宽50um高50um的进液通道2-2、长100um宽100um高50um的进液缓冲结构2-3、高50um直径400um的细胞培养腔2-4、5个并列的间距25um的宽50um高10um的细胞阻拦捕获结构2-5、宽130um高50um的废液通道2-6。

以上层芯片1-2厚度为10mm,明视距离25cm为例，根据1/f＝1/u+1/v、物距u＝10mm和像距v＝25cm，可得到透镜焦距f≈10mm。在根据1/f＝(n-1)/r、pdms折射率大约1.4，可知透镜曲率半径r＝4mm。明视放大倍数约为25cm/f＝25倍。

芯片结构尺寸在几十上百微米，在明视25倍放大条件下，最小尺寸25um，其可视尺寸为625um,完全可以不借用任何仪器设备观测到。动物细胞的直径一般在20～30um,25倍放大后有0.5mm之多，裸眼观测没有任何障碍。

本发明微流控芯片的工作过程如下：(1)从进液入口2-1缓慢注入细胞悬液，充满整个通道，因细胞直径一般大于10um，细胞阻拦捕获结构2-5将细胞截留至细胞培养腔2-4中，其余液体从废液出口2-7排出。(2)从进液入口2-1较快注入细胞培养液进行灌流培养，速度由注入细胞悬液的速度缓慢提升至较快速度，灌流速度加快可以将进液通道2-2中遗留的细胞冲刷至细胞培养腔2-4中，也能有效防止细胞逆灌流方向增殖堵塞进液通道2-2，因存在进液缓冲结构2-3细胞培养腔2-4中灌流速度远小于进液通道2-2的灌流速度，得以确保细胞培养腔2-4中细胞不至于因流体剪切力损坏，实现细胞的灌流培养。