光致介电泳组装芯片及构建结构梯度化凝胶组合体的方法
【技术领域】
[0001]本发明是一种通过微观作用力构建结构梯度化的凝胶体的方法，涉及生物医学领域，特别是通过微观电作用力在体外构建可模仿生物组织结构的领域。
【背景技术】
[0002]天然的生物组织中存在大量的结构梯度化特征，即组织微观结构的致密程度沿着某一方向成逐渐增大或逐渐减小的趋势。这些梯度化的组织结构在各类生理功能的实现方面具有重要作用。因此，体外构建梯度化的微观组织结构或多细胞结构，成为组织再生等研究领域的热点。
[0003]目前，体外构建梯度化的微观组织结构的一类重要的方法是采用水凝胶材料(天然或是人工合成的)在体外制造出具有整体结构梯度化特征，且包裹细胞的微观三维结构。其可以通过将细胞包裹于凝胶前体溶液中，而后通过光强梯度、温度梯度等方法使得凝胶在交联过程中使得交联程度沿着某一方向具有梯度化特征。这种作为细胞生长外基质的天然凝胶材料通常能够以往的外部支架或植入物具有更高的生物兼容性和易降解性，但这种方法需要制作相应的外部掩模或特定外部加热装置，增加了系统的复杂度和成本;而且在实际中通常仅能实现凝胶某成分浓度的梯度分布而不能实现细胞浓度的梯度分布。另一方面，体外构建基于凝胶材料的梯度化微观组织结构也可以在初始情况下采用无结构梯度化特征的凝胶-细胞系统，但在培养过程中在凝胶内部构建作用因子的浓度梯度(比如采用微流体浓度梯度生成器)，进而使得细胞在作用因子(比如趋化因子)的作用下经过迀移、增殖等过程逐渐形成具有梯度化结构特征的多细胞结构，最后形成预期的梯度化微观组织结构。但是，目前构建作用因子浓度梯度的方法通常仅采用施加外部作用因子浓度差的方法(例如培养物两侧微流道内溶液存在浓度差)，此类方法使细胞浓度梯度呈简单的近似线性分布，其与体内组织中的情况有较大差距。上述两类常用的方法只能调控外源作用因子浓度分布，而不能直接建立由细胞自身分泌的内源作用因子的浓度梯度分布，因为上述两类方法中细胞的浓度分布通常难以任意设定。故这在一定程度上也限制了 3D梯度化多细胞结构调控的灵活性。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种光致介电泳组装芯片及构建包裹细胞的结构梯度化凝胶组合体的方法，以解决目前在体外凝胶体系中构建组织的梯度化微观结构过程中，外源性作用因子浓度梯度和细胞浓度梯度的构建方面存在难以同时实现的技术问题。
[0005]为了解决上述技术问题，本发明提供了一种光致介电泳组装芯片，包括:若干进样口，且若干凝胶微块适于通过相应进样口分别注入到微流体腔内；所述微流体腔的上端设有电极层，其下端设有虚拟光电极形成层。
[0006]进一步，所述的电极层包括为双层结构，从上往下依次为:上层透明导电层、疏水涂层;所述虚拟光电极形成层为多层结构，从上往下依次为:亲水涂层、钝化层、光电导层、下层透明导电层;所述导电层和透明导电层适于接入正弦激励电压，以及所述虚拟光电极形成层适于通过透射的缩微光图形组合式阵列形成相应虚拟光电极，即形成用于使多个凝胶微块对齐的长条形虚拟光电极和用于驱动单个凝胶微块移动的圆形虚拟光电极。
[0007]又一方面，本发明还提供了一种构建包裹细胞的结构梯度化凝胶组合体的方法，其包括如下步骤:
步骤SI，通过光致介电泳力场排布多个具有不同结构属性的凝胶微块，以构成凝胶微块组合体；以及
步骤S2，引导细胞的自组装行为，以实现凝胶微块组合体的结构梯度化。
[0008]进一步，构成凝胶微块组合体，即通过光致介电泳组装芯片实现;所述光致介电泳组装芯片包括:若干进样口，且若干凝胶微块适于通过相应进样口分别注入到微流体腔内；所述微流体腔的上端设有电极层，其下端设有虚拟光电极形成层。
[0009]进一步，所述的电极层包括为双层结构，从上往下依次为:上层透明导电层、疏水涂层;所述虚拟光电极形成层为多层层叠结构，从上往下依次为:亲水涂层、钝化层、光电导层、下层透明导电层;所述上层透明导电层和下层透明导电层适于接入正弦激励电压，以及所述虚拟光电极形成层适于通过投射的缩微光图形组合式阵列形成相应虚拟光电极，即形成用于使多个凝胶微块对齐的长条形虚拟光电极和用于驱动单个凝胶微块移动的圆形虚拟光电极。
[0010]进一步，通过光致介电泳组装芯片构成凝胶微块组合体的方法包括如下步骤:
步骤SI I，将各凝胶微块分别从不同的进样口注入至微流体腔内；
步骤S12，将正弦激励电压加于上层透明导电层和下层透明导电层，并设定初始频率；步骤S13，生成所需的缩微光图形组合式阵列，即构建所述长条形虚拟光电极和圆形虚拟光电极，以及
通过正弦激励电压的频率调节，以获得驱动凝胶微块的最大运动速度；
步骤S14，在微流体腔中，使长条形虚拟光电极固定不动，通过控制圆形虚拟光电极横向移动，以驱动单个凝胶微块横向行进，直至各凝胶微块沿着长条形虚拟光电极的侧边对齐，并再次控制圆形虚拟光电极纵向移动，使各凝胶微块纵向贴紧，即构成凝胶微块组合体。
[0011 ]进一步，所述步骤S2中引导细胞的自组装行为，以实现包裹细胞的凝胶微块组合体的结构梯度化的方法包括:
从一个或者多个进样口注入琼脂糖，将凝胶微块组合体进行固定，以完成结构梯度化凝胶体的构建。
[0012]本发明的有益效果是，本发明充分利用了光致介电泳的灵活性优势，避免了在芯片上制作复杂的物理实体电极阵列或者其他的接触式操纵部件；同时由于凝胶微块尺度较大(几百微米)，故而作用于其上的介电泳力通常更大，有利于提高操控凝胶微块的效率;流体腔底部有亲水涂层，既有利于凝胶微块沉淀并吸附于底部，同时也能够在凝胶微块和亲水涂层之间形成水膜，减小凝胶微块被操控时受到的横向阻力。流体腔顶部的疏水涂层可避免凝胶微块注入时或操控过程中被吸附于顶面;此外，流体环境(微流体腔)的引入有利于培养基和细胞的扩散，以及对细胞生理环境的维持。本系统仅需一路正弦激励信号，且所需电压很低，有利于保持细胞的活性，且降低了构建该系统的复杂度和成本。
【附图说明】
[0013]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0014]图1为本发明实施例中光致介电泳操控器件的截面示意图；
图2为本发明实施例所使用的制备凝胶微块的模具结构示意图(俯视图)；
图3为本发明实施例中制备凝胶微块的扁平板状模具的侧视截面示意图；
图4和图5分别为本发明实施例中形成结构梯度化特征的凝胶微块的两种移动过程示意图；
图6为本发明实施例中凝胶微块内的聚合物分子呈梯度化分布的示意图(颜色越深表示聚合物分子浓度越高)；
图7为本发明实施例中初始时间凝胶微块内细胞密度呈梯度化分布示意图；
图8为本发明实施例中初始时梯度化凝胶组合体内细胞密度随着水平位置的变化曲线，以及细胞在凝胶中生长一段时间之后细胞密度随着水平位置的变化曲线。
[0015]图中:第一进样口 1101、第二进样口 1102、第三进样口 1103、第四进样口 1104，透明绝缘盖片120，电极层130，上层透明导电层131、疏水涂层132;微流体腔140、中间间隔层150，透明绝缘基片160、虚拟光电极形成层170、亲水涂层171、钝化层172、光