[发明专利]用于心肌细胞三维功能性培养的微流控芯片及制备方法及力学电学特性检测方法

权利要求书

1.一种用于心肌细胞三维功能性培养的微流控芯片，其特征在于：包括圆形腔室结构，立于腔室底面的立柱结构，与腔室等深连通的长方形连通通道和分离式电学性能测量电极；

所述圆形腔室结构包括上侧圆形无顶腔室（101），左侧圆形无顶腔室（102）和右侧圆形无顶腔室（103）；所述三个圆形无顶腔室的圆心分别位于正三角形的三个顶点处，且腔室等深等直径；

所述立柱结构包括上侧圆柱体立柱（201），左侧圆柱体立柱（202），右侧圆柱体立柱（203）；所述各立柱截面与各圆形无顶腔室的圆心对准，高度与槽深相等或略低于槽深，使得所述圆形腔室两两连通；

所述长方形连通通道包括左侧连通通道（301），下侧连通通道（302）和右侧连通通道（303）；所述各连通通道分别与各圆形无顶腔室连通对准，各连通通道均为长方形无顶深槽结构，槽深与圆形腔室等深；

所述分离式电学性能测量电极包括上侧电极（401），左侧电极（402），右侧电极（403），电极底板基座（404）和用于连接外部信号处理电路的导线（405）；所述测量电极分别与所述圆柱体立柱相对齐；

所述立柱结构为可弹性弯曲结构，可受心肌组织收缩牵拉而弯曲，通过计算立柱顶部弯曲时的水平位移获得心肌细胞在肌纤维搏动能力的测定；

所述分离式电学性能测量电极通过结构倒置与心肌组织相接触并通过导线（405）向上侧电极（401）施加输入信号，通过导线（405）获得左侧电极（402）和右侧电极（403）的接收信号，并传送至外部信号处理电路中分析处理，获得心肌组织电学特性。

2.根据权利要求1所述的用于心肌细胞三维功能性培养的微流控芯片，其特征在于：所述长方形连通通道内连通通道的宽度均小于圆形无顶腔室的直径。

3.根据权利要求1所述的用于心肌细胞三维功能性培养的微流控芯片，其特征在于：所述圆形腔室结构，立柱结构和长方形连通通道引导心肌细胞沿着上侧圆柱体立柱（201）、左侧圆柱体立柱（202）、右侧圆柱体立柱（203）及左侧连通通道（301）、下侧连通通道（302）、右侧连通通道（303）生长成熟并形成具有生理功能的心肌组织。

4.一种如权利要求1-3任意一项所述用于心肌细胞三维功能性培养的微流控芯片的制备方法，其特征在于：包括步骤：

（1）3D打印与芯片相同结构的一次模具，用去离子水清洗并用氮气枪吹干，放置于紫外灯下数天得到固化的一次模具；

（2）利用软光刻工艺倒模制作二次模具结构层；

（3）对二次模具结构层和衬底层分别用去离子水清洗并用氮气枪吹干，置于氧等离子体清洗机中进行表面改性处理后，进行永久性键合形成二次模具；

（4）将二次模具利用硅烷蒸气在表面形成疏水层后，再次利用软光刻工艺制作具有圆形腔室结构，立柱结构和长方形连通通道的微流控芯片；

（5）在硅圆晶片上利用软光刻工艺倒模制作双层通道结构，并分别插入金属线从预留孔穿出，制作上侧电极，左侧电极，右侧电极和用于连接外部信号处理电路的导线。

5.根据权利要求4所述的用于心肌细胞三维功能性培养的微流控芯片的制备方法，其特征在于：所述衬底层为洁净的方形玻璃。

6.根据权利要求 4 所述的用于心肌细胞三维功能性培养的微流控芯片的制备方法，其特征在于：分离式电学性能测量电极用在玻璃表面上利用剥离工艺制作的共面微电极图案替代上侧电极（401），左侧电极（402），右侧电极（403）和用于连接外部信号处理电路的导线（405）。

7.一种利用微流控芯片的力学电学特性检测方法，其特征在于：利用权利要求 1-3任意一项所述的微流控芯片，包括步骤：

（1）将心肌细胞悬浮液加至微流控芯片的圆形腔室和长方形连通通道中，并将芯片放入培养箱中，设定适宜的培养环境至心肌细胞达到生理成熟，能攀附圆形腔室中的立柱结构并通过连通通道两两相连，形成条带状心肌组织；

（2）从培养箱中取出芯片，置于显微镜下观察，圆柱体立柱受到心肌组织的收缩力牵拉而一同向中心弯曲；此时使用显微镜的摄像镜头记录各圆柱体立柱顶端的圆面在心肌组织的收缩力的作用下发生的移动；

（3）进行数据采集和计算，得立柱顶部圆截面的水平方向位移，并通过综合立柱建模分析和测得的实际水平位移得到一组心肌组织收缩力的数值表征；

（4）将电极底板放在芯片上压紧后倒置，使得各电极分别与各立柱上的心肌组织接触，通过导线对上侧电极施加动作电位，在左侧电极和右侧电极接受电信号并通过导线连接至外部电路；通过外部电路对检测到的信号进行处理，对心肌细胞电信号传导能力进行判定。