基于微流控芯片的加压细胞培养系统和方法.pdf

《基于微流控芯片的加压细胞培养系统和方法.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于微流控芯片的加压细胞培养系统和方法.pdf（8页完整版）》请在专利查询网上搜索。

1、(10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201310126330.0 (22)申请日 2013.04.12 C12M 3/04(2006.01) C12M 1/34(2006.01) C12N 5/00(2006.01) (73)专利权人 中国科学院理化技术研究所 地址 100190 北京市海淀区中关村东路 29 号 (72)发明人 李雷 陈弘达 刘静 施雪涛 (74)专利代理机构 北京路浩知识产权代理有限 公司 11002 代理人 王朋飞 CN 102575217 A,2012.07.11, 说明书附图 16， 说明书第 21-26、 56 段 , 实施例 1、 2. CN 。

2、1858203 A,2006.11.08, 全文 . WO 2012086499 A1,2012.06.28, 全文 . CN 102586084 A,2012.07.18, 说明书第 3-6、 32-40 段， 说明书附图 1-6. CN 201065407 Y,2008.05.28, 全文 . CN 101819078 A,2010.09.01, 全文 . (54) 发明名称 基于微流控芯片的加压细胞培养系统和方法 (57) 摘要 本发明提供了一种基于微流控芯片的加压细 胞培养系统和方法， 包括微流控芯片、 压力驱动装 置、 连接管道和压力检测装置， 所述微流控芯片中 含有通道， 所述压力。

3、驱动装置包括与之相匹配的 用于盛放培养基的容器、 所述容器通过连接管道 与所述微流控芯片连接， 所述动力驱动装置推动 容器中的培养基进入微流控芯片， 所述压力检测 装置通过连接管道与所述微流控芯片连接。该系 统可方便地进行细胞在剪切力和压力作用下的培 养及相关研究， 该细胞加压培养系统拆装方便， 便 于携带。 (51)Int.Cl. (56)对比文件 审查员 吴漾 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 CN 104099247 B 2016.06.01 CN 104099247 B 1.一种基于微流控芯片的加压细胞培养系统， 包括微流控芯。

4、片、 压力驱动装置、 连接管 道和压力检测装置， 所述微流控芯片中含有通道， 所述压力驱动装置包括与之相匹配的用 于盛放培养基的容器、 所述容器通过连接管道与所述微流控芯片连接， 所述压力驱动装置 推动容器中的培养基进入微流控芯片， 所述压力检测装置通过连接管道与所述微流控芯片 连接； 所述压力驱动装置为注射泵或蠕动泵， 所述用于盛放培养基的容器为注射器， 所述连 接管道为软管， 所述压力检测装置为压力表或压力计； 所述微流控芯片中的通道长度为3-6cm， 通道宽度为1-3mm， 高度为50-200 m； 所述压力驱动装置和所述压力检测装置分别位于所述微流控芯片的两侧， 它们分别通 过连接管道。

5、与所述微流控芯片中的通道的两端连接； 或者 所述压力驱动装置和所述压力检测装置位于微流控芯片的同侧， 它们通过连接管道同 时与所述微流控芯片中的通道的一端连接， 所述通道的另一端被封闭， 所述连接管道接头 为T型接头。 2.根据权利要求1所述的基于微流控芯片的加压细胞培养系统， 其特征在于， 所述微流 控芯片由以下材料中的一种或几种制成： 聚甲基丙烯酸甲酯、 聚二甲基硅氧烷、 聚对苯二甲 酸乙二醇酯、 聚碳酸酯、 玻璃、 环氧树脂和水凝胶。 3.一种加压细胞培养方法， 其特征在于， 应用权利要求1或2所述基于微流控芯片的加 压细胞培养系统。 4.根据权利要求3的方法， 其特征在于， 包括以下步。

6、骤： 1)将贴壁细胞在微流控芯片的通道中培养； 2)利用压力驱动装置以一定的流速推动细胞培养基进入微流控芯片， 产生压力； 3)通过压力检测装置监测细胞所承受的压力。 5.根据权利要求4的方法， 其特征在于， 步骤2)中所述流速为0.01 l/min-10ml/min。 6.根据权利要求5的方法， 其特征在于， 步骤2)中所述流速为5-50 l/min。 权利要求书 1/1 页 2 CN 104099247 B 2 基于微流控芯片的加压细胞培养系统和方法 技术领域 0001 本发明涉及细胞生物学和细胞力学技术领域， 具体说， 涉及一种基于微流控芯片 的细胞加压培养系统和方法。 背景技术 000。

7、2 1990年， 瑞士科学家Manz和Widmer提出了微全分析系统 （Micrototalanalysis system） 的概念， 其目标是将整个分析化验实验室的功能集成到一个便携的设备、 甚至是一 块微小的芯片中。 因此， 微全分析系统也被称为 “芯片上的实验室 （Lab-on-a-chip， 即 LOC） ” 。 而微流控芯片 （Microfluidicchip） 是LOC的重要组成部分， 其主要特征是容纳流体 的有效结构 （包括通道、 反应器和其他功能单元） 在至少一个维度上为微米级尺寸。 微流控 芯片以微机电加工技术为基础， 在硅片、 玻璃或PDMS等材料上制造通道并集成驱动和检验。

8、 装置， 通过对通道中流体的控制把样品制备、 分离及检测， 生物与化学反应等基本操作单元 集成到一块几平方厘米 （甚至更小） 的芯片上， 用以完成不同的生物或化学反应过程， 并对 其产物进行分析。 0003 常规的细胞加压培养为气体加压培养方法， 比如将细胞培养在培养皿中， 将培养 皿放在高压锅等压力容器中， 再将压力容器放于细胞培养箱中。 专利CN1858203A公开了一 种气控加压细胞培养仪， 包括带开口的容器和与之相匹配的容器盖， 所述容器或容器盖上 设置有进气口、 出气口、 压力表和安全阀。 这种方法操作性有待改善， 且压力不易控制。 0004 目前微流控芯片及包含微流控芯片的系统已广。

9、泛应用于多个技术领域， 尤其是细 胞生物学技术领域， 而在模拟高血压等相关技术领域则需要在细胞培养过程中施加一定压 力以接近体内生理环境， 到目前具有加压操作的微流控芯片培养系统并未见报道。 发明内容 0005 本发明针对以上问题， 提供一种基于微流控芯片的加压细胞培养系统和方法。 0006 本发明的目的通过以下技术手段得以实现： 0007 一种基于微流控芯片的加压细胞培养系统， 包括微流控芯片、 压力驱动装置、 连接 管道和压力检测装置， 所述微流控芯片中含有通道， 所述压力驱动装置包括与之相匹配的 用于盛放培养基的容器， 所述容器通过连接管道与所述微流控芯片连接， 所述动力驱动装 置推动容。

10、器中的培养基进入微流控芯片， 所述压力检测装置通过连接管道与所述微流控芯 片连接。 0008 本发明提供的加压细胞培养系统的微流控芯片中的通道尺寸与细胞尺寸级别相 当， 且该通道结合灌流培养方式更接近体内的生理状态； 使用该微流控芯片能够方便地控 制细胞微环境， 且该芯片形成相对封闭的环境， 减少外界环境对细胞的干扰。 0009 本发明提供的基于微流控芯片的加压细胞培养系统中， 所述压力驱动装置为注射 泵或蠕动泵， 所述用于培养基的容器为注射器， 所述连接管道为软管， 所述软管可以为橡胶 软管、 塑料软管， PVC， PE， PP， 硅胶管等各种类型的软管， 尺寸与用于盛放培养基的容器的出 说。

11、明书 1/4 页 3 CN 104099247 B 3 口、 微流控芯片的入口相匹配； 所述压力检测装置为压力表或压力计。 0010 其中， 所述微流控芯片包括入口、 出口和通道。 通道高度为20-400 m。 通道可以为 各种形式， 包括直通道、 弯曲通道， 单一通道、 多条平行通道等。 优选地， 所述通道长度为3- 6cm， 通道宽度为1-3mm， 高度为50-200 m。 0011 其中， 所述压力驱动装置和所述压力检测装置分别位于所述微流控芯片的两侧， 它们分别通过连接管道与所述微流控芯片中的通道的两端连接。 0012 本发明优选的实施例提供的基于微流控芯片的加压细胞培养系统中， 所述。

12、注射泵 和所述压力计分别位于微流控芯片相对的两侧， 它们通过软管与该微流控芯片中的通道的 两端连接， 该细胞培养系统组装完成后进行压力试验时， 注射泵推动注射器， 注射器里的培 养基流入微流控芯片中的微管道， 经过该通道流出后继续向压力计方向流动， 此种模式模 拟通道中培养的细胞既承受压力又承受流动剪切力的模式。 0013 其中， 所述压力驱动装置和所述压力检测装置位于微流控芯片的同侧， 它们通过 连接管道同时与所述微流控芯片中的通道的一端连接， 所述通道的另一端被封闭。 0014 本发明优选的实施例提供的基于微流控芯片的加压细胞培养系统中， 所述注射泵 和所述压力计位于微流控芯片的同一侧， 。

13、与微流控芯片中的通道的一端连接， 该通道的另 一端与软管的一端连接， 该软管的另一端被封闭住， 该细胞培养系统组装完成后进行压力 试验时， 注射泵推动注射器里的液体向压力计流动， 此种模式模拟通道内细胞只承受压力 而不承受剪切力的情况。 0015 优选地， 本发明实施例提供的基于微流控芯片的加压细胞培养系统中微流控芯片 由以下材料中的一种或几种制成： 聚甲基丙烯酸甲酯 （Polymethylmethacrylate,PMMA） 、 聚 二甲基硅氧烷 （Polydimethylsiloxane， PDMS） 、 聚对苯二甲酸乙二醇酯 （Polyethylene terephthalate,PET。

14、） 、 聚碳酸酯 （Polycarbonate,PC） 、 玻璃、 环氧树脂和水凝胶。 0016 在本发明优选的实施例中， 所述微流控芯片由聚二甲基硅氧烷 （PDMS） 和玻璃制 成， PDMS为一种高分子有机硅化合物， 具有光学透性， 且通常情况下为惰性， 且无毒， 其广泛 用于微流控芯片领域。 0017 本发明的另一方面， 提供一种应用上述基于微流控芯片的加压细胞培养系统进行 加压细胞培养的方法。 0018 具体包括以下步骤： 0019 1） 将贴壁细胞在微流控芯片的通道中培养； 0020 2） 利用压力驱动装置以一定的流速推动细胞培养基进入微流控芯片， 产生压力； 0021 3） 通过压。

15、力检测装置监测细胞所承受的压力。 0022 其中， 所述流速为为0.01 l/min-10ml/min， 优选的， 5-50 l/min。 0023 本发明提供的基于微流控芯片的加压细胞培养系统具有以下优点： 1、 微流控芯片 的通道尺寸小， 与细胞尺寸相当； 2、 通道和常用的灌流培养方式更接近体内的生理状态， 更 真实的模拟生理状态下细胞的生长状态； 3、 能够方便地控制细胞微环境； 4、 芯片的多维网 络结构形成相对封闭的环境， 减少外界环境对细胞的刺激； 5、 可实时对芯片通道中的细胞 进行观察、 检测； 6、 微流控芯片体积小， 可节约细胞及试剂的消耗量， 节约分析时间和成本； 7、。

16、 芯片多种单元技术可以灵活组合， 规模集成。 8、 系统体积小， 易搭建， 易拆装， 灵活， 便携。 9、 在系统中接入压力检测装置， 能够实时监测微管道中压力。 说明书 2/4 页 4 CN 104099247 B 4 附图说明 0024 图1为本发明一实施例中的基于微流控芯片的加压细胞培养系统的结构示意图， 其中注射泵和压力计分别位于微流控芯片的两侧。 0025 图2为本发明一实施例中的基于微流控芯片的加压细胞培养系统的结构示意图， 其中注射泵和压力计位于微流控芯片的同一侧。 0026 图3为本发明一实施例中的微流控芯片中的通道的结构示意图。 0027 图4为本发明一实施例中的微流控芯片中。

17、的通道的结构示意图。 0028 其中1、 注射器； 2、 注射泵； 3、 软管； 4、 微流控芯片； 5、 数显压力计； 6、 夹子； 7、 微流 控芯片中的通道 具体实施方式 0029 为了使本发明的目的、 技术方案及优点更加清楚明白， 以下结合附图及实施例， 对 本发明作进一步详细说明。 应当理解， 此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明， 并不 用于限定本发明。 0030 实施例1基于微流控芯片的加压细胞培养系统和方法 0031 如图1所示， 其中该基于微流控芯片的加压细胞培养系统包括注射泵、 微流控芯片 和压力计， 该注射泵和压力计分别通过软管与微流控芯片连接， 且该注射泵和压力计分。

18、别 位于该微流控芯片的两侧。 使用该连接方式的加压细胞培养系统时， 微流控芯片的通道中 培养的细胞既承受压力又承受流动剪切力。 0032 该微流控芯片由PDMS和玻璃制成， 为直通道芯片结构， 其中只有一条通道， 该通道 长3cm， 宽2mm， 高200 m。 0033 首先将细胞接种至通道中， 待细胞贴壁生长至约80%汇合度后， 进行压力实验。 在 使用该细胞培养系统进行压力实验时， 注射泵推动注射器， 培养基从注射器流出， 经连接软 管流至微流控芯片的通道中， 经该通道流出后经软管流向压力计探头， 压力计测量压力值 大小。 先使用较高的流速， 如30-40 l/min， 使压力计数值达到1。

19、2KPa的压力， 在血管内皮细 胞的研究中， 此压力用于模拟正常血压。 再使用较低的流速， 如5-10 l/min， 维持压力值在 0.5KPa的偏差范围内。 加压实验持续一段时间后停止注射泵， 可对培养基和管道里的细 胞进行后续实验和分析。 0034 实施例2基于微流控芯片的加压细胞培养系统和方法 0035 如图2所示， 其中该基于微流控芯片的加压细胞培养系统包括注射泵、 微流控芯片 和压力计， 该注射泵和压力计分别与一个T型接头的三个接口中的两个连接， 该T型接头的 另一个接口连接至该微流控芯片中的通道的一端， 该通道的另一端与一软管连接， 该软管 的另一端用夹子夹住使其封闭。 使用该T型。

20、接头加压细胞培养系统培养细胞时， 微流控芯片 的通道中的细胞只承受压力。 0036 该微流控芯片由PDMS和玻璃制成， 具有多条平行通道， 每条通道长2cm， 宽1mm， 高 75 m， 如图3所示。 0037 首先将细胞接种至通道中， 待细胞贴壁生长至约80%汇合度后， 进行压力实验。 在 使用该细胞培养系统进行压力实验时， 注射泵推动注射器， 培养基从注射器流出， 流向压力 说明书 3/4 页 5 CN 104099247 B 5 计探头， 压力计测量压力值大小。 先使用较大的流速， 如40-50 l/min， 使压力计数值达到 18KPa的压力， 再使用较低的流速， 如5-10 l/mi。

21、n， 维持压力值在0.5KPa的偏差范围内。 加 压实验持续一定时间后停止注射泵， 可对培养基和管道里的细胞进行后续实验和分析。 0038 实施例3基于微流控芯片的加压细胞培养系统和方法 0039 如图1所示， 其中该基于微流控芯片的加压细胞培养系统包括注射泵、 微流控芯片 和压力计， 该注射泵和压力计分别通过软管与微流控芯片连接， 且该注射泵和压力计分别 位于该微流控芯片的两侧。 0040 该微流控芯片由PDMS和玻璃制成， 为蜿蜒通道芯片结构， 其中只有一条通道， 该通 道宽100 m， 高20 m， 如图4所示。 0041 首先将细胞接种至通道中， 待细胞贴壁生长至约80%汇合度后， 进。

22、行压力实验。 在 使用该细胞培养系统进行压力实验时， 注射泵推动注射器， 培养基从注射器流出， 经连接软 管流至微流控芯片的通道中， 经该通道流出后经连接软管流向压力计探头， 压力计测量压 力值大小。 先使用较高的流速使压力计数值达到8KPa的压力。 再使用较低的流速维持压力 值在0.5KPa的偏差范围内。 加压实验持续一段时间后停止注射泵， 可对培养基和细胞进 行后续实验和分析。 0042 从以上实施例中可看出， 使用本发明的基于微流控芯片的加压细胞培养系统可对 各种培养在微流控芯片管道里的各种细胞进行持续且恒定的压力控制。 0043 虽然， 上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述， 但在 本发明基础上， 可以对之作一些修改或改进， 这对本领域技术人员而言是显而易见的。 因 此， 在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进， 均属于本发明要求保护的范围。 说明书 4/4 页 6 CN 104099247 B 6 图1 图2 图3 说明书附图 1/2 页 7 CN 104099247 B 7 图4 说明书附图 2/2 页 8 CN 104099247 B 8 。