一种智能传感细胞培养芯片及细胞培养分析系统的制作方法

本发明涉及智能传感细胞培养芯片，尤其涉及ipc c12m3领域，更具体的，涉及一种智能传感细胞培养芯片及细胞培养分析系统。

背景技术：

1、细胞培养已广泛应用于生物学、医学的各个领域，而面向具有活性的细胞样品，细胞培养需要特定的生长环境或操作环境，使得细胞生长只能在制定的实验环境中完成，而不能在通用实验室内操作，传统的细胞实验周期长、效率低对细胞实验的连续分析实验结果产生非常大的影响，甚至不能获取真实的实验数据。同时现有的细胞培养、细胞处理转移和分析系统是不能满足复杂或微量的生物细胞及临床等需要在线前处理、无损、溶剂消耗少、分析时效快等分析要求。

2、cn202492524u公开一种单元式细胞培养的微流控芯片，包括一个单元式细胞培养区；其结构特点为单元式细胞培养区中含有一个凹型细胞捕获培养槽；单元式细胞培养区的凹型细胞捕获培养槽分别与四个微通道连接，所述四个微通道分别为：一个细胞输入的微通道，两个细胞培养液或药物输入的微通道，一个细胞培养液或药物输出的微通道。但该发明不能进行智能的细胞培养条件控制管理以及及时获取快速变化的细胞响应信息量。

技术实现思路

1、本发明第一方面提供了一种智能传感细胞培养芯片，所述芯片的结构包括从上到下依次连接的芯片控制板、芯片封接板和细胞基板。

2、优选的，所述芯片封接板与细胞基板密封连接；所述芯片控制板与芯片封接板固定连接。

3、优选的，所述固定连接的方式包括铆钉、螺栓、胶黏、焊接中的一种。

4、优选的，所述芯片控制板包括接口、气/液体输出口和微型陶瓷泵；所述气/液体输出口设置于芯片控制板的底部，所述接口位于芯片控制板水平方向的一侧，所述微型陶瓷泵设置于芯片控制板的内部，所述微型陶瓷泵分别与接口和气/液体输出口连通。

5、优选的，所述芯片控制板还包括位于芯片控制板内部的压力传感器，所述压力传感器设置于接口与微型陶瓷泵之间，用于连通接口与微型陶瓷泵，或者设置于微型陶瓷泵与气/液体输出口之间，用于连通微型陶瓷泵与气/液体输出口。

6、所述压力传感器包括压力传感器入口端、压力探测传感芯片和压力传感器出口端，所述压力探测传感芯片位于中部，两侧分别与压力传感器入口端和压力传感器出口端连接。

7、所述微型陶瓷泵设有多个，所述微型陶瓷泵均包括泵体、陶瓷泵入口端和陶瓷泵出口端，所述泵体分别与陶瓷泵入口端和陶瓷泵出口端连接。

8、优选的，所述微型陶瓷泵的长8mm，宽8mm，高6mm。

9、优选的，所述压力传感器设置于接口与微型陶瓷泵之间，所述压力传感器入口端与接口连通，所述压力传感器出口端与微型陶瓷泵入口端连通，所述微型陶瓷泵出口端与气/液体输出口连通；或者所述压力传感器设置于微型陶瓷泵与气/液体输出口之间，所述接口与陶瓷泵入口端连通，所述陶瓷泵出口端与压力传感器入口端连通，所述压力传感器出口端与气/液体输出口连通。

10、所述芯片封接板上设有取样窗口、气/液体输入口和排气孔；所述取样窗口贯穿于芯片封接板；所述气/液体输入口与气/液体输出口一一对应且相互连接；所述芯片封接板为透明材质。

11、优选的，所述气/液输出口至少设有3个；优选的，所述气/液输出口有3～10个；进一步优选的，所述气/液输出口为7个。

12、优选的，所述气/液输入口至少设有3个；优选的，所述气/液输入口有3～10个；进一步优选的，所述气/液输出口为7个。

13、所述气/液体输出口包括第一气/液体输出口、第二气/液体输出口、第三气/液体输出口、第四气/液体输出口、第五气/液体输出口、第六气/液体输出口、第七气/液体输出口。

14、所述芯片封接板为气/液体连通通路，微型陶瓷泵为微流控芯片培养系统提供气/液体驱动动力，让预装溶质区可以输送到细胞生长区域，并且将流路及细胞生长层区域内溶剂推送到取样区内。细胞培养基板为主要流路系统且具有多路并行相同流路结构，微流控芯片细胞基板上为培养细胞提供多个预装溶质区培养液槽，通过管道将培养液渗透到细胞生长区，且细胞培养区连通到培养废液缓冲区，并通过缓冲区右侧的网状隔膜进行过滤杂质，过滤后的液体流入取样区。

15、所述缓冲区管路的右侧连接网状隔膜，起到过滤杂质的作用。

16、优选的，所述芯片控制板内部还设有芯片控制器，所述芯片控制器具备加热、温度采集、压力采集、流量控制、信号指示功能。

17、所述气/液输入口包括第一气/液体输入口、第二气/液体输入口、第三气/液体输入口、第四气/液体输入口、第五气/液体输入口、第六气/液体输入口和第七气/液体输入口；所述第一气/液体输入口与第一气/液体输出口连接，第二气/液体输入口与第二气/液体输出口连接，第三气/液体输入口与第三气/液体输出口连接，第四气/液体输入口与第四气/液体输出口连接，第五气/液体输入口与第五气/液体输出口连接，第六气/液体输入口与第六气/液体输出口连接，第七气/液体输入口与第七气/液体输出口连接。

18、优选的，所述细胞基板从上到下依次包括腔体层、中间连接层和流路及细胞生长层，所述腔体层与芯片封接板连接，所述中间连接层通过通孔连通腔体层和流路及细胞生长层。

19、优选的，所述腔体层包括预装溶质区、细胞生长区、缓冲区、取样区和混合气体循环区，所述预装溶质区、缓冲区和混合气体循环区均与气/液体输入口连通，所述混合气体循环区与芯片封接板上的排气孔连通。

20、优选的，所述腔体层设有至少一组并行结构，每组并行结构均包括预装溶质区、细胞生长区、缓冲区、取样区和混合气体循环区，能够支持完成细胞培养到取样的全过程。

21、优选的，所述腔体层设有1-8组并行结构。

22、优选的，所述腔体层设有4组并行结构。

23、优选的，所述预装溶质区可以在细胞培养前不加入溶剂，通过微型陶瓷泵驱动溶剂输入，也可以在细胞培养前预先装入溶剂，通过微型陶瓷泵驱动气体输入将预装的溶剂压入细胞培养区。

24、优选的，所述预装溶质区至少设有一个。

25、所述预装溶质区设有一个时，所述气/液输出口至少设有三个，分别与预装溶质区、缓冲区和混合气体循环区连通。

26、优选的，所述预装溶质区有1～10个。

27、进一步优选的，所述预装溶质区为5个。5预装溶质区可以容纳相同或不同的溶质。

28、优选的，所述预装溶质区包括第一预装溶质区、第二预装溶质区、第三预装溶质区、第四预装溶质区、第五预装溶质区。

29、所述预装溶质区设置5个时，所述微型陶瓷泵设有7个，微型陶瓷泵中有5个分别用于驱动液体或气体流入5个预装溶质区；微型陶瓷泵中有1个用于驱动混合气体流入混合气体循环区，用于提供细胞生长所需的气体环境；微型陶瓷泵中还有1个用于驱动液体或气体进入缓冲区，用于使缓冲区内的物质流入取样区。

30、所述中间连接层包括预装溶质区连通孔；细胞生长区连通孔、缓冲区连通孔、取样区连通孔。

31、所述流路及细胞生长层包括预装溶质区管路、生长区管路、缓冲区管路。

32、优选的，所述压力传感器设置于接口与微型陶瓷泵之间，所述压力传感器的个数至少为2个，一个用于监测液体，一个用于监测气体。所述压力传感器设置于微型陶瓷泵与气/液体输出口之间，所述压力传感器的个数至少为3个，与微型陶瓷泵一一对应，分别用于监测预装溶质区、缓冲区和混合气体循环区内所输入介质的压力。

33、优选的，所述压力传感器设置于接口与微型陶瓷泵之间，所述微型陶瓷泵个数为7个，所述压力传感器的个数为2个。

34、进一步优选的，其中一个压力传感器为1个进口，1个出口，作为气体通道，另一个压力传感器为1个进口6个出口，作为气体或液体通道。

35、所述芯片封接板为气/液体连通通路，微型陶瓷泵为微流控芯片培养系统提供气/液体驱动动力，让预装溶质、混合气体以及细胞可以输送到细胞生长区域，并且将流路、细胞生长层区及缓冲区内物质推送到取样区内。细胞培养基板为主要流路系统且具有多路并行相同流路结构，微流控芯片细胞基板上为培养细胞提供多个预装溶质区培养液槽，通过管路将培养液输送至细胞培养区，且管路内液体可渗透到细胞生长区，且细胞培养区连通到缓冲区，并通过缓冲区右侧的网状隔膜进行过滤杂质，过滤后的液体流入取样区。

36、优选的，预装溶质区连通孔包括第一溶质连通孔、预装第二溶质连通孔、预装第三溶质连通孔、预装第四溶质连通孔、预装第五溶质连通孔。

37、所述流路及细胞生长层包括第一预装溶质区管路、第二预装溶质区管路、第三预装溶质区管路、第四预装溶质区管路、第五预装溶质区管路、生长区管路、缓冲区管路。

38、所述预装溶质区连通孔上下两侧分别与预装溶质区和预装溶质区管路连接，所述细胞生长区连通孔上下两侧分别与细胞生长区和生长区管路连接，缓冲区连通孔上下两侧分别与缓冲区和缓冲区管路连接，取样区连通孔上侧与取样区连接。

39、所述预装第一溶质连通孔上下两侧分别与第一预装溶质区和第一预装溶质区管路连接，预装第二溶质连通孔上下两侧分别与第二预装溶质区和第二预装溶质区管路连接，预装第三溶质连通孔上下两侧分别与第三预装溶质区和第三预装溶质区管路连接，预装第四溶质连通孔上下两侧分别与第四预装溶质区和第四预装溶质区管路连接，预装第五溶质连通孔上下两侧分别与第五预装溶质区和第五预装溶质区管路连接，细胞生长区连通孔上下两侧分别与细胞生长区和生长区管路连接，缓冲区连通孔上下两侧分别与缓冲区和缓冲区管路连接，取样区连通孔上侧与取样区连接。

40、所述生长区管路的进口侧包括预装溶质区管路进口；所述生长区管路的出口侧包括预装溶质区管路出口。

41、液体通过生长区管路渗透进入细胞生长区。

42、所述生长区管路的进口侧包括第一预装溶质区管路进口、第二预装溶质区管路进口、第三预装溶质区管路进口、第四预装溶质区管路进口第五预装溶质区管路进口；所述生长区管路的出口侧包括第五预装溶质区管路出口、第二预装溶质区和第三预装溶质区汇总出口、第一预装溶质区和第四预装溶质区汇总出口。

43、经第一预装溶质区管路进口、第二预装溶质区管路进口、第三预装溶质区管路进口、第四预装溶质区管路进口进入细胞生长区的溶剂通过生长区管路渗透进入细胞生长区，经第五预装溶质区管路进口的溶剂直接进入细胞生长区。在具体实施方式中，可以通过第五预装溶质区管路进口通入主要的溶剂。

44、所述第五预装溶质区管路出口进行加宽处理，形成第五预装溶质区转出口，可避免由于细胞死亡等原因导致出口管路堵塞。

45、优选的，所述缓冲区管路还包括网状隔膜，所述网状隔膜用于连接缓冲区管路和取样区。

46、优选的，所述网状隔膜用于过滤细胞和杂质。

47、本发明改变了传统的细胞培养概念，在细胞房或者操作间之外打造一个微型且满足细胞生长环境的超小细胞培养环境，将细胞培养过程所需要的各种条件全部汇总于芯片之上。所述细胞培养芯片由芯片控制板、芯片封接板和细胞基板构成，由外部气体/液体提供到控制器上的微型陶瓷泵输送营养液至细胞培养腔室内，芯片控制器具备加热、温度采集、压力采集、流量控制、信号指示功能，细胞培养微流控芯片本体具有多个预装刺激物质通道，可以根据需要提前装载好需要的刺激细胞的物质(也可在培养过程中输入)或者提前预装细胞到芯片上，由外部气体/液体连接到控制板上，由板上驱动泵输送到细胞培养腔室内，从而驱动腔室内的流体流动，并送至细胞生长空间内，最终到达取样区，使得细胞培养过程可以实现气体、液体精确控制，有效的减少人工操作，提高细胞的操作及时性。同时芯片上设置多个并联的通道，可以同步进行多个细胞培养与实验，有效提高培养效率。

48、本发明第二方面提供了一种细胞培养分析系统，包括智能传感细胞培养芯片、设备控制器、成像模块、取样与前处理模块、样品转移与高压分离模块和检测模块。

49、所述设备控制器用于控制智能传感细胞培养芯片进行气/液供应、压力监测、根据压力情况调整气/液供应情况等各项操作。

50、所述成像模块、取样与前处理模块、样品转移与高压分离模块和检测模块分别与设备控制器通过电路连接。

51、所述成像模块通过透明的芯片封接板实时观察细胞生长区内的细胞变化。

52、所述取样与前处理模块通过取样区与细胞培养芯片连接，进行取样以及前处理。

53、所述样品转移与高压分离模块与取样与前处理模块连接，对样品进行色谱分离。

54、所述检测模块对分离的样品进行检测。

55、具体步骤为：使用取样针从细胞培养芯片的取样窗口在取样区内吸取分析样品并输送到样品转移与高压分离模块进行多级的色谱分离，并将分离后的物质形成多路输出的液体喷雾到检测器完成信号采样，获取分析数据并送至数据处理系统完成数据分析和报告。

56、有益效果

57、1.本发明改变了传统的细胞培养概念，在细胞房或者操作间之外打造一个微型且满足细胞生长环境的超小细胞培养环境，将细胞培养过程所需要的各种条件全部汇总于芯片之上，培养方式一体化，更加简单易行。

58、2.将细胞培养生长完全密封在芯片内部，无需在特定细胞操作间完成，同时在操作简单的基础上可以实现气体、液体精确控制。

59、3.通过芯片控制板和芯片封接板的结构以及连接方式，可高效率地驱动芯片上流体移动，为细胞培养提供精确定量的流体以及气体物质。

60、4.细胞基板特定的结构空间可适应不同的细胞培养方式，同时腔体层为1-8组并行结构，可满足多组细胞同时进行培养。

61、5.在同一并行结构中设置多组预装溶质区管路可满足多通道细胞刺激溶液补充。

62、6.本技术细胞培养分析系统实现细胞培养、细胞成像、进样、样品前处理、分离和检测分析于一体，有效的解决了细胞实验系统的低时效性、延迟体积大、样品加载速度慢、扩散大、自动化程度低的问题。

63、7.本技术细胞培养分析系统实现一个系统中同时获取细胞的表征(连续获取细胞生长图像信息)和生长微环境的理化等多种信息量，使得实验周期大大缩短，有效提高实验的重复性和可靠性。

64、8.设置压力传感器，通过采集气体/流体管路中的压力，保持恒压控制，通过稳定的细胞生长环境。