一种多力场耦合的细胞组织培养芯片的制作方法

1.本发明属于生物技术领域，涉及一种多力场耦合的细胞组织培养芯片，尤其涉及一种用于机械力学、流体力学以及静液压力的多力场耦合的细胞组织培养芯片。


背景技术：

2.传统的细胞组织培养技术包括，利用培养皿、培养瓶和孔板等对细胞组织进行静态二维培养；然而细胞组织微环境复杂，其是一个多因素组成、时空可变的复杂集合，对细胞组织的行为和功能发挥起到决定性的作用，研究实践显示，传统的静态培养方法很难在体外为细胞组织提供真实的微环境，致使体外细胞组织生物学的研究结果与其在体内情况相差甚远。随着微流控芯片技术的发展，微流控芯片技术与细胞组织培养技术的结合为细胞组织微环境的模拟提供了可能，并能对细胞组织生存微环境的关键参数进行精确控制，同时可以实时观察细胞组织对微环境中参数变化的响应。
3.微流控芯片是一种在微米尺度及空间对流体进行操控的应用技术，其具有将化学、生物学、物理学等实验室的基本功能微缩到一个体积只有几平方厘米芯片上的功能，又被称作芯片实验室(lab-on-chip)。相较于其他平台，微流控芯片具有材料成本低、试剂消耗量少、反应速度快、灵敏度高、便携性好、操作简单以及可将多种单元技术在微小可控平台上灵活组成和规模集成等特点。此外，微流控芯片常使用pdms材料，其具备透光性、透气性、生物相容性和延展性等特性，其广泛应用于生物化学、分子生物学等领域。
4.目前国内外较少见有针对机械力学、流体力学以及静液压力的多力场耦合的细胞组织培养芯片的研究报道。
5.基于现有技术的研究基础和现状，本技术的发明人拟提供一种新型的多力场耦合的细胞组织培养芯片，尤其是一种用于机械力学、流体力学以及静液压力的多力场耦合的细胞组织培养芯片。
6.与本发明相关的参考文献有：
7.[1]tumor microenvironment:interactions and therapy[j].journal of cellular physiology,2019,234(5).
[0008]
[2]sasha h.bakhru,christopher highley,stefan zappe.application of microfluidics in stem cell and tissue engineering[m].microfluidic technologies for human health.2013.
[0009]
[3]林丙承.微流控芯片实验室[j].2003.。


技术实现要素：

[0010]
本发明的目的是基于现有技术的研究基础和现状，提供一种新型的多力场耦合的细胞组织培养芯片，尤其是一种用于机械力学、流体力学以及静液压力的多力场耦合的细胞组织培养芯片。本发明可以实现机械力学、流体力学以及静液压力的单独施加或多力场耦合的细胞组织培养方案，实现体外细胞组织微环境的可控再现，为细胞组织与微环境相
互作用的研究提供强大技术平台。
[0011]
本发明的目的通过下述技术方案实现：
[0012]
一种多力场耦合的细胞组织培养芯片，其特征在于，
[0013]
所述芯片由相互键合的上下层pdms芯片、进液口、出液口、三孔芯片夹具以及平行气动手指气缸构成，上、下层pdms芯片为同等大小的长方体，并通过等离子体键合方式相互贴合，在下层pdms芯片的上贴合面上开设各种开口向下的凹槽流道、细胞组织培养微腔和螺丝通孔。在上层pdms芯片开设与下层芯片凹槽流道对应的进、出通孔和螺丝通孔；三孔芯片夹具为亚克力材料的长方体，其通孔使用激光雕刻机开设；该夹具用于多力场耦合细胞组织培养芯片与平行气动手指气缸的固定；组装完成后气缸与气压控制系统相连，芯片与液压控制系统相连，通过控制系统控制电磁阀的开关和电压施加时间驱动芯片的拉抻运动及芯片内部加压。
[0014]
本发明的多力场耦合的细胞组织培养芯片，是用于机械力学、流体力学以及静液压力多力场耦合的细胞组织培养芯片。
[0015]
本发明中，所述上层(2)、下层pdms芯片(1)键合后，鲁尔接头旋入进(11)、出液通孔(10)，细胞组织悬浮液和细胞组织培养基等其他试剂从旋入进液通孔(11)的鲁尔接头灌入圆角正方形细胞组织培养微腔(4)，腔体内多余的气体通过旋入出液通孔(10)的鲁尔接头排出，旋入进液通孔(11)的鲁尔接头与液压控制系统连接；
[0016]
本发明中，所述的上层pdms芯片(2)为88.5mm
×
40mm
×
4mm的长方体，进(11)、出液通孔(10)为d＝2mm的通孔，螺丝通孔(9)为d＝3mm的圆形通孔；
[0017]
本发明中，所述下层pdms芯片(1)为88.5mm
×
40mm
×
4mm的长方体，向下开设细胞组织培养微腔为22mm
×
20mm
×
1.7mm的圆角(r＝1mm)长方体凹槽，液体流道(7)为r＝6.2mm深度1.7mm的圆弧构成，进液腔(6)、出液腔(5)为r＝2mm深度1.7mm的圆形，螺丝通孔(8)为d＝3mm的圆形通孔，其圆心与上层pdms芯片(2)的夹具固定通孔(9)的圆心对齐；
[0018]
本发明中，所述三孔芯片夹具(3)为40mm
×
15mm
×
4mm亚克力长方体，三孔芯片夹具(3)利用激光雕刻机开设d＝3.5mm的圆形通孔,其圆心与上层(2)、下层pdms芯片(1)的螺丝通孔(9)、(8)和平行气动手指气缸螺纹孔的圆心对齐；
[0019]
本发明芯片中，所述的上层(2)、下层pdms芯片(1)键合方式为等离子体不可逆键合；
[0020]
其中，所述的上层(2)、下层pdms芯片(1)利用m3不锈钢螺丝和三孔芯片夹具(3)固定于平行气动手指气缸滑动平台；
[0021]
本发明所述芯片可以实现机械力学、流体力学以及静液压力的单独施加或多力场耦合的细胞组织培养方案，实现体外细胞组织微环境的可控再现，结合显微镜观察以及免疫分析等技术，可以实时观察细胞组织对微环境中参数变化的响应。
[0022]
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0023]
1、本发明的多力场耦合的细胞组织培养芯片可以实现机械力学、流体力学以及静液压力的单独施加或多力场耦合的细胞组织培养方案，便于针对单因素变化或多因素变化细胞组织力学研究；
[0024]
2、本发明的多力场耦合的细胞组织培养芯片，能对细胞组织生存微环境的关键参数进行精确控制；
[0025]
3、本发明的多力场耦合的细胞组织培养芯片，能够实时观察细胞组织对微环境中参数变化的响应；
[0026]
4、本发明的多力场耦合的细胞组织培养芯片，其鲁棒性好，可长期进行细胞组织力学实验的研究。
附图说明
[0027]
图1为多力场耦合的细胞组织培养芯片结构示意图，
[0028]
其中，1，下层pdms芯片；2，上层pdms芯片；3，圆角长方形细胞组织培养腔室；4，进液腔；5，出液腔；6，液体流道；7，下层芯片螺丝通孔；8，上层芯片螺丝通孔；9，进液通孔；10，出液通孔。
[0029]
图2为三孔芯片夹具结构示意图。
[0030]
图3为平行气动手指气缸，其中，1，滑动平台。
[0031]
图4为芯片与平行气动手指气缸组装示意图。
[0032]
图5为多力场耦合的细胞组织培养芯片与控制系统连接示意图。
具体实施方式
[0033]
下面结合附图和具体实施方式进一步详细说明：
[0034]
实施例1
[0035]
本发明的用于机械力学、流体力学以及静液压力多力场耦合的细胞组织培养芯片，芯片通过螺丝和三孔芯片夹具固定在平行气动手指气缸的滑动平台上，气缸和芯片进液端与气体控制系统相连，通过控制系统控制电磁阀的开关和电压施加时间来驱动芯片的拉抻及加压。
[0036]
将除去气泡的液体pdms预制液(a胶:b胶＝10:1)倒入预先制备的芯片模具，置于65℃鼓风烘箱内部的水平台上，加热固化90min后取出；从模具中取出芯片，使用2mm芯片打孔器在图1所示的上层pdms芯片(2)的入(10)、出液通孔(11)位置打孔，使用3mm芯片打孔器在图1所示的上层pdms芯片(2)和下层pdms芯片(1)的螺丝通孔(9)(8)位置打孔，如图1所示的上层pdms芯片(2)和下层pdms芯片(1)贴合面洁净的情况下，通过等离子体处理10min后对准键合，并于60℃鼓风烘箱中加热处理30min后取出，将鲁尔接头旋入出、入液通孔后完成芯片的制备；
[0037]
使用激光雕刻机在厚度为4mm的亚克力板上加工40mm
×
15mm
×
4mm亚克力长方体，并在其上开设d＝3.5mm的圆形通孔，加工得到三孔芯片夹具(如图2所示)；使用m3不锈钢螺丝和三孔芯片夹具将上述制得的芯片固定在如图3所示的平行气动手指气缸的滑动平台上(1)，装配流程如图4所示；上述组装好的系统紫外处理60min后，用注射器将0.1％乙酸稀释的鼠尾胶原从旋入进液通孔的鲁尔接头注入圆角长方形细胞组织培养腔室，多余的气体从旋入出液通孔的鲁尔接头排出；室温下孵育30min后,用注射器将圆角长方形细胞组织培养腔室内的胶原溶液吸出，用注射器将pbs从旋入进液通孔的鲁尔接头缓慢注入圆角长方形细胞组织培养腔室再缓慢吸出；上述操作重复三次,保证圆角长方形细胞组织培养腔室无残留的乙酸；
[0038]
将准备细胞组织悬浮液从旋入进液通孔的鲁尔接头缓慢注入圆角长方形细胞组
织培养腔室,腔体内的气体从旋入出液通孔的鲁尔接头排出后,使用鲁尔接头配套的堵头堵住旋入出液通孔的鲁尔接头；旋入进液通孔的鲁尔接头与液压控制系统相连,平行气动手指气缸与气体控制系统相连(如图5所示),并把与芯片组装好的平行气动手指气缸置于37℃二氧化碳培养箱中；打开上述控制系统的开关,通过控制系统控制电磁阀的开关和电压施加时间来驱动芯片的拉抻及芯片内部液体压力增加，拉抻幅度与液体压力可根据实验要求在控制系统中进行修改设定。
[0039]
实验结果显示，本发明的芯片可以实现机械力学、流体力学以及静液压力的单独施加或多力场耦合的细胞组织培养方案，实现体外细胞组织微环境的可控再现，且结合显微镜观察以及免疫分析等技术，能实时观察细胞组织对微环境中参数变化的响应。
[0040]
以上是本发明的特征和具体实施方案。本发明不受具体实施方案的限制,还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。