一种基于微流控芯片的线性浓度梯度微液滴封装装置及方法

本发明涉及微流控芯片，具体而言，尤其涉及一种基于微流控芯片的线性浓度梯度微液滴封装装置及方法。

背景技术：

1、微流控芯片指的是把化学和生物等领域中所涉及的样品制备、反应、分离、检测，或者细胞培养、分选、裂解、分析等基本操作单元集成或基本集成到一块几平方厘米(甚至更小)的芯片上，由微通道形成网络，以可控流体贯穿整个系统，用以实现常规化学、生物、医学等不同类型实验功能的一种技术。微流控芯片技术能够在微米级的通道内完成精确的液体控制，近年来被普遍应用于生物化学分析领域，浓度梯度微流控芯片和液滴微流控芯片是微流控技术的两个主流研究方向。

2、浓度梯度微流控芯片是一种能够快速构建稳定浓度梯度的工具，经典的“圣诞树模型”芯片基于低雷诺数条件下层流扩散混合的原理，它的主要优势在于能够通过灵活的通道网络设计形成不同形状的浓度梯度，适应不同需求，且能够维持浓度梯度的稳定，广泛应用于高通量药物筛选、化学毒性分析、细胞趋化性研究和材料合成等领域。

3、液滴微流控芯片是指利用不同的微通道结构使互不相容的分散相和连续相流体在通道连接处相遇，通过调节通道结构、两相流速大小及流速比，可以在通道连接处下游生成大小可控的液滴，并对其进行操控的技术。基于微流控技术生成的微液滴具有单分散性好、高通量、无交叉污染、可重复性高等优点，在微流控技术的应用中发挥着极其重要的作用。

4、细胞是生物体结构、功能及生命活动的基本单元，细胞研究对于认识疾病的诱因、探索疾病发展规律以及研发相关治疗药物等方面具有重要意义。细胞培养指的是从体内组织取出细胞膜，模拟体内的生存环境，使其生长繁殖并维持细胞结构和功能的一种培养技术。由于细胞的培养是在体外进行的，而在体外进行细胞培养需要保证以下条件：(1)无菌操作。处于体外的细胞比较敏感，易受细菌等感染，进行培养操作时需要保证无菌环境；(2)适宜的细胞培养条件。不同细胞的生长繁殖需要不同的营养物质，还要为细胞提供适宜的温度、酸碱度及相对湿度等条件。

5、传统的细胞培养方式有贴壁培养、悬浮培养、固定化培养等，尽管传统的细胞培养手段已经较为成熟，但在获取细胞信息时依旧需要大量器皿进行重复的细胞培养操作，其操作步骤复杂，试剂消耗量大，尤其对于一些珍贵试剂及其不利。更重要的是，相比较生物体内复杂的微环境与细胞的微尺寸，传统方法客观上难以真实反映生理状态下细胞的生物学特征。

技术实现思路

1、根据上述提出的技术问题，提供一种基于微流控芯片的线性浓度梯度微液滴封装装置及方法。本发明装置可以同时生成一系列线性浓度梯度的细胞培养液微液滴，用做细胞生活的微环境。

2、本发明采用的技术手段如下：

3、一种基于微流控芯片的线性浓度梯度微液滴封装装置，可以同时产生六种线性浓度梯度的细胞培养液，包括：浓度梯度微流控芯片、液滴微流控芯片和玻璃基底层，其中：所述浓度梯度微流控芯片和所述液滴微流控芯片进行键和，二者之间通过微通道连通；之后将键合的浓度梯度微流控芯片和液滴微流控芯片与玻璃基底层键合，形成完整的微流控系统；

4、所述浓度梯度微流控芯片生成一系列线性浓度梯度的细胞培养液，与所述液滴微流控芯片键合后，将细胞封装在培养液微液滴中，使得微液滴成为一个培养皿。

5、进一步地，所述浓度梯度微流控芯片采用圣诞树型结构，包括入口、出口以及连通入口和出口的混合通道，其中：

6、所述入口包括第一培养液入口和第二培养液入口，分别用于注射100％浓度和0浓度的培养液；

7、所述出口包括第一培养液出口、第二培养液出口、第三培养液出口、第四培养液出口、第五培养液出口以及第六培养液出口，分别用于流出100％浓度、80％浓度、60％浓度、40％浓度、20％浓度以及0浓度的培养液；

8、所述混合通道采用蛇形结构，用于在相同面积的情况下增加通道长度，延长混合时间，提高培养液的浓度精确度。

9、进一步地，所述入口的培养液浓度能够根据需求更换，所述出口的数量能够根据需求增加或减少。

10、进一步地，所述第一培养液入口和第二培养液入口分别连接装有100％浓度细胞培养液和0浓度细胞培养液的注射器。

11、进一步地，所述液滴微流控芯片包括分散相培养液入口、连续相矿物油入口、液滴生成十字结构以及微液滴出口，其中：

12、所述分散相培养液入口包括第一分散相培养液入口、第二分散相培养液入口、第三分散相培养液入口、第四分散相培养液入口、第五分散相培养液入口以及第六分散相培养液入口，分别用于注射100％浓度、80％浓度、60％浓度、40％浓度、20％浓度以及0浓度的培养液；

13、所述连续相矿物油入口包括第一连续相矿物油入口、第二连续相矿物油入口、第三连续相矿物油入口、第四连续相矿物油入口、第五连续相矿物油入口以及第六连续相矿物油入口，分别用于注射矿物油；

14、所述液滴生成十字结构利用流动聚焦法生成微液滴；

15、所述微液滴出口包括第一微液滴出口、第二微液滴出口、第三微液滴出口、第四微液滴出口、第五微液滴出口以及第六微液滴出口，分别用于收集生成的微液滴，出口分别连接有导管。

16、进一步地，所述分散相培养液入口的培养液浓度能够根据需求更换，数量与浓度梯度微流控芯片的出口数量相同，所述微液滴出口的数量能够根据需求增加或减少。进一步地，所述浓度梯度微流控芯片和所述液滴微流控芯片的制作材料均为聚二甲基硅氧烷，所述玻璃基底层的制作材料为玻璃板。

17、本发明还提供了一种基于微流控芯片的线性浓度梯度微液滴封装方法，基于上述线性浓度梯度微液滴封装装置实现，包括：

18、s1、在第一培养液入口处连接装有100％浓度细胞培养液的注射器，在第二培养液入口处连接装有0浓度细胞培养液的注射器，并且两个注射器的培养液中提前放置入细胞；

19、s2、第一培养液入口和第二培养液入口处的注射泵以500μm/s的速度缓慢注入两种浓度的细胞培养液，使细胞培养液在蛇形通道中充分混合，在第一培养液出口、第二培养液出口、第三培养液出口、第四培养液出口、第五培养液出口以及第六培养液出口处分别得到浓度为100％、80％、60％、40％、20％和0的带有细胞的培养液；

20、s3、在第一连续相矿物油入口、第二连续相矿物油入口、第三连续相矿物油入口、第四连续相矿物油入口、第五连续相矿物油入口以及第六连续相矿物油入口处分别缓慢注入矿物油，使矿物油装满液滴微流控芯片；

21、s4、继续缓慢注入矿物油和细胞培养液，矿物油作为连续相，细胞培养液作为分散相，在液滴微流控芯片的液滴生成十字结构处封装成多个微液滴；

22、s5、第一微液滴出口、第二微液滴出口、第三微液滴出口、第四微液滴出口、第五微液滴出口以及第六微液滴出口分别连接导管，收集制备好的微液滴细胞培养液，待后续观察使用。

23、较现有技术相比，本发明具有以下优点：

24、1、本发明提供的基于微流控芯片的线性浓度梯度微液滴封装装置，具有试剂消耗少、成本低廉、操作便捷、易于集成、高通量等优点，在细胞生物学领域具有广泛的应用前景。

25、2、本发明提供的基于微流控芯片的线性浓度梯度微液滴封装装置，其微纳尺度的结构与细胞尺寸相匹配，便于对细胞进行更为精确捕获及操控。

26、3、本发明提供的基于微流控芯片的线性浓度梯度微液滴封装装置，由于其尺寸较小，试剂消耗量低，能够帮助节省资源和制作成本。

27、4、本发明提供的基于微流控芯片的线性浓度梯度微液滴封装装置，其高通量的特性允许其在同一时间内处理多组样品，将两种微流控芯片结合，实现了多功能模块化的集成。

28、基于上述理由本发明可在细胞培养研究等领域广泛推广。