[發明專利]一種研究剪切力和生化因子梯度調控細胞劃痕修復的微流控系統及方法

有效

• 申請號: 202011278907.6
• 申請日: 2020-11-16
• 公開（公告）號: CN112481123B
• 公開（公告）日: 2022-02-15
• 發明（設計）人: 覃開蓉;楊雨濃;李泳江;薛春東;王宇;于苗;王艷霞;吳斯達;胡思毓;趙家銘
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: C12M3/00
• 分類號: C12M3/00;C12M1/34;C12M1/36;C12M1/00
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 劉秋彤;梅洪玉

本發明提供一種研究剪切力和生化因子梯度調控細胞劃痕修復的微流控系統及方法，屬于細胞生物學實驗裝置技術領域。利用流體力學的虹吸原理和微流控芯片技術設計恒流泵、生化因子濃度梯度生成器和細胞培養室。恒流泵用于調控入口溶液及其流量，可以在細胞培養腔內制造尺寸可控的細胞“劃痕”條帶，特殊的微流控芯片結構設計可在細胞培養腔內產生剪切力與生化因子空間梯度組合刺激。微型細胞培養箱可通過溫度及氣體傳感器實時監測箱內溫度和氣體濃度等信息，并將檢測和傳感數據反饋給控制系統，為微流控芯片上的細胞提供最適宜的細胞生存環境。結合熒光顯微成像系統實時監測剪切力和生化因子組合刺激條件下細胞“劃痕”修復的動力學過程。

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芯片技術，由可生成生化因子濃度空間梯度的微流控芯片、可自主灌注產生定常流剪切力的恒流微泵、以及微型細胞培養箱等構成的用于研究剪切力和生化因子梯度調控細胞“劃痕”修復的微流控系統及方法。

背景技術

細胞劃痕試驗是體外評價細胞增殖和遷移能力的重要方法。一般在常規的培養皿或培養板上體外培養細胞，當細胞生長至融合單層狀態時，在融合的單層細胞上用機械方法人為制造一個空白區域，稱為“劃痕”，劃痕邊緣的細胞會逐漸進入空白區域使“劃痕”修復，用顯微鏡實時觀測細胞遷移期間動態圖像，后期分析處理動態圖像數據，得到細胞遷移速率等評估細胞增殖和遷移能力的指標。

細胞劃痕修復受所處的微環境調控。細胞微環境的參數可以分為生物化學因素和生物物理因素兩大類。生物化學因素主要包括各種生化因子的濃度及濃度梯度分布變化，生物物理因素主要包括機械力的作用如流體剪切力等。傳統的培養皿或培養板體系只能提供靜態的生化因子作用環境，無法產生流體剪切力的作用；此外，采用機械方法制造細胞劃痕的方法不可避免地對細胞造成機械損傷，影響劃痕邊緣部位的細胞功能。

隨著微納制造和微流控技術的快速發展，使用微流控芯片技術制造細胞劃痕、精確模擬剪切力和生化因子梯度微環境開展各種細胞劃痕試驗越來越普遍。這些裝置和系統通常需要將微流控芯片連接有源壓力泵及外部控制系統實現壓力和流量的精確控制，從而實現細胞劃痕寬度、剪切力和生化因子空間梯度的精準模擬。然而，這些裝置和系統具有龐大的壓力泵及其外圍控制裝置，不便整體放置于培養箱中進行長時間的細胞培養和觀察。因此，迫切需要設計和構建一種具有無源自主灌注恒流微泵、微流控芯片以及微型細胞培養箱組成的微流控系統及方法，用于研究剪切力與生化因子濃度空間梯度調控細胞“劃痕”修復動力學過程。

發明內容

本發明的目的在于設計和構建一種無源自主灌注恒流微泵、微流控芯片以及微型細胞培養箱組成的微流控系統及方法，用于研究剪切力與生化因子濃度空間梯度調控細胞“劃痕”修復動力學過程。利用流體力學的虹吸原理和微流控芯片技術設計恒流微泵、生化因子濃度梯度生成器和細胞培養室。恒流微泵用于調控入口溶液及其流量，可以在細胞培養腔內制造尺寸可控的細胞“劃痕”條帶，特殊的微流控芯片結構設計可在細胞培養腔內產生剪切力與生化因子空間梯度組合刺激。微型細胞培養箱可通過溫度及氣體傳感器實時監測箱內溫度和氣體濃度等信息，并將檢測和傳感數據反饋給控制系統，為微流控芯片上的細胞提供最適宜的細胞生存環境。進一步結合細胞“劃痕”試驗檢測裝置實時監測剪切力和生化因子組合刺激條件下細胞“劃痕”修復的動力學過程。

本發明的技術方案如下：

一種研究剪切力和生化因子梯度調控細胞劃痕修復的微流控系統，包括恒流微泵A、微型細胞培養箱B、微流控芯片C和細胞“劃痕”試驗檢測裝置D；

所述的恒流微泵A包括恒流發生器A-1和彈性阻尼器A-2；恒流發生器A-1的個數根據實際需要進行調整；恒流發生器A-1包括離心管和兩端開口的軟管；彈性阻尼器A-2為圓柱形透明管，其頂部連接有一個可開關的接頭，用于控制是否與大氣相通；彈性阻尼器A-2一端通過軟管與恒流發生器A-1相連，另一端和微流控芯片C中“圣誕樹”型微通道“樹頂”端的四個入口相通，用于灌注細胞培養基、生化因子溶液或胰蛋白酶溶液；