宽压强范围测定细胞力学参数的高通量微流芯片及应用制造技术

宽压强范围测定细胞力学参数的高通量微流芯片及应用，其属于细胞力学的技术领域。该高通量微流芯片利用微吸管阵列，大幅提高测量单细胞力学参数的通量；并实现了在宽范围压强下测定细胞力学参数，同时也保证了细胞所受压强的稳定性。芯片中的阀门结构使捕获测量区能够在宽范围压强下测定细胞力学参数。并联的设置保证了被不同微吸管捕获的细胞所受压强相等；捕获测量区侧通道与微吸管阵列流阻比例的设计也保证了微吸管处细胞所受压强受捕获细胞数量的影响很小；除此之外，上述阀门结构为捕获测量区提供了两档压强范围，实现了在宽范围压强下测定细胞力学参数。围压强下测定细胞力学参数。围压强下测定细胞力学参数。

【技术实现步骤摘要】
宽压强范围测定细胞力学参数的高通量微流芯片及应用


[0001]本申请涉及细胞力学领域，具体涉及一种宽压强范围测定细胞力学参数的高通量微流芯片结构、使用方法与应用。

技术介绍

[0002]细胞的力学性质在细胞分离、疾病诊断、免疫状态分析和药物筛选等领域都有重要应用，因此单细胞力学参数的测量引起了学术界和工业界的极大兴趣。细胞力学参数主要体现为细胞的杨氏模量和粘滞系数。细胞的力学参数在细胞生长、分化、衰老、凋亡和病变等过程中会发生显著改变。比如正常膀胱细胞的杨氏模量约为10 kPa，而膀胱癌细胞的杨氏模量仅约为1 kPa；又如人的骨髓干细胞分化为成骨细胞和成脂细胞，它们的杨氏模量也可以相差一倍。对于不同类型的细胞，它们的力学参数差异很大。因此，精确、可靠和灵敏地测量单细胞力学参数的方法是很有必要的。
[0003]自从上个世纪五十年代，Swann和Mitchison（J. M. Mitchison and M. M. Swann.
ꢀ“
The Mechanical Properties of the Cell Surface : I. The Cell Elastimeter
”ꢀ
[J]. Journal of Experimental Biology, 1954
‑
09, 31(3): 443
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460.）利用微吸管的方法测量海胆卵细胞力学参数以来，单细胞力学参数的测量技术已经有了极大的发展。当前主流的测量细胞力学参数的实验技术有原子力显微镜（AFM），光镊（OT），单层细胞旋转流变仪（CMR），平行板流变仪（PPT），颗粒追踪微流变仪（PTM）和磁力扭转计（MTC）等等。这些方法或者通量低，或者操作繁琐，而且设备成本昂贵且结构复杂。除此以外，这些测量方法本身对细胞的性质也会有影响，比如OT和PPT会对细胞产生热效应，从而对细胞的力学参数产生影响。
[0004]微吸管作为一种传统的测量方法，与这些方法相比，仍然具有一些优点。首先，微吸管的原理和操作方法都很简单。此外，微吸管测量整个细胞而非局部的力学参数，它既可以测悬浮的细胞也可以测贴壁的细胞，测量的精度非常高，甚至与AFM相当，而且这种方法不会对细胞的力学参数产生太大影响。微吸管的直径和施加力的范围也可以很灵活地调整，所以能对各种各样的细胞进行测量。然而，由于一次只能对一个细胞进行测量，传统的微吸管方法也面临着通量低的问题。
[0005]在疾病诊断和其它临床应用中，尤其是当样本中包含了成千上万个细胞的时候，高通量是测量细胞力学参数的技术所必须要拥有的能力。高通量处理使得我们能够在短时间内进行大量细胞的筛选和测定，这可以降低测量过程中细胞发生物理变化的可能性，从而提高测试的准确性。在测量细胞力学参数的过程中，随着时间的推移，细胞的性质也可能会发生改变，比如原本悬浮的细胞发生贴壁，或者细胞离开了适宜的营养环境，从而发生衰老和凋亡等等。因此提高测量的速度（即提高通量）是有必要的。高通量也使我们能在短时间内获得大量细胞力学参数的数据，从而帮助我们在统计学意义上对其获得更准确的认识。
[0006]目前芯片设计存在可施加压强范围窄（0.1
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4 kPa），不同位置的细胞所受压强不
同，以及细胞所受压强不稳定（捕获细胞数量会影响被捕获细胞所受的压强）等问题。如此窄的可调压强范围使微吸管的优势（即通过灵活地调整施加压强，来对各种细胞的力学参数进行测量）无法充分发挥出来。并且不同位置的细胞所受压强不同，以及细胞所受压强不稳定这些问题使得测量结果不够可靠，而且也会降低实验的成功率。

技术实现思路

[0007]为了解决上述技术问题，本申请提供了一种宽压强范围测定细胞力学参数的高通量微流芯片结构及使用方法，以发挥微吸管的优势，即通过灵活地调整施加压强，来对各种细胞的力学参数进行测量。并且使得不同位置的细胞所受压强稳定，进而保证测量结果可靠，提高实验的成功率。
[0008]本专利技术采用的技术方案为：一种宽压强范围测定细胞力学参数的高通量微流芯片，它包括通道层芯片和玻片，所述通道层芯片中进液口与微柱阵列过滤结构连通，微柱阵列过滤结构在依次经过阀门控制主通道、进液通道、树状分支上分配通道连通至微吸管阵列，微吸管阵列再经过树状分支下分配通道、出液通道连通至出液口；所述阀门控制主通道上并联设置阀门控制侧通道；所述阀门控制主通道上还设有流阻调节通道；所述进液通道与出液通道之间设置两条并联的捕获测量区侧通道；该微流芯片在通道层芯片与玻片之间还设有阀门层芯片；阀门层芯片上设有进水口和储水通道；进水口和储水通道连通设置；所述通道层芯片上的阀门控制主通道与阀门层芯片上的储水通道接触设置；所述微柱阵列过滤结构、阀门控制主通道、流阻调节通道、树状分支上分配通道、微吸管阵列和树状分支下分配通道的高度小于通道层芯片的厚度。
[0009]具体而言，在通道层芯片上设有进液口、微柱阵列过滤结构、阀门控制主通道、流阻调节通道、阀门控制侧通道、树状分支上分配通道、微吸管阵列、树状分支下分配通道、捕获测量区侧通道和出液口；其中，进液口与微柱阵列过滤结构连通设置；阀门控制主通道与阀门控制侧通道并联设置，阀门控制主通道上还设有流阻调节通道，它们共同组成阀门控制通道；阀门控制通道与微吸管阵列通过树状分支上分配通道连通设置；微吸管阵列与出液口通过树状分支下分配通道连通设置；捕获测量区侧通道设置在微吸管阵列和两组树状分支分配通道的周围，且与两组树状分支分配通道连通，组成捕获测量区；微柱阵列过滤结构、阀门控制通道和捕获测量区的高度小于通道层芯片的厚度；在阀门层芯片上设有进水口和储水通道；进水口和储水通道连通设置；所述通道层芯片上的阀门控制主通道与阀门层芯片上的储水通道接触设置，且通道层芯片设置在阀门层芯片的上方，组成阀门结构。
[0010]作为优选，所述通道层芯片和所述阀门层芯片的材料为聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）。
[0011]作为优选，所述微吸管阵列由128
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512个微吸管并联而成，每个微吸管均为高度和宽度2
‑
10微米（小于细胞直径）的细通道。
[0012]作为优选，所述树状分支上分配通道和树状分支下分配通道的高度为20
‑
100微米。
[0013]作为优选，所述树状分支上分配通道和树状分支下分配通道的任一级分支处，通道都等长地向两侧分支。这种设置保证在所述微吸管阵列的每一微吸管处的压强都相等。
[0014]作为优选，所述捕获测量区侧通道的高度为20
‑
200微米，其总流阻与微吸管阵列的总流阻的比例小于1:20。这种设置有利于降低微吸管阵列处因捕获细胞数量不同而导致的压强变化。
[0015]作为优选，所述阀门控制通道的高度为20
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100微米，所述阀门控制主通道的宽度为100
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500微米，所述阀门控制主通道的高度与宽本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种宽压强范围测定细胞力学参数的高通量微流芯片，它包括通道层芯片（1）和玻片（3），其特征在于：所述通道层芯片（1）中进液口（11）与微柱阵列过滤结构（12）连通，微柱阵列过滤结构（12）在依次经过阀门控制主通道（13）、进液通道（15b）树状分支上分配通道（15）连通至微吸管阵列（16），微吸管阵列（16）再经过树状分支下分配通道（15a）、出液通道（15c）连通至出液口（18）；所述阀门控制主通道（13）上并联设置阀门控制侧通道（14），阀门控制主通道（13）上还设有流阻调节通道（13a）；所述进液通道（15b）与出液通道（15c）之间设置两条并联的捕获测量区侧通道（17）；该微流芯片在通道层芯片（1）与玻片（3）之间还设有阀门层芯片（2）；阀门层芯片（2）上设有进水口（21）和储水通道（22）；进水口（21）和储水通道（22）连通设置；所述通道层芯片（1）上的阀门控制主通道（13）与阀门层芯片（2）上的储水通道（22）接触设置；所述微柱阵列过滤结构（12）、阀门控制主通道（13）、流阻调节通道（13a）、树状分支上分配通道（15）、微吸管阵列（16）和树状分支下分配通道（15a）的高度小于通道层芯片（1）的厚度。2.根据权利要求1所述的一种宽压强范围测定细胞力学参数的高通量微流芯片，其特征在于：所述通道层芯片（1）和阀门层芯片（2）的材料为聚二甲基硅氧烷。3.根据权利要求1
‑
2中任一项所述的一种宽压强范围测定细胞力学参数的高通量微流芯片，其特征在于：所述微吸管阵列（16）采用128
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512个微吸管并联，每个微吸管均为高度和宽度分别为3
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10微米的通道。4.根据权利要求1
‑
3中任一项所述的一种宽压强范围测定细胞力学参数的高通量微流芯片，其特征在于：所述树状分支上分配通道（15）和树状分支下分配通道（15a）的高度分别为20
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100微米；树状分支上分配通道（15）和树状分支下分配通道（15a）的任一级分支处，通道都等长地向两侧分支。5.根据权利要求1
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4中任一项所述的一种宽压强范围测定细胞力学参数的高通量微流芯片，其特征在于：所述捕获测量区侧通道（17）的高度为20
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200微米，其总流阻与微吸管阵列的总流阻的比例小于1:20。6.根据权利要求1
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5中任一项所述的一种宽压强范围测定细胞力学参数的高通量微流芯片，其特征在于：所述阀门控制主通道（13...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨薇，金亦腾，罗春雄，李晓，
申请(专利权)人：国科温州研究院温州生物材料与工程研究所，
类型：发明
国别省市：