[发明专利]一种自动捕获单细胞的微流控芯片

说明书

技术领域

本发明属于细胞生物学实验装置技术领域，是基于流体力学原理和微流控技术的用于长时间捕获、观察、检测离体悬浮单细胞的生物学研究实验装置，具体为一种自动捕获单细胞的微流控芯片。

背景技术

细胞微环境与细胞相互作用日益成为细胞生物学领域的研究热点之一。对离体悬浮培养的单细胞进行操控、观察、检测是探究细胞生物学行为常用的手段。高度、横向和纵向尺度在微米、毫米或厘米量级的微流控芯片装置不仅是捕获、操控离体培养细胞的理想实验平台，也是构建离体培养细胞微流动生物力学和生物化学环境的重要实验工具，在细胞生物学研究工作中得到了广泛使用。现有的研究多数利用流体驻点或物理屏障对单细胞进行捕获。利用流体驻点捕获单细胞对细胞机械损伤小，但常因驻点位置不稳定、捕获时间短而不利于长时间观察、检测和分析；而外加反馈控制系统的驻点捕获方法则由于外部光学传感器和控制器机构复杂，成本偏高，不便广泛应用。利用物理屏障捕获单细胞简单且成本低廉，但容易造成细胞损伤且不便于加载动态生化信号刺激。因此迫切需要一种能对离体悬浮培养单细胞进行长期捕获、避免细胞损伤且便于加载动态生化信号刺激的单细胞捕获微流控芯片。

发明内容

本发明的设计目的在于提供一种用于单细胞生物学研究的捕获单细胞的微流控芯片，设计中利用流体力学原理和微流控技术，巧妙地将驻点流理论与物理屏障相结合，实现对单细胞的长时间捕获，同时对捕获细胞加载动态生化信号刺激，用于单细胞生物学的实验研究。

本发明是一种集成了培养液入口、细胞悬浮液入口、培养液入口通道、自动捕获微通道系统、输出汇合通道和液体出口的玻璃-PDMS芯片。

本发明的技术方案如下：

一种自动捕获单细胞的微流控芯片，该微流控芯片包括培养液入口，细胞悬浮液入口，培养液入口上通道，培养液入口下通道，细胞悬浮液入口通道，自动捕获微通道系统，输出汇合通道和液体出口；

所述的自动捕获微通道系统由细胞捕获流动腔，输出上通道，输出下通道，阻力通道构成。

其中，细胞捕获流动腔包括一个入口和上、中、下三个出口，入口与培养液入口上通道、培养液入口下通道、细胞悬浮液入口通道相通，上出口与输出上通道相通，中出口与阻力通道相通，下出口与输出下通道相通；输出上通道、输出下通道、阻力通道汇合到输出汇合通道；细胞捕获流动腔由上曲线边界、下曲线边界、上直线边界、下直线边界围成，流动腔的高度远小于其宽度和长度，并且尺寸在微米量级，根据流体力学原理可知，流动腔内液体流动主要受压力梯度和上、下平行平板摩擦力的影响，侧面边界摩擦力的影响可忽略不计，沿流动腔高度取平均后得到的平均流速可用类似于处理平面势流的方法求得。因此可以根据已知复势决定的流线形状确定流动腔的边界，构造出具有流体驻点的流动腔。

在Z=x+iy平面上引进复势

式中和φ(x,y)分别是平均流速的势函数和流函数，在我们熟知的流动复势中，W(Z)＝AZⁿ（其中A是实数，n为正数且n>2）对应一类重要的平面势流。由于

Z=x+iy＝re^iθ                    (2)

这里r为Z的模，θ为Z的幅角，所以流函数φ(x,y)和势函数满足

因此，等势线和流线分别为

rⁿcosnθ=const    (4)

与

rⁿsinnθ=const         (5)

图2给出了n＝3时该平面势流的流线（实线）和等势线（虚线），坐标原点处的流速为零，即流体驻点。利用该平面势流的特点，构造如图3所示的细胞捕获流动腔，使细胞捕获流动腔的轴线、边界与流线重合。因此，上、下曲线边界方程为