[發明專利]兩種不同單細胞之間相互作用的微流控芯片裝置

有效

• 申請號: 201410466404.X
• 申請日: 2014-09-11
• 公開（公告）號: CN104293666A
• 公開（公告）日: 2015-01-21
• 發明（設計）人: 劉波;劉曉光;于新磊;陳雁;劉森
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: C12M3/00
• 分類號: C12M3/00
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 趙連明;梅洪玉

技術領域

本發明屬于細胞生物學實驗裝置技術領域，是基于流體力學原理和微流控技術，設計用于捕獲兩種不同類型的單細胞，兩種不同細胞之間直接接觸與非直接接觸的相互作用及其機制的細胞生物學實驗裝置。

背景技術

不同種類細胞之間的信息交流在調節細胞功能狀態及對外界刺激做出反應等多個方面起著重要的作用，也使之日益成為生物及醫學領域的熱點。然而，細胞在體環境的神經體液因素、多細胞群體系統的復雜性以及同種細胞個體間的狀態差異，都可干擾單細胞間的信息交流，增加了不同種細胞相互作用的難度。因此對離體培養的單細胞進行精確操控并施加人為干擾的實驗條件、觀測單細胞的生物學效應，成為探究細胞行為的必要手段。傳統細胞相互作用的聯合培養方式主要針對群體細胞，不能達到單細胞水平。微流控芯片裝置不僅是抓捕、操作離體單細胞的理想實驗平臺，也是構建離體培養細胞微流動生物力學和生物化學環境的重要實驗工具，在細胞生物學工作中得到了廣泛使用，但現有的細胞微流控芯片裝置大多只能捕獲一種類型的單細胞，且捕獲效率較低，并不能實現對不同種類的單細胞之間信息交流。因此，迫切需要一種新型的不同種類單細胞聯合培養裝置，能簡單方便地對兩種離體的單細胞進行分別捕獲，并能實現兩種單細胞相互作用。

發明內容

本發明提供一種新型細胞微流控芯片實驗裝置，設計中利用流體力學原理和微流控技術相結合，使其簡易方便地捕獲兩種類型的單細胞，精確控制其相互直接接觸或非直接接觸，模擬細胞間的兩種在體環境，并且可對其中一種細胞單獨施加精確生化因子等實驗條件，實時動態觀察其對另一種細胞的影響，從而實現探究兩種單細胞之間的生物學信息交流與相互作用。

本發明的技術方案如下：

兩種不同單細胞之間相互作用的微流控芯片裝置，可以分別抓捕兩種不同種類的單細胞，并提供直接接觸與非直接接觸兩種作用方式。該微流控芯片裝置如圖1所示，由兩條通道組成，第一條通道包括細胞懸浮液及培養液上入口(1-1)、廢液上出口(2-1)、阻力通道(3-1)、細胞捕獲區(4)、液體流道(5-1)將各部分連接，第二條通道則包括細胞懸浮液及培養液下入口(1-2)、廢液下出口(2-2)、下阻力通道(3-2)和細胞捕獲區(4)，下液體流道(5-2)將各部分連接。所述的細胞捕獲區(4)如圖2所示，包括：液體流道、依次排列的U型細胞培養室、細胞捕獲孔和吸力通道(8)；

芯片所有通道和腔室結構采用聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)標準加工方法制作完成，并與潔凈的0.17μm厚度玻璃片鍵合密封，構成玻璃-PDMS型芯片。其中細胞捕獲區有兩條相互平行的上下液體流道(5-1、5-2)，分別與芯片的上下懸浮液入口(1-1、1-2)相連，并分別通過各自阻力通道(圖3)將廢液從上下兩個廢液出口(2-1、2-2)排出，兩條通道通過上下細胞培養室(6-1、6-2)和吸力通道(8)來連接，每個培養室均成U型設計并依次排列，以吸力通道為中心呈上下對稱形式。如圖2所示，捕獲孔與吸力通道的距離長度有兩種，上細胞捕獲孔(7-1)與下細胞捕獲孔(7-2)的距離為2μm，對應細胞直接接觸作用；上細胞捕獲孔(7-1)與下細胞捕獲孔(7-2)的距離為5μm，對應非直接接觸作用方式。

芯片腔室內部高度為30微米，細胞捕獲孔的寬度為2微米，通道寬度為30微米，高度為30微米。根據流體力學原理可知，細胞懸浮液通過可編程注射泵由上下懸浮液入口(1-1、1-2)進入芯片并通過上下液體流道(5-1、5-2)流入細胞捕獲區(4)，少量的液體進入系統中央的吸力通道(8)。通道末端的上下阻力通道(3-1、3-2)使得單個細胞流入上下U型細胞培養室(6-1、6-2)，在吸力通道(8)提供的吸力作用下，細胞到達上下細胞捕獲孔(7-1、7-2)。由于細胞的幾何尺寸大于捕獲點的橫截面尺寸，細胞將上下細胞捕獲孔(7-1、7-2)，使得上下U型細胞培養室(6-1、6-2)的壓力增大，將捕獲細胞穩定在捕獲孔，其余細胞和培養液流入后續的細胞培養室。通過流體力學計算入口長度設置腔室之間的距離，可以使流體由擾動流轉化為層流，從而實現對細胞自動且連續的捕獲。此后以緩慢的速度持續注入培養基，細胞在腔室內逐步粘附并鋪展生長。然后在第二條通道內通入另一類型的細胞溶液，在相同原理作用下，另一種類細胞被捕獲并貼壁生長。兩類貼壁生長的單細胞因為捕獲孔與吸力通道的距離不同，細胞可以直接接觸形成細胞間連結，或者不能直接接觸，通過中間的液體環境形成非直接接觸。