用于细胞迁移分析实验的微流控液滴芯片装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及的领域为微流控分析领域，特别涉及一种用于细胞迀移分析实验的微流控液滴芯片装置及使用该装置进行细胞迀移实验的方法。
【背景技术】
[0002]细胞迀移与多种生理病理现象息息相关，原癌细胞扩散、免疫细胞的免疫应答、胚胎发育过程等都涉及到细胞迀移，可见细胞迀移是研宄病理、生理学问题的重要内容。传统研宄细胞迀移的方法有划痕法、琼脂糖平板法、Boyden小室等方法，但是传统方法试剂消耗量大，通量低，细胞计数不够精确，往往难以实时观察，并且很难模拟复杂的环境用以研宄多模式较复杂微环境下的细胞迀移。
[0003]微流控技术以其试剂消耗量低、操作灵活、结构多变，可以模拟复杂微环境等优势，近年来在细胞迀移研宄方面得到了较多应用。如Kamm研宄组采用的通道加凝胶的微流控芯片结构，可以在中间的细胞培养室和凝胶中形成物质浓度梯度分布，用于细胞迀移的研宄。利用这一方法该研宄组研宄了内皮细胞的迀移(AdvancedMaterials, 2009，21，4863)、神经突触受刺激后的反应(Lab on a Chip, 2011, 11,497)等，并于2012年(Nature Protocols, 2012, 7, 1247)发表论文系统性说明其方法的具体操作方案，类似这一方法的装置也为很多研宄细胞迀移行为的学者所使用。还有文献报道利用窄细通道研宄单个细胞迀移的性质，并发现迀移速度和比例与细胞密度有关(AngewandteChemie Internat1nal Edit1n, 2014, 53, 2344)。通过在芯片通道内加工微柱阵列，Wong等(Nature Materials, 2014, 13, 1063)研宄了上皮细胞间质转化在恶性肿瘤迀移中的作用。将微流控的集成化优势用于复杂环境多细胞共培养，可以更好地研宄细胞迀移行为，甚至可以模拟脏器环境中的细胞行为(Science，2010, 328，1662)。
[0004]众多微流控系统可以在微通道内形成药物浓度梯度，用于研宄细胞迀移机制、趋化因子的作用、药物筛选等。但是其系统往往带有复杂的液体控制装置，需繁琐的操作，在一块芯片上难以实现高通量的实验。采用基于封闭型微通道设计的微流控芯片还往往存在通道易堵塞，不易灵活操作等问题。如何设计简单灵活的微流控芯片，并具备以上优势是微流控芯片在细胞生物学领域发展的重要目标(Nature, 2014，507，181)。
[0005]液滴微流控技术具有微量、高效、高通量的特点，但目前其在细胞生物学中的应用还处于起步阶段。
【发明内容】
[0006]本发明提供了一种用于细胞迀移分析实验的微流控液滴芯片装置，该装置结合微流控芯片和液滴技术的优势，利用液滴在多孔膜上下表面的相对位置变化，构建灵活的微型细胞实验装置，用于多种细胞迀移模式的研宄，如竞争性细胞迀移、细胞趋化迀移、多细胞共同作用的细胞迀移等。
[0007]本发明还公开了一种利用上述装置进行细胞迀移分析实验的方法，该方法结合微流控芯片和液滴技术的优势，利用液滴在多孔膜上下表面的相对位置变化，构建灵活的微型细胞实验，适用于高通量药物筛选、细胞迀移行为的病理生理学机制的研宄，以及周围细胞或物质对细胞迀移行为的影响的研宄等。
[0008]本发明的具体技术方案如下:
[0009]一种用于细胞迀移分析实验的微流控液滴芯片装置，包括:
[0010]用于承载液滴的多孔膜；
[0011]用于保证多孔膜处于铺展状态的多孔膜支撑组件；
[0012]包围在多孔膜外围用于防止液滴蒸发的防液体蒸发组件。
[0013]本发明的用于细胞迀移实验的微流控液滴芯片装置，主要由多孔膜、多孔膜支撑组件、液滴位置控制组件、防液体蒸发组件组成，使用时一般将整个装置置于透明器皿中。
[0014]本发明即可在多孔膜一侧设置液滴位置控制组件，也可在两侧均设置液滴位置控制组件，需根据实际需要确定。作为优选，所述多孔膜一侧贴覆有第一液滴位置控制组件，该第一液滴位置控制组件上设有通孔阵列。作为进一步优选，所述多孔膜另一侧贴覆有第二液滴位置控制组件，该第二液滴位置控制组件上设有通孔阵列。
[0015]作为进一步优选，所述第一液滴位置控制组件中的通孔与第二液滴位置控制组件中至少一个通孔在多孔膜上的投影部分或全部重叠，投影部分或全部重叠的通孔构成一个液滴链，多个上述液滴链构成液滴链阵列。
[0016]根据本发明，所述的多孔膜固定于多孔膜支撑组件上，多孔膜呈铺展状态。更为有利的是，多孔膜呈平面铺展状态。所述的液滴位置控制组件与多孔膜配合，分别在多孔膜的上表面和下表面形成水相液滴，多孔膜上表面和下表面的液滴之间部分地或全部地通过多孔膜的膜孔相连通。所述的防液体蒸发组件被用来覆盖或包裹多孔膜和多孔膜上表面和下表面的液滴，以防止液滴的蒸发。
[0017]本发明所述的多孔膜支撑组件的材质为高分子聚合物材料，如聚乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、聚碳酸酯、聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、硅橡胶等，或者是无机和有机复合材料，或者是玻璃、石英、娃、金属等无机材料。
[0018]本发明所述的液滴位置控制组件具有通孔阵列，其从芯片上下两面贴合多孔膜，形成类似“三明治”型结构。这种液滴位置控制组件中使用的芯片的材质为高分子聚合物材料，如聚乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、聚碳酸酯、聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、硅橡胶等，或者是无机和有机复合材料，或者是玻璃、石英、硅、金属等无机材料。所述的液滴位置控制组件的芯片的厚度范围为I微米至5厘米，芯片上通孔的直径范围为I微米至10厘米，通孔的截面形状为圆形、椭圆、矩形、或其他多边形；为保证液滴之间不会通过多孔膜表面进行物质传输而造成交叉污染或渗漏，芯片与多孔膜贴合的区域应不渗漏液体。
[0019]作为优选，所述防液体蒸发组件为浸没多孔膜和其表面的液滴，且与多孔膜上液滴不相溶的液相；或者，所述防液体蒸发组件为包围多孔膜和其表面的液滴的湿盒。当液滴为水相时，所述防液体蒸发组件采用与水相液滴不相溶的油相，浸没多孔膜和其表面的液滴与液滴位置控制组件；该油相具有一定透气性，以满足细胞培养的要求。所述防液体蒸发组件采用湿盒包裹多孔膜和其表面的液滴时，湿盒内保持较高的湿度，减少液滴的蒸发。该湿盒还可包裹部分或全部多孔膜支撑组件和液滴位置控制组件。
[0020]本发明所述的多孔膜的材质为高分子聚合物材料，如聚乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、聚碳酸酯、聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、硅橡胶等，或者是无机和有机复合材料，或者是玻璃、石英、硅、金属等无机材料，可购买商业化多孔膜产品也可实验室自行加工；多孔膜厚度范围为I微米至5毫米，膜上孔直径范围为I纳米至100微米，孔的截面形状可以为圆形、椭圆、矩形、或其他多边形，多孔膜的面积范围是10平方微米至1000平方厘米。作为优选，多孔膜上的孔为纵向独立通孔；作为优选，多孔膜具有透明或半透明性质，以方便观察；作为优选，多孔膜的上表面和下表面与液滴接触的部分具有亲水性质。
[0021]本发明也可通过对多孔膜的材质的选择或者对多孔膜表面进行选择性亲疏水处理，在多孔膜表面形成的亲水和疏水区域。通过亲水性和疏水性处理，间接起到了液滴位置控制组件的作用。作为优选，所述多孔膜承载液滴的部分具有亲水性，其余部分为疏水区域；所述多孔膜一侧承载液滴的区域与多孔膜另一侧的至少一个承载液滴的区域部分或全部重合。
[0022]本发明液滴形成方法可采用点液装置(如移液器、毛细管或点样针等)在多孔膜上表面和下表面的亲水区域点出液滴。或采用液体流过多孔膜表面的方法，在多孔膜上表面和下表面的亲水区域形成液滴。
[0023]当然本发明也可不使用任何多孔膜表面处理方法，采用点液装置(如移液器、毛细管或点样针等)直接在多孔膜的上表面和下表面的特定位置点出液滴。
[0024]根据本发明，上述多种结构液滴位置控制组件或者多孔膜表面处理或者多孔膜表面不经过任何处理等技术，可在同一装置中组合使用。作为优选，采用通孔阵列芯片的方法或多孔膜表面选择性处理的方法，有利于提高对液滴位置控制的准确性。
[0025]一种使用上述