CN113512494B - 一种细胞微流控培养芯片 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种细胞微流控培养芯片，包括承载板、第一流道板、第二流道板及多个独立设置的细胞培养单元。其中，所述第一流道板位于所述承载板上；所述第二流道板位于所述第一流道板上；所述细胞培养单元包括依次连通的进口、流道及出口；所述进口及所述出口均在垂直方向上贯穿所述第一流道板与所述第二流道板，所述流道自所述第一流道板背面开口，并往所述第二流道板方向延伸，但未贯穿所述第二流道板，所述承载板封闭所述进口、所述流道和所述出口位于所述第一流道板背面的开口。本发明的细胞微流控培养芯片结构紧凑、体积小巧，能够与高通量自动化系统相匹配，实现细胞培养基和化学试剂的精准移液，并具有良好的生物亲和性。

Description

一种细胞微流控培养芯片

技术领域

本发明属于微流控技术领域，涉及一种细胞微流控培养芯片。

背景技术

自动化系统在生物研究中的背景及应用：第一代自动化系统解决了由于人工操作而导致的差异性。它们需要使用机械臂和移液机器人，通过编程来模仿人类的行为，从而使移液更加精确和可重复。一般来说，手动工具可预先确定移液量。但是，由于个别部件的磨损、故障或人为错误，精度可能会下降，因为即使是最有经验的使用者也可能出错。电子吸管被认为更加精确，因为它们不依赖于使用者经验，并且可以通过光学反馈进行自校准。毕竟，当每天需要执行成千上万的实验时，使用者很有可能会出错，高通量已成为生命科学研究的关键。同时，第一代自动化系统也提供了通过扩大方法操作更大体积的可能性。与第一代不同，第二代自动化系统将减少人工操作，因为它们在一系列操作单元上提供完全自动化，不仅限于一个单元。例如，这些平台在一端有供体单元，并在另一端有分发单元。它们将提供持续的流程验证和监控，从而能够更好地理解和优化流程。它们是全封闭的集成平台，从而在加工过程中避免了工作人员与原料的接触。通过消除污染和人为错误来降低生产过程的风险，并因此降低对外部环境的要求而简化生产过程，从而最大限度地降低整个生产成本。第二代自动化单元制造平台的另一个重要优势是增加了灵活性和模块化。硬件模块通过代理程序集成到控制软件中，使用即插即用的方法和软件，可适应不同的应用。这一点非常重要，因为这个领域正在不断进化，因为生物过程远没有像目前的化学过程那样被理解或预测，生物实验的复杂性将一直存在。

微流控芯片在生物研究中的背景及应用：微流控芯片（Microfluidic chip）又称微全分析系统，最早是由瑞士的Manz和Wider于1990年提出，是一项包括化学和生物等领域所涉及的样品制备、反应、分离以及检测等基本操作集成或者是基本集成在非常小的操作平台。它不仅可以提高分析的速度，大大的降低分析的费用，减少样品的消耗，而且分析速度较快，对微量元素的分析也具有很大的应用前景。而且微流控芯片可以实现多单元的任意组合和集成，体现了集成度高，微型化和便携化的特点。近年来，微流控芯片广泛应用于生物学领域，比如细胞分析、基因诊断、免疫检测、血液化学分析。此外，微流控芯片系统也将会在环境检测、食品卫生和国防等方面发挥重要的作用。微流控芯片发展至今，其材料已从硅片为主，发展到玻璃、石英、聚合物等。然而聚合物由于其成本较低，通道容易成形，因此聚合物芯片的加工得以快速发展，同时微流控芯片的加工方法也得到了很大的发展，在传统的光刻和刻蚀技术的基础上发展了软光刻、激光烧蚀法、热压法、注塑法和LIGA技术等新方法。对于微机械驱动系统的加工，硅和玻璃材料以其纯熟的加工工艺而占有很大的优势，但如果将该系统用于生物医药，它们并不一定是最优的选择。

微流控芯片与自动化系统相结合的意义：随着微流控芯片的不断深入和发展，该技术受到越来越多的关注，然而，用手持式移液工具来处理成百上千的生物样本就成为几乎不可能完成的任务，而用自动化系统处理液体比以往任何时候都显得更加重要。

因此，如何提供一种与高通量自动化相匹配的细胞微流控培养芯片，成为本领域技术人员亟待解决的一个重要技术问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种细胞微流控培养芯片，用于解决现有技术中微流控芯片不能与高通量自动化系统相匹配的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种细胞微流控培养芯片，包括：

承载板；

第一流道板，位于所述承载板上；

第二流道板，位于所述第一流道板上；

多个独立设置的细胞培养单元，所述细胞培养单元包括依次连通的进口、流道及出口；所述进口及所述出口均在垂直方向上贯穿所述第一流道板与所述第二流道板，所述流道自所述第一流道板背面开口，并往所述第二流道板方向延伸，但未贯穿所述第二流道板，所述承载板封闭所述进口、所述流道和所述出口位于所述第一流道板背面的开口。

可选地，所述第一流道板的边缘在水平方向上突出于所述第二流道板的边缘。

可选地，所述第一流道板的边缘轮廓与用于放置所述细胞微流控培养芯片的容器的内壁轮廓相配合以用于所述细胞微流控培养芯片的定位。

可选地，所述第二流道板的侧面、所述第一流道板未被所述第二流道板覆盖的上表面及用于放置所述细胞微流控培养芯片的容器的内侧壁围成一环绕所述第二流道板的加湿腔。

可选地，所述第一流道板与所述第二流道板一体成型。

可选地，所述承载板与所述第一流道板之间键合连接。

可选地，所述细胞培养单元的数量大于50个。

可选地，多个所述细胞培养单元呈矩形阵列式排布。

可选地，所述流道呈直线型，且所述流道的长度为自动化移液器预设通道间距的整数倍。

可选地，所述细胞微流控培养芯片包括多个第一细胞培养单元及多个第二细胞培养单元，所述第一细胞培养单元的流道长度与所述第二细胞培养单元的流道长度不相等。

可选地，所述流道的高度小于所述第一流道板的厚度。

可选地，所述出口的开口面积大于所述进口的开口面积。

可选地，所述第一流道板与所述第二流道板采用弹性材质。

可选地，所述弹性材质包括聚二甲基硅氧烷。

可选地，所述承载板的材质包括玻璃、石英及硅中的一种。

可选地，所述第二流道板表面设有流道标记。

如上所述，本发明的细胞微流控培养芯片结构紧凑、体积小巧，能够适用于实验室自动化工作站的工作距离，能够与高通量自动化系统相匹配，可直接放置于自动化工作站样品台上，实现细胞培养基和化学试剂的精准移液。通过选择合适的流道板材质与承载板材质，本发明的细胞微流控培养芯片能够拥有良好的生物亲和性。所述第一流道板的边缘轮廓可设置为与芯片容器的内壁轮廓相配合，从而实现芯片定位作用。所述第二流道板的侧面、所述第一流道板未被所述第二流道板覆盖的上表面及芯片容器的内侧壁可围成一环绕所述第二流道板的加湿腔，可通过在加湿腔内添加适量PBS或其它合适的材料来解决空气湿度问题，防止细胞在培养过程中培养基的挥发，影响液体浓度和pH值的改变。

附图说明

图1显示为本发明的细胞微流控培养芯片的俯视图。

图2显示为本发明的细胞微流控培养芯片的立体结构示意图。

图3显示为本发明的细胞微流控培养芯片的分解结构示意图。

元件标号说明

1 承载板

2 第一流道板

3 第二流道板

4 进口

5 流道

6 出口

7 流道标记

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图3。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本实施例中提供一种细胞微流控培养芯片，请参阅图1，显示为该细胞微流控培养芯片的俯视图，包括承载板1、第一流道板2、第二流道板3及多个独立设置的细胞培养单元。其中，所述第一流道板2位于所述承载板1上，所述第二流道板3位于所述第一流道板2上；所述细胞培养单元包括依次连通的进口4、流道5及出口6；所述进口4及所述出口6均在垂直方向上贯穿所述第一流道板2与所述第二流道板3，所述流道5自所述第一流道板2背面开口，并往所述第二流道板3方向延伸，但未贯穿所述第二流道板3，所述承载板1封闭所述进口4、所述流道5和所述出口6位于所述第一流道板2背面的开口。

需要指出的是，为了展示所述流道5的位置，图1所示俯视图展示出了所述流道5，然而在实际芯片中，所述流道5埋设于所述细胞微流控培养芯片内部，所述第二流道板3上表面仅显露所述进口4及所述出口6。

作为示例，请参阅图2及图3，分别显示为所述细胞微流控培养芯片的立体结构示意图及分解结构示意图。本实施例中，所述第一流道板2与所述第二流道板3一体成型。所述承载板1与所述第一流道板2之间键合连接，所述承载板1与所述第一流道板2的键合面在键合前可经过等离子体处理，以加强键合强度。

作为示例，所述承载板1的材质包括但不限于玻璃、石英及硅中的一种，本实施例中，所述承载板1优选采用玻璃，其成本低廉，有利于降低生产成本。

作为示例，所述第一流道板2与所述第二流道板3采用弹性材质以在移液时保证进出口的密封性，其中，所述第一流道板2与所述第二流道板3的具体软硬度可根据市面上移液枪头的特性和移液需求进行调整，例如一种软硬适中的弹性材质是通过将道康宁184单体与固化剂按照质量比为10:1混合制备而成。

本实施例中，所述弹性材质优选采用聚二甲基硅氧烷（PDMS），其具有较高的热稳定性、优良的光学特性、良好的生物兼容性等优点，易于与硅、玻璃等材料紧密封合。另外，PDMS弹性材料的加工简便，对环境的要求不高。同时，PDMS弹性材料价格低（低于单晶硅），有利于降低生产成本。

特别的，本发明的细胞微流控培养芯片用于细胞培养，因此，材质的生物亲和性显得非常重要。细胞毒性测试表明，与实验室常规的对照组相比，所述第一流道板2与所述第二流道板3采用PDMS材质时，芯片中的细胞长势良好，在进行重编程实验的过程中细胞发生了预期的变化，说明本发明的细胞微流控培养芯片生物亲和性可以达到预期需求。

作为示例，所述细胞微流控培养芯片中，所述细胞培养单元的数量大于50个，例如可以为64个、80个、100个、500个、1000个等，以实现高通量。多个所述细胞培养单元呈矩形阵列式排布，其中，在位于同一行的多个细胞培养单元中，前一细胞培养单元的出口6与后一细胞培养单元的进口4的间距可采用自动化移液器预设通道间距；在位于同一列的多个细胞培养单元中，相邻两个细胞培养单元的出口间距及进口间距可采用自动化移液器预设通道间距。

作为示例，所述流道5呈直线型，且所述流道5的长度为自动化移液器预设通道间距的整数倍。例如为了匹配市面上一种常规的自动化移液器尺寸和工作特点，流道可按照16道来排布，流道长度的尺寸只能是0.45 cm的3倍或4倍，4-5列。当然，在其它实施例中，流道的排布可以根据需要进行调整，此处不应过分限制本发明的保护范围。

作为示例，为了便于后期的观察和定位，所述第二流道板3表面可设有流道标记7。本实施例中，横向流道标记用字母A-E标记，竖向流道标记用阿拉伯数字1-16来标记。

需要指出的是，图1-图3呈现的是所有细胞培养单元的流道长度一致的情形，其中，流道长度可以根据细胞量的需求以及是否存在反流现象进行调整。在另一实施例中，所述细胞微流控培养芯片也可同时包括多个第一细胞培养单元及多个第二细胞培养单元，所述第一细胞培养单元的流道长度与所述第二细胞培养单元的流道长度不相等，例如一种流道长度为1.35 cm，另一种流道长度为1.8 cm，从而可以在同一芯片中满足不同细胞量的需求。

作为示例，所述流道5的高度小于所述第一流道板2的厚度。本实施例中，所述第一流道板2的厚度为1 mm，所述第二流道板3的厚度为2 mm，所述流道5的宽度为1.5 mm，所述流道5的高度为0.2 mm，所述细胞微流控培养芯片的结构紧凑、体积小巧，整体高度为5 mm左右，适用于Biomek NXP Span-8实验室自动化工作站的工作距离。当然，在其它实施例中，所述细胞微流控培养芯片的结构尺寸可以根据需要进行调整，此处不应过分限制本发明的保护范围。

作为示例，所述进口4用于进液，可与宽口加压式枪头匹配，所述出口6用于吸液，可与细口贴壁式枪头匹配。本实施例中，所述出口6的开口面积大于所述进口4的开口面积，其中，所述出口6由于具有较大的开口面积可以兼具储液功能。

作为示例，在所述细胞微流控培养芯片的一种尺寸设计中（与Biomek NXP Span-8实验室自动化工作站相结合使用），所述进口4采用1 mm孔径，可以适配P250-WB的枪头（内径1.2 mm），所述出口6采用3mm孔径，可以适配P20的枪头（外径0.6mm）。由于一吸多放会改变液面状态，优选采用单吸单放的方式来进液或者吸液。进出液基本流程采用：宽口枪头加压进液，宽口枪头加压换液，细口枪头去废液。

作为示例，所述第一流道板2的边缘在水平方向上突出于所述第二流道板3的边缘。所述第一流道板2主要起定位作用，所述第一流道板2的边缘轮廓与用于放置所述细胞微流控培养芯片的容器的内壁轮廓相配合以用于所述细胞微流控培养芯片的定位。所述第二流道板3主要用于流道和进出孔的支撑。

作为示例，所述第二流道板3的侧面、所述第一流道板2未被所述第二流道板3覆盖的上表面及用于放置所述细胞微流控培养芯片的容器的内侧壁围成一环绕所述第二流道板3的加湿腔。当所述细胞微流控培养芯片放置于对应容器内，可于所述加湿腔内添加适量PBS或其它合适的材料来解决空气湿度问题，防止细胞在培养过程中培养基的挥发，影响液体浓度和pH值的改变。

本实施例的细胞微流控培养芯片具有良好的生物亲和性，每个独立的细胞培养流道只需要微升级的培养基，与常规的细胞培养孔板相比，节省了10倍以上的试剂。可以使用自动化系统来处理成百上千的生物样本，与高通量自动化相匹配。

综上所述，本发明的细胞微流控培养芯片结构紧凑、体积小巧，能够适用于实验室自动化工作站的工作距离，能够与高通量自动化系统相匹配，可直接放置于自动化工作站样品台上，实现细胞培养基和化学试剂的精准移液。通过选择合适的流道板材质与承载板材质，本发明的细胞微流控培养芯片能够拥有良好的生物亲和性。所述第一流道板的边缘轮廓可设置为与芯片容器的内壁轮廓相配合，从而实现芯片定位作用。所述第二流道板的侧面、所述第一流道板未被所述第二流道板覆盖的上表面及芯片容器的内侧壁可围成一环绕所述第二流道板的加湿腔，可通过在加湿腔内添加适量PBS或其它合适的材料来解决空气湿度问题，防止细胞在培养过程中培养基的挥发，影响液体浓度和pH值的改变。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种细胞微流控培养芯片，其特征在于，包括：

承载板；

第一流道板，位于所述承载板上；

第二流道板，位于所述第一流道板上；

多个独立设置的细胞培养单元，所述细胞培养单元包括依次连通的进口、流道及出口；所述进口及所述出口均在垂直方向上贯穿所述第一流道板与所述第二流道板，所述流道自所述第一流道板背面开口，并往所述第二流道板方向延伸，但未贯穿所述第二流道板，所述承载板封闭所述进口、所述流道和所述出口位于所述第一流道板背面的开口，所述流道的高度小于所述第一流道板的厚度；

所述第一流道板的边缘在水平方向上突出于所述第二流道板的边缘；

所述第一流道板的边缘轮廓与用于放置所述细胞微流控培养芯片的容器的内壁轮廓相配合以用于所述细胞微流控培养芯片的定位；

所述第二流道板的侧面、所述第一流道板未被所述第二流道板覆盖的上表面及用于放置所述细胞微流控培养芯片的容器的内侧壁围成一环绕所述第二流道板的加湿腔；

所述第一流道板与所述第二流道板采用弹性材质，所述弹性材质包括聚二甲基硅氧烷。

2.根据权利要求1所述的细胞微流控培养芯片，其特征在于：所述第一流道板与所述第二流道板一体成型。

3.根据权利要求1所述的细胞微流控培养芯片，其特征在于：所述承载板与所述第一流道板之间键合连接。

4.根据权利要求1所述的细胞微流控培养芯片，其特征在于：所述细胞培养单元的数量大于50个。

5.根据权利要求1所述的细胞微流控培养芯片，其特征在于：多个所述细胞培养单元呈矩形阵列式排布。

6.根据权利要求1所述的细胞微流控培养芯片，其特征在于：所述流道呈直线型，且所述流道的长度为自动化移液器预设通道间距的整数倍。

7.根据权利要求1所述的细胞微流控培养芯片，其特征在于：所述细胞微流控培养芯片包括多个第一细胞培养单元及多个第二细胞培养单元，所述第一细胞培养单元的流道长度与所述第二细胞培养单元的流道长度不相等。

8.根据权利要求1所述的细胞微流控培养芯片，其特征在于：所述出口的开口面积大于所述进口的开口面积。

9.根据权利要求1所述的细胞微流控培养芯片，其特征在于：所述承载板的材质包括玻璃、石英及硅中的一种。

10.根据权利要求1所述的细胞微流控培养芯片，其特征在于：所述第二流道板表面设有流道标记。