[发明专利]用于可准确控制的细胞培养的微流体芯片

说明书

技术领域

本技术涉及细胞培养。更特别地，本技术涉及在微流体芯片上的可进出微孔中培养细胞。

背景技术

细胞培养是生物及医学研究的基本步骤。现有的细胞培养技术通常是劳动密集型的，并且受到静态细胞培养生长介质的约束，其监测和控制都很难实现，并且对于生物过程并不直观。此外，部分地由于细胞培养生长介质的高度静态性质，现有的细胞培养技术需要将培养中的细胞或细胞群转移至多个培养介质中(经常是使用移液器)，损伤培养中的细胞或细胞群的风险很高。

微流体设备允许将动态介质用于细胞培养，这种介质可进行监测和控制，通过自动或手动的反馈手段动态地调节细胞培养的营养和环境。然而，微流体设备目前仅局限于单细胞培养和非常小的细胞群。例如，许多微流体设备不适于培养胚胎细胞以及无法装入微流体设备中微通道的其他大型细胞。此外，有些细胞过于脆弱，或者是培养物本身过于脆弱，因此鉴于细胞培养物经过微流体设备的微通道时所经受的剪切力和压力，预计无法进行成功的细胞培养实验。例如，对于干细胞培养来说，脆弱性特别成问题。

概述

本技术提供在微流体芯片中的图案化微孔阵列，使得培养中的细胞或细胞群易于接近。在微流体芯片中的图案化微孔可将芯片上微流体通道技术与涉及移液的常规生物医学实验方法结合起来。很多实施方案可包括该微孔阵列的动态控制的流体环境以及该微孔阵列的动态控制的气体环境。

在一些实施方案中，细胞培养设备包括一个或多个相互连接的具有图案的层，该图案包括至少一个微流体通道。所述设备包括至少一个细胞培养孔，其一端开口并具有侧壁，所述至少一个微流体通道与所述至少一个细胞培养孔的侧壁呈流体连通，并且最大通道宽度显著小于该至少一个细胞培养孔的最大宽度。

在一些实施方案中，所述一个或多个相互连接的层包括两个或更多个相互连接的层，其中该至少两个或更多个相互连接的层限定了所述至少一个微流体通道。

在一些实施方案中，所述至少一个细胞培养孔的最大宽度为最大通道宽度的至少10倍。在一些实施方案中，所述至少一个细胞培养孔的最大宽度为最大通道宽度的至少60倍。

在一些实施方案中，所述设备包括与所述至少一个微流体通道呈流体连通的至少一个可控阀，该至少一个可控阀设置成可选择性地限制流体运输通过该至少一个微流体通道。在一些实施方案中，该可控阀是挠曲阀(flexure valve)。

在一些实施方案中，所述设备还包括与该至少一个微流体通道呈流体连通的至少一个泵，该至少一个泵设置成运输流体通过该至少一个微流体通道。在一些实施方案中，所述至少一个泵是蠕动泵。

在一些实施方案中，所述一个或多个相互连接的层包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)。在一些实施方案中，该设备还包括可移去的顶层，其适于覆盖所述至少一个细胞培养孔中的每一个。在一些实施方案中，所述至少一个细胞培养孔含有至少一个多能细胞。在一些实施方案中，该设备还包括外部可进出端口，其与所述至少一个微流体通道中的至少一个呈流体连通。

在一些实施方案中，该设备还包括至少一个传感器，其位于该至少一个细胞培养孔附近，并设置成观察置于该至少一个细胞培养孔中的一组测试细胞的物理性质。该设备包括与该至少一个传感器联通的控制器以及与该控制器联通的至少一个流体流动调节器。该控制器控制所述至少一个流体流动调节器，从而应答于该至少一个传感器所观察到的物理性质而调节通过该至少一个微流体通道的流体运输。

在一些实施方案中，该设备还包括选自以下的传感器：图像传感器、流速传感器、离子组成传感器、温度传感器、压力传感器、光传感器和光谱传感器。

在一些实施方案中，培养测试细胞的方法包括将至少一组测试细胞转移通过设置在至少一个细胞培养孔一端的开口以及运输流体通过至少一个微流体通道，所述微流体通道与该至少一个细胞培养孔的侧壁呈流体连通。所述至少一个微流体通道中每一个的最大通道宽度均显著小于所述至少一个细胞培养孔的最大宽度。所运输的流体有助于培养置于所述至少一个细胞培养孔内的所述至少一组测试细胞。

在一些实施方案中，运输流体通过所述至少一个微流体通道的动作包括改变所述至少一个微流体通道内的压力，所述压力改变驱动所述至少一个微流体通道与至少一个细胞培养孔的相应孔之间的流体。在一些实施方案中，改变该至少一个微流体通道内的压力包括泵送流体通过该至少一个微流体通道。在一些实施方案中，所述泵送流体通过该至少一个微流体通道包括使用注射器和蠕动泵中的至少一种。