一种低剪切力微流控芯片及其制备方法与应用

本发明属于微生物培养设备制造，具体涉及一种低剪切力微流控芯片及其制备方法与应用。

背景技术：

1、抗菌药物在治疗感染性疾病、防治动物疫病以及保障公共卫生安全中发挥着其他药物不可替代的作用。为方便对抗菌药物进行研究，研究者们设计出多种抗菌药物药敏性方法。传统抗菌药物药敏实验主要包括全基因测序、质谱法、pcr、肉汤稀释法、纸片扩散法和e-实验等这些方法一直被广泛使用；但是它们都有各自的不足，比如e-实验、纸片扩散法等需要肉眼观察菌落的形成或者用直尺测量抑菌圈的大小从而判断药物的抑菌效果，难免会造成一定的误差，且这些实验方法涉及繁琐的手工操作，非常耗时，通常在24到48小时之间，同时它们的工作量大，成本高，无论用于理论研究还是临床用药，都是一种无形的浪费。此外，当全基因检测接近检测极限时，继续提高测序深度反而可能会引入低频率的假阳性突变。同时，随着耐药病原体的增多和耐药机制的变异，传统药敏试验逐渐无法满足临床快速诊治的需求。因此，开发微型化，集成化，智能化和在线监测的生物传感器变得更加重要。

2、近年来，利用微流控芯片对细菌进行培养和药敏试验是当今新兴研究方向。微流控技术已被广泛应用于生物学领域，其具有体积小、自动化、高通量和精确的流体控制等特点。微流体中最常用的材料是聚二甲基硅氧烷(pdms)，其优点是易于微加工和成本低廉，表面具有良好的生物相容性。此外，pdms还具有高弹性和透气性的特性，这对密封微通道中的细胞长期培养至关重要。与传统的培养皿相比，pdms芯片能够提供更加可控的微环境，因此在细菌培养方面具有广泛的应用前景。使用pdms芯片进行实验可以明显地缩短检测时间，并且能够实时地采用显微镜检测药物的抑菌作用。此外，pdms芯片具有良好的封闭性能，在进行前期的保护工作后，可以避免杂菌污染。细菌培养室连接细菌与相邻的微通道，连续供应营养并去除代谢物，以实现细菌在芯片中的长期动态培养。长期动态培养不仅能够让细菌进入培养室后适应动态的生存条件，更好地模拟体内肠道环境，还可以让更多的药物与细菌接触，从而更真实地反映药物的实际抑菌作用。这些优势推动了各种用于细菌测试的微流控芯片的开发，以完成抗菌药物敏感性试验(ast)和耐药菌株耐药反应的研究。zhang等利用梯度微流控芯片和maldi-tof质谱技术，探究了超广谱β-内酰胺酶大肠杆菌等耐药细菌在氨苄青霉素和头孢曲松钠作用下成丝状变化的过程。zhang等开发了一种基于3d打印技术的新型微流控芯片，用于检测大肠杆菌对临床代表性抗生素氨苄西林、氯霉素和卡那霉素的抗敏性，该芯片能够在5小时内快速实现药敏试验，进一步证明了微流控芯片在细菌ast方面的应用前景。然而，这些研究操作均没有进行灌注细菌后的长期动态培养，无法体现出细菌进入培养室后的生存状态。同时，也无法反映出后续细菌与药物作用的真实情况。此外，在长期动态培养过程中，细菌会承受一定的流体剪切力，导致细菌流失或受损。因此，构建低剪切力的细菌培养环境非常重要，而有关研究却鲜有报道。

3、因此，如何提供一种低剪切力微流控芯片及其制备方法与应用，构建低剪切力的细菌培养环境是亟需解决的一个问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种低剪切力微流控芯片及其制备方法与应用，通过制备基于涡旋流的低剪切力微流控芯片，用于高效捕获细菌，该芯片采用了独特的微柱结构，实现了更高效的细菌捕获，并最大限度地减少了剪切力对微室中细菌生长的影响。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种低剪切力微流控芯片，所述微流控芯片的微通道设有至少1个微室，所述微室两侧各设有1个微柱结构；

4、其中，所述微柱结构为倒u型。

5、本发明通过采用独特结构的惯性微流控芯片可以有效降低流体/细胞操控对流量的依赖性，优化了微流控装置用于评估绿原酸的抑菌作用。本发明提出了一种基于涡旋流的低剪切力微流控芯片，用于高效捕获细菌，该芯片采用了独特的微柱结构，实现了更高效的细菌捕获，并最大限度地减少了剪切力对微室中细菌生长的影响。同时，通过控制流速，可以对转导gfp的大肠杆菌tac-iegfp进行数小时动态培养，同时可以进行绿原酸的抑菌作用研究。

6、优选的，所述微柱结构的顶部与所述微通道顶部之间的宽度和所述微通道宽度的比为1:10。

7、优选的，所述微柱结构的顶部与所述微通道顶部之间的宽度和所述微通道宽度的比为20-100μm:200-1000μm。

8、优选的，所述微柱结构的宽度和所述微通道宽度的比为200μm:500μm。

9、优选的，所述微柱结构的顶部与所述微通道顶部之间的宽度和所述微通道宽度的比为50μm:500μm。

10、优选的，所述微室分为入口区和培养区；

11、其中，所述入口区的入口为方形，且内部设有十字形遮挡板。

12、优选的，所述十字形遮挡板的宽度小于所述方形各边的宽度。

13、优选的，所述培养区近圆形的正多边形结构，直径为300-800μm。

14、优选的，所述微流控芯片设有两个进料口和两个出料口，其中，所述进料口的管道中设有过滤柱。

15、优选的，所述微柱结构和所述微通道的宽度比为1:10，所述微柱结构之间的距离和所述微通道宽度的比例为1:2。

16、优选的，所述微柱结构之间的距离为100-500μm。

17、优选的，所述微流控芯片的厚度为20-200μm。

18、优选的，还包括细菌导出结构。

19、上述所述一种低剪切力微流控芯片的制备方法，具体包括以下步骤：

20、(1)模具加工：取阴性光刻甩涂硅片后，依次进行前烘、曝光、后烘以及显影得到模具，备用；

21、(2)称取聚二甲基硅氧烷预聚物和固化剂混匀后，放在所述模具上，加热固化；

22、(3)将固化好的所述模具切割、打孔后，放置在玻璃载玻片上，烘烤即可。

23、如上述所述的低剪切力微流控芯片在细菌培养中的应用。

24、如上述所述的低剪切力微流控芯片在抑菌作用实验中的应用。

25、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

26、本发明提供了一种低剪切力微流控芯片及其制备方法与应用，通过制备基于涡旋流的低剪切力微流控芯片，用于高效捕获细菌，该芯片采用了独特的微柱结构，实现了更高效的细菌捕获，并最大限度地减少了剪切力对微室中细菌生长的影响。

技术特征：

1.一种低剪切力微流控芯片，其特征在于，所述微流控芯片的微通道设有至少1个微室，所述微室两侧各设有1个微柱结构；

2.根据权利要求1所述的一种低剪切力微流控芯片，其特征在于，所述微柱结构的顶部与所述微通道顶部之间的宽度和所述微通道宽度的比为1:10。

3.根据权利要求1所述的一种低剪切力微流控芯片，其特征在于，所述微室分为入口区和培养区；

4.根据权利要求3所述的一种低剪切力微流控芯片，其特征在于，所述十字形遮挡板的宽度小于所述方形各边的宽度。

5.根据权利要求1所述的一种低剪切力微流控芯片，其特征在于，所述培养区近圆形的正多边形结构。

6.根据权利要求1所述的一种低剪切力微流控芯片，其特征在于，所述微流控芯片设有两个进料口和两个出料口，其中，所述进料口的管道中设有过滤柱。

7.根据权利要求1所述的一种低剪切力微流控芯片，其特征在于，所述微柱结构之间的距离和所述微通道宽度的比例为1:2。

8.如权利要求1-7任一项所述一种低剪切力微流控芯片的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

9.如权利要求1-7任一项所述的低剪切力微流控芯片在细菌培养中的应用。

10.如权利要求1-7任一项所述的低剪切力微流控芯片在抑菌作用实验中的应用。

技术总结
本发明公开了一种低剪切力微流控芯片，所述微流控芯片的微通道设有至少1个微室，所述微室两侧各设有1个微柱结构；其中，所述微柱结构为倒U型；所述微室分为入口区和培养区；其中，所述入口区为方形，且内部设有十字形遮挡板。本发明通过制备基于涡旋流的低剪切力微流控芯片，用于高效捕获细菌，该芯片采用了独特的微柱结构，实现了更高效的细菌捕获，并最大限度地减少了剪切力对微室中细菌生长的影响。

技术研发人员：申少斐,刘亚君,张雅丽,王雪靓,李毅,牛颜冰
受保护的技术使用者：山西农业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13