[發明專利]一種集成微流控神經網絡芯片及仿生實現方法

有效

• 申請號: 201810344376.2
• 申請日: 2018-04-17
• 公開（公告）號: CN108537333B
• 公開（公告）日: 2020-10-16
• 發明（設計）人: 劉文明
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: G06N3/063
• 分類號: G06N3/063;G06N3/06
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所(普通合伙) 43114
• 代理人: 龔燕妮

本發明公開了一種集成微流控神經網絡芯片及仿生實現方法，所述芯片的流動層設有微腔陣列、連接管道網絡、兩組傳輸管道網絡以及出入口；兩組傳輸管道網絡分別位于微腔陣列上下端并與微腔陣列連通，控制層包括傳輸閥、連接閥、進氣管道以及進氣入口，連接閥設于相鄰兩組微腔之間的連接管道正下方，兩個出入口傳輸管道對應的傳輸閥分別位于出口側、入口側；任意兩組微腔之間，與任一組微腔連通的每個微腔傳輸管道上的傳輸閥中至少存在一個傳輸閥與另一組微腔的微腔傳輸管道上的所有傳輸閥均不是連通同一進氣入口。基于上述結構的芯片可實現陣列化細胞定位接種、神經網絡仿生構建、單組微腔區域的神經細胞與神經網絡的生化刺激處理及樣本回收操作。

技術領域

本發明屬于微流控芯片技術領域，具體涉及一種集成微流控神經網絡芯片及仿生實現方法。

背景技術

大腦作為神經系統的中樞，是脊椎動物最復雜的器官。深入開展大腦神經研究，是揭示大腦奧秘、了解生理和病理環境下神經相關細胞功能作用與機理，進而合理進行神經臨床治療的關鍵性前提。神經細胞活動是一個實時動態的生命過程，包括基于神經網絡的機體功能調控等生理過程以及腦疾病誘發神經損傷等病理過程。常規體內研究模式直接使用動物體作為研究對象，能夠獲得更加真實可靠的、更能體現動物機體內細胞功能與行為活動的試驗信息。盡管如此，常規體內研究模式往往無法很好地實現對細胞活動的實時觀察與分析，缺乏有效的動態監測能力。傳統的體外神經細胞培養技術，尤其是神經元的培養，實現了神經細胞對諸多刺激的應答性研究。然而，這些經典的神經生物學研究方法還是處于一種宏觀界面的操作水平，很難實現對神經細胞網絡的精確定位操作控制與分析。因此，開發具有替代性的微觀界面研究方法，實現快捷、實時動態、高度精確的神經細胞與神經網絡仿生操作及分析，對于大腦神經探索研究是至關重要的，并將有助于改善目前這種神經細胞生命探索進度仍不盡如人意的研究局面。

微流控芯片技術，是一種微流體界面精確操作技術。微流控芯片的特點在于，它可以實現常規實驗室諸多基本功能的微型化和集成化；尤其是微流控芯片技術能夠完成在微米級尺度下對細胞的時間與空間控制。目前，基于微流控芯片技術建立的各種神經芯片系統多為單管道或雙管道芯片結構，僅僅能夠開展小范圍的神經細胞培養和神經血管界面相關研究，而不能完成芯片內腦仿生式神經網絡的時間與空間精確控制性操作與分析研究。因此，開發一種基于體外神經網絡仿生構建的集成微流控芯片系統有利于推動體外神經生物學研究的微型化與仿生化發展。

發明內容

本發明的目的是提供一種集成微流控神經網絡芯片及仿生實現方法，可以通過操作神經網絡芯片實現體外神經網絡仿生，且操作簡單、快捷。

一種集成微流控神經網絡芯片，其特征在于：包括流動層和控制層；

其中，所述流動層設有微腔陣列、連接管道網絡、兩組傳輸管道網絡以及出入口；

所述微腔陣列設有n組微腔，每組微腔設有m列微腔，每列微腔設有3個以上微腔，所述連接管道網絡的管道連通相鄰微腔，所述兩組傳輸管道網絡分別位于所述微腔陣列上下端并與微腔陣列連通，每組傳輸管道網絡包括一個出入口傳輸管道以及與出入口傳輸管道連通的Q個微腔傳輸管道，每組微腔的上下端均與至少一個微腔傳輸管道連通，每個出入口傳輸管道連接至少一個入口和至少一個出口；

所述控制層包括傳輸閥、連接閥、進氣管道以及進氣入口，不同組的傳輸閥和連接閥均通過不同進氣管道連通不同進氣入口；

其中，連接閥設于相鄰兩組微腔之間的連接管道正下方，每個微腔傳輸管道以及兩個出入口傳輸管道正下方均對應設有至少一個所述傳輸閥，所述兩個出入口傳輸管道對應的傳輸閥分別位于出口側、入口側；在任意兩組微腔之間，與任一組微腔連通的每個微腔傳輸管道上的傳輸閥中至少存在一個傳輸閥與另一組微腔的微腔傳輸管道上的每個傳輸閥均不處于同一組傳輸閥中。