[發明專利]一種研究力學與生化信號誘發單細胞動力學響應的高通量微流控系統及其使用方法

在審

• 申請號: 202210615780.5
• 申請日: 2022-06-01
• 公開（公告）號: CN114836314A
• 公開（公告）日: 2022-08-02
• 發明（設計）人: 于苗;覃開蓉;李泳江;薛春東;陳柯潔
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: C12M1/36
• 分類號: C12M1/36;C12M1/34;C12M1/00;C12M3/00;C12Q1/02;B01L3/00
• 代理公司: 遼寧鴻文知識產權代理有限公司 21102
• 代理人: 王海波

1.一種研究力學與生化信號誘發單細胞動力學響應的高通量微流控系統，其特征在于，所述的高通量微流控系統包括微流控芯片(A)，細胞注入、及動態力學和生化信號加載裝置(B)，單細胞動力學實驗檢測裝置(C)和控制裝置(D)；

所述的微流控芯片(A)包括“圣誕樹”+Y型通道組合構成的時空濃度梯度生成器(I)、細胞懸浮液入口(C1)、單細胞操控單元(II)和芯片出口(O1)，“圣誕樹”+Y型通道組合構成的時空濃度梯度生成器(I)出口、細胞懸浮液入口(C1)均與單細胞操控單元(II)的入口相通，芯片出口(O1)連接單細胞操控單元(II)的輸出通道(⑤)；

所述的“圣誕樹”+Y型通道組合構成的時空濃度梯度生成器(I)包括生化刺激溶液入口1(S1)、生化刺激溶液入口2(S2)、“圣誕樹”型微通道和動態緩沖液入口(B1)，生化刺激溶液入口1(S1)、生化刺激溶液入口2(S2)均與“圣誕樹”型微通道的入口端相通，“圣誕樹”型微通道的出口端匯集后，再與動態緩沖液入口(B1)匯集，之后連接單細胞操控單元(II)的入口；

所述的單細胞操控單元(II)包括細胞流動腔(①)、細胞變形微通道陣列(②)、阻力通道1(③)、阻力通道2(④)和輸出通道(⑤)，細胞流動腔(①)是由曲線邊界1(1-1)、曲線邊界2(1-2)、直線邊界后段(1-3b)和直線邊界前段(1-3a)依次圍成的近三角形腔，曲線邊界1(1-1)和直線邊界前段(1-3a)交匯處設有通向阻力通道1(③)的出口，曲線邊界2(1-2)和直線邊界后段(1-3b)交匯處設有通向阻力通道2(④)的出口，阻力通道1(③)和阻力通道2(④)向中間匯集到輸出通道(⑤)，細胞變形微通道陣列(②)處于輸出通道(⑤)與細胞流動腔(①)之間；細胞變形微通道陣列(②)由若干細胞變形微通道構成；

所述的細胞注入、及動態力學和生化信號加載裝置(B)包括4組可編程注射泵和注射器，4個注射器分別與生化刺激溶液入口1(S1)、生化刺激溶液入口2(S2)、動態緩沖液入口(B1)和細胞懸浮液入口(C1)相通，用于將細胞注入到芯片內，并注入生化刺激溶液和細胞培養基；

所述的單細胞動力學實驗檢測裝置(C)包括倒置熒光顯微鏡、壓力傳感器和流量傳感器，用于實時監測單細胞變形、運動軌跡、生化信號時空分布這些動態圖像信息、以及加載裝置中各注射泵的壓力/流量值；

所述的控制裝置(D)是計算機，分別與加載裝置(B)和實驗檢測裝置(C)連接，用于接收細胞圖像、熒光信號及傳感器數據，并驅動加載裝置(B)中的可編程注射泵對注射流量進行精確控制。

2.按照權利要求1所述的高通量微流控系統，其特征在于，所述的細胞流動腔(①)的邊界由基于復勢W(Z)＝AZ²決定的平面勢流流場分布構建的，曲線邊界1(1-1)和曲線邊界2(1-2)滿足公式：

與

式中

式中對應坐標系為基于復勢W(Z)＝AZ²＝A(x+iy)²＝A(re^iθ)²決定的坐標系，L_c為細胞流動腔(①)的長度，W_c為細胞流動腔(①)的入口寬度，θ和r是極坐標系下點的極角和極徑，r₀是曲線邊界1(1-1)右側端點的極徑，θ₀是曲線邊界1(1-1)右側端點的極角，θ₁是曲線邊界1(1-1)左側端點的極角；

直線邊界前段(1-3a)與直線邊界后段(1-3b)和通過原點的兩條流線重合，滿足公式

3.根據權利要求1或2所述的高通量微流控系統，其特征在于，所述的細胞變形微通道陣列(②)位于細胞流動腔(①)的直線邊界上，當細胞被捕獲后，在細胞變形微通道入口處形成流體駐點；其中細胞變形微通道的結構可根據研究需要進行調整，可包含直通道、變截面通道和寬窄周期性變化通道。

4.根據權利要求1或2所述的高通量微流控系統，其特征在于，所述的微流控芯片(A)的生化刺激溶液入口1(S1)、生化刺激溶液入口2(S2)、動態緩沖液入口(B1)與細胞懸浮液入口(C1)，均與雜質過濾器相連。

5.權利要求1-4任一所述的高通量微流控系統的使用方法，其特征在于，步驟如下：

步驟一、大量單細胞的高效捕獲與操控

當高通量微流控系統中各裝置連通后，打開細胞懸浮液入口(C1)，關閉生化刺激溶液入口(S1)、生化刺激溶液入口(S2)和動態緩沖液入口(B1)，將細胞懸浮液注入到細胞流動腔(①)中，通過控制裝置(D)控制加載裝置(B)中連接細胞懸浮液注射器的注射泵，調節流量以實現將大量單細胞的高效捕獲于細胞變形微通道陣列(②)中或使其有控制地穿過細胞變形微通道；

步驟二、不同動態力學和生化信號定量加載與控制，并對實時測量監測單細胞的動力學響應

待細胞被捕獲后，關閉細胞懸浮液入口(C1)，打開生化刺激溶液入口(S1)、生化刺激溶液入口(S2)和動態緩沖液入口(B1)；向生化刺激溶液入(S1)口和生化刺激溶液入口(S2)通入相同的流量恒定且相等的生化刺激溶液，向動態緩沖液入(B1)口通入流量隨時間動態變化的細胞培養基，從而可對每一個捕獲細胞施加相同的動態力學和生化信號刺激；或向生化刺激溶液入口(S1)和生化刺激溶液入口(S2)分別通入流量恒定且相等的生化刺激溶液和細胞培養基，向動態緩沖液入口(B1)通入流量隨時間動態變化的細胞培養基，從而可對每一個捕獲細胞施加相同的動態力學信號刺激和具有線性空間分布的動態生化信號；通過熒光顯微鏡實時監測記錄不同動態力學和生化信號信號刺激下的單細胞動力學響應過程，并將細胞影像、熒光信號等反饋給控制裝置(D)。