一种开放式高通量微流控卵母细胞动态三维培养芯片及其应用制造技术

本发明专利技术属于生命科学与工程领域，具体涉及一种开放式高通量微流控卵母细胞动态三维培养芯片及其应用。所述芯片包括微流通道、在微流通道末端用于收集废液的腔体和圆柱腔体，所述圆柱腔体设置在微流通道上，其上端开口，下端与微流通道连通；所述微流通道包括通道入口部、树状结构扩散通道、与树状结构扩散通道连接的若干排微流直通道，所述圆柱腔体设置在各微流直通道上。本发明专利技术提供了一种开放式高通量微流控卵母细胞动态三维培养芯片，利用微流通道内的细胞培养液的流动给水凝胶中的细胞带来新鲜营养物质，同时也能带走代谢产物，通过圆柱腔体的上端开口使气体能直接渗透水凝胶满足细胞培养所需，实现了细胞的三维动态培养。

An open high flux microfluidic oocyte dynamic three-dimensional culture chip and its application

【技术实现步骤摘要】
一种开放式高通量微流控卵母细胞动态三维培养芯片及其应用
本专利技术属于生命科学与工程领域，具体涉及一种开放式高通量微流控卵母细胞动态三维培养芯片及其应用。
技术介绍
在生命科学领域，模拟细胞在体内所处的动态三维环境是下游相关生物研究以及药物筛选等应用重要前提，同时这些应用往往需要高通量的技术来提高研究效率。传统的细胞培养往往是在细胞培养板上的二维培养，在培养过程中细胞由于缺乏基质支撑而直接与异质基底接触，因此细胞在三维方向上的行为特性无法展现并且会对细胞活性以及细胞的功能表达产生重要影响，同时这种培养方式培养液无法及时更新带来营养并排除代谢产物，因此随着生命科学研究的深入，动态的三维的细胞培养显得越来越重要。水凝胶作为一种生物亲和性材料其能够很好的模拟细胞外基质环境(ECM)，并且已经被广泛应用于细胞的三维培养，在提供细胞支撑的同时保证营养物质的传递，从而更加真实模拟体内的细胞环境。但是作为一种块状材料，水凝胶培养技术大多在细胞培养板上使用，在培养板中进行培养其培养液处于无法更新状态，细胞代谢废物无法及时被带走，而新鲜营养物质也无法及时得到补充，而且这种方式在进行不同实验条件时需要多个培养板同时进行培养，导致其效率低下。为了更加真实的模拟细胞在体内动态更新环境下的状态，在生物研究亟需引入一种能够在保证细胞三维环境的同时动态更新营养物和代谢物的新的细胞培养平台。微流控技术是能够对流体进行精准动态控制，其能够动态更新在系统中的流体，特别适合用于细胞培养，另一方面是其能精准控制流体扩散，创造梯度药物浓度场，因此在药物筛选等需要高通量的场景中涌现了大量的应用。微流控平台运用于三维细胞培养时也有其自身缺陷，由于其封闭腔体和有限沟道高度(一般低于300微米)难以将水凝胶等生物三维包裹材料集成同时不限制液体流动，另一方面封闭的芯片无法允许气体透过，难以满足细胞生长所需的气氛条件。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的不足，目的在于提供了一种开放式高通量微流控卵母细胞动态三维培养芯片及其应用。为实现上述专利技术目的，本专利技术所采用的技术方案为：一种开放式高通量微流控卵母细胞动态三维培养芯片，所述芯片包括微流通道、在微流通道末端用于收集废液的腔体和圆柱腔体，所述圆柱腔体设置在微流通道上，其上端开口，下端与微流通道连通。上述方案中，所述微流通道包括通道入口部、树状结构扩散通道、与树状结构扩散通道连接的若干排微流直通道，所述圆柱腔体设置在各微流直通道上。上述方案中，所述微流通道包括2个通道入口部、树状结构扩散通道、与树状结构扩散通道连接的6排微流直通道。上述方案中，所述芯片的高度为5mm～10mm，所述用于收集废液的腔体为2cm×4cm，所述圆柱腔体的高度为5mm～10mm。上述方案中，所述微流通道的沟道深度为5mm，各排微流直通道之间的间距为4mm～8mm，每排微流直通道上设置有6～10个圆柱腔体。基于开放式高通量微流控卵母细胞动态三维培养芯片的应用，具体包括如下步骤：(1)将海藻酸钠(SA)溶液调节pH至7.8，然后将从小鼠卵巢取得的卵母细胞放入其中，用注射器吸取备用；(2)将氯化钙溶液调节pH至7.8，然后泵入到微流通道的通道入口部，由于重力和流体在微流沟道流动阻力作用，氯化钙溶液会充满整个微流通道，并且会在圆柱腔体内形成一段小液柱；(3)将步骤(1)所准备包含卵母细胞的海藻酸钠溶液从圆柱腔体的上端开口处滴入，海藻酸钠溶液与氯化钙溶液接触，由于扩散作用，两者结合发生凝胶化，在圆柱腔体中形成一定高度的凝胶柱，而卵母细胞则被水凝胶三维支撑在中间不与基底接触；(4)最后将卵母细胞培养液泵入到微流通道的通道入口部，由于微流通道中的氯化钙并未发生胶凝化，卵母细胞培养液的流入带走了微流通道中多余的氯化钙，并且当卵母细胞培养液流经圆柱腔体下端时其直接与凝胶层接触，从而实现物质的动态交换，同时，圆柱腔体的上端开口能与培养箱中的气体直接接触完成气体动态交换。上述方案中，所述海藻酸钠的质量浓度为2％～4％，所述氯化钙溶液的质量浓度为1.5％～3％，所述卵母细胞的加入量为1～20个。上述方案中，所述圆柱腔体中凝胶柱的高度为1mm～3mm。上述方案中，所述通道入口部为2个时，将2种含不同药物组分或不同浓度的卵母细胞培养液分别泵入到2个通道入口部中，利用树状结构扩散通道在6排微流直通道中形成6种不同组分或不同浓度梯度的卵母细胞培养液。本专利技术的有益效果：本专利技术提供了一种开放式高通量微流控卵母细胞动态三维培养芯片，结合水凝胶给予细胞三维支撑，通过圆柱腔体的下端与微流通道连接，利用微流通道内的细胞培养液的流动给水凝胶中的细胞带来新鲜营养物质，同时也能带走代谢产物，通过圆柱腔体的上端开口使气体能直接渗透水凝胶满足细胞培养所需，实现了细胞的三维动态培养，同时满足了体内三维环境、物质交换、气体氛围的条件以及高效率高通量的优势。本专利技术所述芯片还可以利用树状结构扩散通道产生不同浓度梯度的药物或者溶液浓度梯度，每条微流直通道中流过的液体浓度都不一样，使其可以运用于高通量的细胞培养场景。本专利技术所述芯片系统应用于卵母细胞三维培养，多个卵母细胞得以同时在不同的梯度药物场中培养，在培养一段时间后表现出很高活性，并保持良好功能，成功排出极体。本专利技术所述芯片系统能够很好地实现细胞地三维动态培养，同时又可以根据需求创造多种培养条件，使其面向实际需求，在未来的细胞生物研究中展现了巨大的应用前景。附图说明图1为本专利技术所述芯片的结构和原理示意图；其中(a)为芯片结构示意图；(b)为芯片应用时水凝胶及细胞培养液流动示意图；(c)为芯片装置实物图；(d)为芯片利用树状结构扩散通道产生的不同浓度梯度分布模拟图；1-通道入口部1，2-通道入口部2，3-使用聚二甲基硅氧烷制作的微流通道，4-树状结构扩散通道，5-微流直通道，6-用于细胞培养的圆柱形腔体，7-用于存储废液的腔体，8-玻璃基底，9-三维包裹了细胞的水凝胶柱，10-下层培养液，11-实物装置图，12-模拟两个入口通入不同浓度药物时不同微流直通道内药物浓度分布。图2为每个圆柱形腔体中细胞培养液与水凝胶三维共聚焦分布图；其中1～2为图中结构的侧视图，3为图中结构的俯视图，4为当只有罗丹明B的荧光被显示时拍摄的共聚焦荧光图，表明SA在圆柱形腔体中呈现圆柱状；1-当海藻酸钠溶液(SA)使用罗丹明B染荧光(上层深色部分，红色荧光)，而细胞培养液用罗丹明6G染荧光(下层较亮色部分，绿色荧光)时，拍摄的共聚焦荧光图，其中水凝胶在上方呈圆柱状，而细胞培养液则分布在圆柱水凝胶下方，两者中间由于扩散两种荧光混合也呈现出了亮色。图3为使用该芯片系统进行卵母细胞培养的细胞显微图，1-当卵母细胞刚被放入该芯片系统中时的显微图像；2为当卵母细胞使用该芯片系统进行培养一天，细胞保持活性和功能并成功排出极体的显微图像。具体实施方式为了更好地理解本专利技术，下面结合实施例进一步阐明本专利技术的内容本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种开放式高通量微流控卵母细胞动态三维培养芯片，其特征在于，所述芯片包括微流通道、在微流通道末端用于收集废液的腔体和圆柱腔体，所述圆柱腔体设置在微流通道上，其上端开口，下端与微流通道连通。/n

【技术特征摘要】
1.一种开放式高通量微流控卵母细胞动态三维培养芯片，其特征在于，所述芯片包括微流通道、在微流通道末端用于收集废液的腔体和圆柱腔体，所述圆柱腔体设置在微流通道上，其上端开口，下端与微流通道连通。


2.根据权利要求1所述的开放式高通量微流控卵母细胞动态三维培养芯片，其特征在于，所述微流通道包括通道入口部、树状结构扩散通道、与树状结构扩散通道连接的若干排微流直通道，所述圆柱腔体设置在各微流直通道上。


3.根据权利要求2所述的开放式高通量微流控卵母细胞动态三维培养芯片，其特征在于，所述微流通道包括2个通道入口部、树状结构扩散通道、与树状结构扩散通道连接的6排微流直通道。


4.根据权利要求1所述的开放式高通量微流控卵母细胞动态三维培养芯片，其特征在于，所述芯片的高度为5mm~10mm，所述用于收集废液的腔体为2cm×4cm，所述圆柱腔体的高度为5mm~10mm。


5.根据权利要求1所述的开放式高通量微流控卵母细胞动态三维培养芯片，其特征在于，所述微流通道的沟道深度为5mm，各排微流直通道之间的间距为4mm~8mm，每排微流直通道上设置有6~10个圆柱腔体。


6.基于权利要求1~5所述开放式高通量微流控卵母细胞动态三维培养芯片的应用，其特征在于，具体包括如下步骤：
（1）将海藻酸钠（SA）溶液调节pH至7.8，然后将从小鼠卵巢取得的卵母细胞放入...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨奕，胡学佳，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42