一种可插入插入组件的微阵列图案化微流控培养芯片的制作方法

本发明属于微流控芯片，具体涉及一种可插入插入组件的微阵列图案化微流控培养芯片。

背景技术：

1、生物医学研究正逐渐从传统的二维细胞培养模型转变至更具生物相关性的三维培养方法。三维细胞培养技术能够更真实地复制细胞在体内的立体结构、生物力学特性和细胞间相互作用，为疾病建模、药物发现和组织工程提供了重要的实验平台。类器官即为三维培养细胞的典范。

2、然而，常规的培养方式通常依赖于静滞培养，即细胞存在于液体微环境中，液体微环境除物质扩散外没有其他变化，更无对流、平流等提高物质交换可能性的行动。这限制了三维细胞培养在高通量分析和工业化生产中的应用。

3、为打破静滞培养，现有技术发展了多种液体扰动策略。例如，摇床振荡或滚筒旋转通过整体机械运动带动液体流动，但此类方式导致细胞培养装置整体运动，严重干扰实时显微成像，操作人员必须停机静置后方可观测。又如，外直接管路灌注系统通过多对进出液管及蠕动泵驱动液体流动，但结构零散复杂，绝对流速易将细胞球冲走；为防止冲走，需将细胞球悬浮于凝胶基质内，导致新鲜液体仅能从凝胶旁间接供给养分，传质效率低下。此外，现有微流控芯片多采用外部管路连接流道，芯片本体结构复杂，不便于与标准自动化设备集成。

4、此外，现有微流控芯片培养装置在加药操作方面，通常需要移液枪或泵体进行液体转移，操作繁琐。

5、因此，亟需一种能够实现局部液体扰动传质、同时保持整体装置静止、且便于实时观测和精准加药的微流控培养芯片系统。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种可插入插入组件的微阵列图案化微流控培养芯片，通过一体成型的流道板与密封板配合形成内部分流道系统，实现一分多均匀供液；通过可正反使用的转接装置实现与外部供液系统或封堵装置的快速对接；通过罩盖与插入组件的联动设计实现一次性整体插拔操作；通过开口大底部小近u型构型的微培养坑促进细胞球形成，还能配合配套的插入组件，以解决现有技术中静滞培养导致传质不均、某些扰动方式不便于实时成像的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种可插入插入组件的微阵列图案化微流控培养芯片，包括培养基板，所述培养基板中部设有培养腔，所述培养腔包括外圈的围板，所述围板与培养基板形成顶部开放的培养液存储腔。所述围板范围内的培养基板上阵列分布有若干培养井，所述培养井为互相贯通或非贯通的孔结构，用于插入插入组件。横向分布的培养井之间设有辅助孔。每个培养井底部设有微培养坑组，所述微培养坑组包含若干阵列分布、开口朝向培养井内部的微培养坑；

4、所述培养腔两侧设有一体成型的流道板，所述流道板的下表面设有开放的若干条分流道，每一侧的分流道分别汇总于垂直贯通的加液口，每一条分流道的末端通过垂直贯通的出液口连接到培养腔内。所述流道板底部连接有密封板，所述密封板将所述加液口、分流道和出液口的底部开口密封，与培养基板形成一个整体。所述加液口上方连接转接装置或封堵装置。

5、优选的，所述转接装置包括与培养基板连接的转接头套和对接硅胶头。所述转接头套包括设于中心位置的中心管、与中心管外圈中部连接的环形连接部，以及环形连接部外圈连接的截面为u形的回转体。所述中心管一端为转接平嘴，另一端端部增设有花键齿形成转接花嘴。所述中心管的两端呈锥面内收结构，且在近端面的外侧内凹形成环形的卡接槽。

6、优选的，所述转接平嘴凸出于回转体的高度略小于流道板的厚度，所述转接花嘴凸出于回转体的高度等于流道板的厚度，所述转接花嘴的端面能伸入到加液口的底部。该尺寸设计确保转接花嘴与加液口底部紧密对接，消除死体积，同时回转体端面与流道板上表面贴合，形成端面密封。

7、优选的，所述加液口外周设有环形凸台，所述环形凸台内圈设有凸起的卡接部，所述卡接部与转接头套的中心管的卡接槽配合卡接密封。卡接部与卡接槽的过盈配合实现轴向定位，对接硅胶头填充于回转体与环形凸台之间的间隙，形成径向密封。

8、优选的，所述培养基板和密封板通过粘结剂、粘接胶带粘接或超声波、激光、热压焊接方式焊接。密封板将流道板下表面开放的凹槽封闭为密闭流道，加工简便且密封可靠。

9、优选的，所述围板外圈设有垫片，罩盖坐接在垫片上将整个培养腔笼罩，即保留了气体交换的可能，又可以防止培养液蒸发和外界污染。

10、优选的，所述罩盖的内端面设有用于固定插件组件或下药装置的卡接部和用于限位的限位块。卡接部为弹性夹持结构，用于夹持插入组件的支撑腿或加强筋，使插入组件与罩盖结合成一体；限位块用于在插入组件反向插入时抵接其端面，限制插入深度。

11、优选的，所述培养井的直径为1mm-50mm，围板的高度为1mm-30mm，以适配不同规格的插入组件及细胞培养需求。

12、优选的，每个所述培养井底部的微培养坑组包含数量为0-500个的微培养坑，所述微培养坑的直径为0.1mm-2mm，相邻微培养坑之间的间距为0.02mm-3mm。当数量为0时，该培养井底部为平面，可用于贴壁细胞培养或特殊实验。

13、优选的，所述分流道数量为1-50条，且每条分流道的截面长长度均相等。等长设计确保各分流道的流阻一致。

14、优选的，所述微培养坑的内壁设有低粘附涂层或细胞外基质涂层。低粘附涂层促进细胞球自发形成；细胞外基质涂层增强特定细胞的贴壁与铺展能力。

15、优选的，所述微培养坑的侧剖面呈开口大底部小的构型，包括但不限于v型、二次函数型、圆锥曲线型、悬链线型。这些近u型构型的底部圆滑过渡，无应力集中，有利于细胞沉积聚集成球，且便于细胞球的完整取出。

16、与现有技术相比，本技术的有益效果为：

17、本发明芯片可与插入组件及气压控制装置配合，通过周期性气压变化驱动液体在培养井与插入组件筒体之间往复流动，实现局部微环境的强制均一化，弱化营养梯度和废物梯度；同时芯片整体保持绝对静止，可直接从底板下方进行实时显微成像，无需停机静置，方便观察；

18、培养井与辅助孔在排与排之间交错分布，在有限面积内最大化培养位点数量，辅助孔同时起到帮助培养井壁形成、气压平衡、迎接插件局部的功能占位和空间间隔的多重作用；

19、培养井的尺寸和结构精准适配配套的插入组件，可正向插入实现液体振荡传质，操作简便，方便观察；

20、流道板下表面的开放分流道经密封板封闭后形成内部流路，新鲜培养液从加液口进入，经等长分流道均匀分配后从出液口流入培养腔，实现培养液的温和更新，整个供液系统集成于芯片本体，结构紧凑；

21、转接头套配合卡接槽与环形凸台的卡接密封，可快速对接外部注射泵、储液罐或自动化液体工作站，不供液时可用封堵装置封闭加液口，切换灵活；

22、转接头套采用中心管双嘴结构即转接平嘴和转接花嘴，当转接平嘴朝上时平嘴端面平整，与硅胶接头或自动化液体工作站管路对接时，接触面积大，压紧后形成端面密封，不易漏液；当转接花嘴朝上时可直接适配常规医用硅胶管路，无需额外转接头；

23、所述罩盖内端面设有插接部的卡接部，罩盖上的卡接部将多个插件单元或下药装置夹持固定，使所有插件与盖罩结合成一体，简化操作流程，缩短操作时间；限位部在罩盖上形成物理限位，确保正向插入时插件能完全插入与培养井的井底，提供完善的振荡传质条件。