用于細胞培養(yǎng)的微流控芯片、動態(tài)培養(yǎng)裝置及方法

用于細胞培養(yǎng)的微流控芯片、動態(tài)培養(yǎng)裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了用于細胞培養(yǎng)的微流控芯片、動態(tài)培養(yǎng)裝置及培養(yǎng)方法。該微流控芯片包括芯片入口、芯片出口、通道和細胞捕獲結(jié)構(gòu)，所述細胞捕獲結(jié)構(gòu)包括多個細胞捕獲單元，所述通道包括相互連通的第一通道和第二通道，所述第一通道分別通過第一連通區(qū)域和第二連通區(qū)域與所述第二通道連通，所述細胞捕獲單元包括細胞捕獲單元入口和細胞捕獲單元出口，所述細胞捕獲單元入口位于所述第一通道一側(cè)，所述細胞捕獲單元出口位于所述第二通道一側(cè)，所述細胞捕獲單元出口形成所述第二連通區(qū)域。胚胎細胞體外動態(tài)培養(yǎng)裝置包括上述微流控芯片，利用該培養(yǎng)裝置可對胚胎細胞進行簡單、高效的體外培養(yǎng)。
【專利說明】用于細胞培養(yǎng)的微流控芯片、動態(tài)培養(yǎng)裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微全分析系統(tǒng)的生物醫(yī)學應(yīng)用【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及用于細胞培養(yǎng)的微流控芯片、動態(tài)培養(yǎng)裝置及方法。

【背景技術(shù)】
[0002]如今胚胎細胞體外培養(yǎng)技術(shù)在生物醫(yī)學【技術(shù)領(lǐng)域】的應(yīng)用非常廣泛，并且成為關(guān)鍵技術(shù)。利用普通的培養(yǎng)皿、培養(yǎng)瓶等進行細胞體外培養(yǎng)，僅能為胚胎細胞提供一個靜態(tài)的、二維的體外生長環(huán)境，與胚胎細胞在動物體內(nèi)的生長環(huán)境差別很大。這類培養(yǎng)裝置常常會改變細胞的生長速率、功能、形態(tài)等特性，致使體外受精的胚胎細胞在后續(xù)培養(yǎng)過程中發(fā)育率很低。
[0003]胚胎細胞在體內(nèi)發(fā)育、成長期間會受到輸卵管的擠壓、摩擦、人體內(nèi)電磁環(huán)境，以及輸卵管液流的沖擊影響；胚胎細胞在發(fā)育、成長期間需要流動的營養(yǎng)液提供營養(yǎng)物質(zhì)并帶走胚胎分泌物，同時還有來自子宮蠕動所產(chǎn)生的機械力的刺激。而這些液流沖擊、營養(yǎng)物質(zhì)輸送與分泌物排出、機械力刺激、電磁環(huán)境是普通培養(yǎng)裝置無法提供的。
[0004]專利CN102876573A介紹了一種哺乳動物胚胎體外培養(yǎng)器，通過設(shè)置在培養(yǎng)室內(nèi)帶磁片的膜片的震動，帶動培養(yǎng)室內(nèi)的培養(yǎng)液、礦物油運動，模擬胚胎在哺乳動物體內(nèi)顯微環(huán)境條件下生長發(fā)育，刺激胚胎，使胚胎處于動態(tài)的、微觀的、三維的生長環(huán)境。專利CN202786260U把可調(diào)角度及速度的搖擺電機的動力傳輸軸與放置有胚胎培養(yǎng)皿的載物臺連接，通過搖擺電機帶動載物臺、胚胎培養(yǎng)器一起搖擺，使胚胎處于動態(tài)的培養(yǎng)狀態(tài)。這兩種方法都無法及時更新及控制流經(jīng)胚胎細胞的培養(yǎng)液，排除分泌物，為胚胎細胞提供更簡單高效的培養(yǎng)環(huán)境。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明目的在于提出一種用于細胞培養(yǎng)的微流控芯片、胚胎細胞體外動態(tài)培養(yǎng)裝置及培養(yǎng)方法，用于解決普通培養(yǎng)皿、培養(yǎng)瓶以及一般動態(tài)培養(yǎng)裝置進行胚胎細胞體外培養(yǎng)時無法提供模擬子宮內(nèi)環(huán)境，導(dǎo)致胚胎細胞成活率低，無法實現(xiàn)胚胎細胞體外簡單、高效的培養(yǎng)問題。
[0006]為此，本發(fā)明提出一種用于細胞培養(yǎng)的微流控芯片，包括芯片入口、芯片出口、通道和細胞捕獲結(jié)構(gòu)，所述細胞捕獲結(jié)構(gòu)包括多個細胞捕獲單元，所述通道包括相互連通的第一通道和第二通道，所述第一通道分別通過第一連通區(qū)域和第二連通區(qū)域與所述第二通道連通，所述細胞捕獲單元包括細胞捕獲單元入口和細胞捕獲單元出口，所述細胞捕獲單元入口位于所述第一通道一側(cè)，所述細胞捕獲單元出口位于所述第二通道一側(cè)，所述細胞捕獲單元出口形成所述第二連通區(qū)域。
[0007]優(yōu)選地，所述多個細胞捕獲單元沿液體流動方向依次排列在芯片入口與所述第一連通區(qū)域之間。
[0008]優(yōu)選地，所述細胞捕獲單元的形狀為凹弧形。
[0009]本發(fā)明還提出了一種基于微流控芯片的胚胎細胞體外動態(tài)培養(yǎng)裝置，包括上述的微流控芯片，以及營養(yǎng)池、出口儲液池和實驗臺，所述實驗臺用于承載所述微流控芯片，所述微流控芯片用于承載所述出口儲液池；
[0010]所述實驗臺包括載物臺、支撐柱和高度調(diào)節(jié)裝置，所述載物臺和所述支撐柱通過所述高度調(diào)節(jié)裝置連接，所述營養(yǎng)池置于所述載物臺上，所述出口儲液池置于所述芯片出口的上方，所述高度調(diào)節(jié)裝置用于調(diào)節(jié)所述營養(yǎng)池相對于所述出口儲液池的高度。
[0011]優(yōu)選地，所述高度調(diào)節(jié)裝置為高度調(diào)節(jié)螺母。
[0012]優(yōu)選地，所述營養(yǎng)池和所述出口儲液池上端有可拆分的細菌過濾膜，用于細胞生長過程中氣體交換時的細菌過濾。
[0013]優(yōu)選地，所述口儲液池是塑料管。
[0014]本發(fā)明還提出了一種利用上述培養(yǎng)裝置的培養(yǎng)方法，包括步驟:
[0015]S1、所述營養(yǎng)池中加入細胞溶液，所述出口儲液池置空，所述營養(yǎng)池和所述出口儲液池中的液面差驅(qū)動溶液在所述微流控芯片中流動，所述細胞捕獲單元捕獲單個細胞；
[0016]S2、在所述出口儲液池中加入培養(yǎng)液并調(diào)節(jié)所述高度調(diào)節(jié)裝置，使所述營養(yǎng)池和所述出口儲液池中的液面持平，將胚胎細胞體外動態(tài)培養(yǎng)裝置轉(zhuǎn)移到培養(yǎng)箱中培養(yǎng)設(shè)定時間；
[0017]S3、去除營養(yǎng)池和所述出口儲液池中的培養(yǎng)液，清空所述出口儲液池，在營養(yǎng)池中重新加入設(shè)定量的培養(yǎng)液；
[0018]S4、通過控制所述高度調(diào)節(jié)裝置在所述支撐柱上的位置調(diào)節(jié)所述營養(yǎng)池和所述出口儲液池中的液面差，改變所述微流控芯片內(nèi)的液流速度，以滿足適合細胞生長。
[0019]優(yōu)選地，在步驟S4中，還包括將所述微流控芯片置于顯微鏡下，觀察細胞的實時生成情況。
[0020]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，新的營養(yǎng)物質(zhì)、生長因子等源源不斷的提供給胚胎細胞的同時也帶走了胚胎細胞的分泌物，同時流動能使胚胎細胞的分泌物易于擴散，細胞和營養(yǎng)物質(zhì)、生長因子充分接觸。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1是本發(fā)明【具體實施方式】一的各部分的總體連接關(guān)系示意圖；
[0022]圖2是本發(fā)明【具體實施方式】一的微流控芯片各部分結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖3是本發(fā)明【具體實施方式】一的細胞捕獲結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0024]圖4是本發(fā)明【具體實施方式】一的營養(yǎng)池的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖5是本發(fā)明【具體實施方式】一的出口儲液池的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實施方式】
[0026]下面結(jié)合【具體實施方式】并對照附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。應(yīng)該強調(diào)的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應(yīng)用。
[0027]參照以下附圖，將描述非限制性和非排他性的實施例，其中相同的附圖標記表示相同的部件，除非另外特別說明。
[0028]實施例一:
[0029]請參看圖1為本發(fā)明【具體實施方式】一的各部分的總體連接關(guān)系示意圖，一種基于微流控芯片的胚胎細胞體外動態(tài)培養(yǎng)裝置，包括微流控芯片1、營養(yǎng)池2、出口儲液池3和實驗臺4。微流控芯片I是自行設(shè)計的胚胎細胞培養(yǎng)結(jié)構(gòu)，提供胚胎細胞培養(yǎng)所需的空間、營養(yǎng)物質(zhì)、機械力刺激等。營養(yǎng)池2是作為微流控芯片上培養(yǎng)液的入口儲液池，出口儲液池3是胚胎細胞培養(yǎng)液的出口儲液池，微流控芯片I上液流的驅(qū)動力來源于營養(yǎng)池2和出口儲液池3的液面差。實驗臺4包括基座12、載物臺13、支撐柱16和高度調(diào)節(jié)裝置14，其中，載物臺13和支撐柱16通過高度調(diào)節(jié)裝置14連接，通過控制高度調(diào)節(jié)裝置14在支撐柱16上的位置調(diào)節(jié)載物臺13和基座12之間的高度差，由于營養(yǎng)池2置于載物臺13上，出口儲液池3置于基座12上，進而調(diào)節(jié)營養(yǎng)池2和出口儲液池3中的液面差。出口儲液池可以采用塑料管，該塑料管直徑可以為15_、高可以為20_，高度調(diào)節(jié)裝置14可以采用高度調(diào)節(jié)螺母。
[0030]請參看圖2為本發(fā)明【具體實施方式】一的微流控芯片I各部分結(jié)構(gòu)示意圖，圖3為本發(fā)明【具體實施方式】一的細胞捕獲結(jié)構(gòu)7的示意圖。微流控芯片I包括芯片入口 5、芯片出口 6、通道8和細胞捕獲結(jié)構(gòu)7,細胞捕獲結(jié)構(gòu)7包括多個細胞捕獲單元9,通道8包括相互連通的第一通道81和第二通道82，第一通道81分別通過第一連通區(qū)域811和第二連通區(qū)域821與第二通道82連通，細胞捕獲單元9包括細胞捕獲單元入口和細胞捕獲單元出口，細胞捕獲單元入口位于第一通道81 —側(cè),細胞捕獲單元出口位于第二通道82—側(cè),細胞捕獲單元出口形成第二連通區(qū)域821。細胞捕獲結(jié)構(gòu)7將捕獲的細胞限制在每個細胞捕獲單元9中，實現(xiàn)單個胚胎細胞的獨立培養(yǎng)。在本發(fā)明的一個實施例中，多個細胞捕獲單元9沿液體流動方向依次排列在芯片入口 5與第一連通區(qū)域之間，細胞捕獲單元9的形狀為凹弧形?？蛇x地，通道8直流段的寬度為300 μ m,深度為50 μ m,細胞捕獲結(jié)構(gòu)7尺寸根據(jù)要培養(yǎng)的胚胎細胞種類進行選定。
[0031]本培養(yǎng)裝置工作時，微流控芯片I置于實驗臺4上，營養(yǎng)池2置于載物臺13上，硅膠管11兩頭分別接營養(yǎng)池出液口 10和芯片入口 5，出口儲液池3置于基座12上并粘在微流控芯片I的芯片出口 6處，請參看圖4本發(fā)明【具體實施方式】一的營養(yǎng)池的結(jié)構(gòu)示意圖，圖5本發(fā)明【具體實施方式】一的出口儲液池的結(jié)構(gòu)示意圖。在營養(yǎng)池2中加入一定細胞密度的細胞培養(yǎng)液懸浮液，出口儲液池3置空，在液面差的作用下，細胞順利地進入芯片入口 5流經(jīng)細胞捕獲結(jié)構(gòu)7流向芯片出口 6。當細胞捕獲結(jié)構(gòu)7中的細胞捕獲單元9為空時，流動阻力依液體流動方向增大，因此溶液中的細胞將被主流體攜帶入細胞捕獲單元9而被固定。一旦細胞被固定，臨近的沒有細胞的捕獲單元處的流動阻力最小，細胞將優(yōu)先在此固定。所有細胞捕獲單元9均固定細胞后，所處位置產(chǎn)生的流動阻力將大于胚胎捕獲結(jié)構(gòu)6末端通道的流動阻力，隨后的細胞將液流被帶走。在微流控芯片I中沒有多余細胞殘留，不會由于細胞沉降聚集而消耗營養(yǎng)成分及積累廢物，較好控制了芯片中接種細胞的微環(huán)境，確保其能更好的吸收養(yǎng)分。
[0032]在出口儲液池3中加入一定量的細胞培養(yǎng)液并調(diào)節(jié)高度調(diào)節(jié)裝置14使營養(yǎng)池2和出口儲液池3中的液面基本持平，此時，微流控芯片I中的液體停止流動，再將接種好細胞的芯片轉(zhuǎn)移到培養(yǎng)箱中。在停止溶液流動的過程中不需要對芯片進行任何操作，溶液停止流動后芯片中仍存留有充足量且均勻分布的液體，確保接種好的細胞在轉(zhuǎn)移過程中不會受環(huán)境改變的影響而失去活性。細胞停留在細胞捕獲結(jié)構(gòu)7內(nèi)并逐漸貼附于通道底部。培養(yǎng)一段時間后，棄去營養(yǎng)池2和出口儲液池3中的培養(yǎng)液,在營養(yǎng)池2中重新加入一定量新鮮的培養(yǎng)液，出口儲液池3置空。
[0033]被捕獲的胚胎細胞在細胞捕獲結(jié)構(gòu)7中生長，營養(yǎng)池2內(nèi)加入的胚胎細胞生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)、生長因子等將由液體的重力驅(qū)動進入微流控芯片1，并源源不斷的供應(yīng)給固定在細胞捕獲單元9中的胚胎細胞。培養(yǎng)液從營養(yǎng)池2經(jīng)過細胞捕獲結(jié)構(gòu)7流到出口儲液池3會導(dǎo)致液面差的逐漸變小，流速也在一定范圍內(nèi)發(fā)生變化，通過改變營養(yǎng)池2和出口儲液池3中液面高度差可以改變微流控芯片I內(nèi)的液流速度，以滿足適合細胞生長的最佳效果。在本發(fā)明的實施例中，改變營養(yǎng)池2和出口儲液池3中液面高度差可以通過控制高度調(diào)節(jié)裝置14來調(diào)節(jié)載物臺13和基座12的高度差來實現(xiàn)，也可以通過向營養(yǎng)池2中添加培養(yǎng)液或者從出口儲液池3中抽取廢棄的培養(yǎng)液來實現(xiàn)。若是不能調(diào)節(jié)載物臺13和基座12的高度差，由于進出口處的液面很快就會達到平衡，液體流動速度逐漸減緩直至最后停止，難以維持液體在通道內(nèi)以恒定的速度流動，通過采用本發(fā)明的高度調(diào)節(jié)裝置可實時調(diào)整液面差以獲得某類胚胎細胞生長所需的最佳流速，持續(xù)而穩(wěn)定地供給養(yǎng)分并帶走分泌物，保證胚胎細胞的正常生長，且整個培養(yǎng)裝置結(jié)構(gòu)簡單，不需要額外設(shè)備。
[0034]整個培養(yǎng)裝置在使用前需置于凈化工作臺上并暴露于紫外線下滅菌過夜，工作時置于培養(yǎng)箱中。為提高整個裝置的潔凈度，營養(yǎng)池2和出口儲液池3上端還設(shè)有可拆分的0.22 μ m的細菌過濾膜15，可滿足細胞正常生長過程中的氣體交換，使培養(yǎng)液中含有一定的氧分壓和二氧化碳濃度，并使細胞能在通道8內(nèi)正常生長。(此處0.22 μ m的細菌過濾膜可過濾細菌并實現(xiàn)氣體交換)
[0035]將培養(yǎng)裝置置于顯微鏡下，可實現(xiàn)單個胚胎細胞的實時在位觀測。
[0036]實施例二:
[0037]本發(fā)明還提出了一種利用上述培養(yǎng)裝置的培養(yǎng)方法，包括步驟:
[0038]S1、營養(yǎng)池2中加入細胞溶液，出口儲液池3置空，營養(yǎng)池2和出口儲液池3中的液面差驅(qū)動溶液在微流控芯片I中流動，細胞捕獲單元9捕獲單個細胞；
[0039]S2、在出口儲液池3中加入培養(yǎng)液并調(diào)節(jié)高度調(diào)節(jié)裝置14，使營養(yǎng)池2和出口儲液池3中的液面持平，將胚胎細胞體外動態(tài)培養(yǎng)裝置轉(zhuǎn)移到培養(yǎng)箱中培養(yǎng)設(shè)定時間；
[0040]S3、去除營養(yǎng)池2和出口儲液池3中的培養(yǎng)液，清空出口儲液池3，在營養(yǎng)池2中重新加入設(shè)定量的培養(yǎng)液；
[0041]S4、通過控制高度調(diào)節(jié)裝置14在支撐柱16上的位置調(diào)節(jié)營養(yǎng)池2和出口儲液池3中的液面差，改變微流控芯片I內(nèi)的液流速度，以滿足適合細胞生長。
[0042]還可以將微流控芯片I置于顯微鏡下，觀察細胞的實時生長情況。
[0043]由于本實施例與本發(fā)明產(chǎn)品實施例基于同一構(gòu)思，其帶來的技術(shù)效果與本發(fā)明產(chǎn)品實施例相同，具體內(nèi)容可參見本發(fā)明產(chǎn)品實施例中的敘述，此處不再贅述。
[0044]本領(lǐng)域技術(shù)人員將認識到，對以上描述做出眾多變通是可能的，所以實施例僅是用來描述一個或多個特定實施方式。
[0045]盡管已經(jīng)描述和敘述了被看作本發(fā)明的示范實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會明白，可以對其作出各種改變和替換，而不會脫離本發(fā)明的精神。另外，可以做出許多修改以將特定情況適配到本發(fā)明的教義，而不會脫離在此描述的本發(fā)明中心概念。所以，本發(fā)明不受限于在此披露的特定實施例，但本發(fā)明可能還包括屬于本發(fā)明范圍的所有實施例及其等同物。
【權(quán)利要求】
1.一種用于細胞培養(yǎng)的微流控芯片，包括芯片入口、芯片出口、通道和細胞捕獲結(jié)構(gòu)，其特征是，所述細胞捕獲結(jié)構(gòu)包括多個細胞捕獲單元，所述通道包括相互連通的第一通道和第二通道，所述第一通道分別通過第一連通區(qū)域和第二連通區(qū)域與所述第二通道連通，所述細胞捕獲單元包括細胞捕獲單元入口和細胞捕獲單元出口，所述細胞捕獲單元入口位于所述第一通道一側(cè)，所述細胞捕獲單元出口位于所述第二通道一側(cè)，所述細胞捕獲單元出口形成所述第二連通區(qū)域。
2.如權(quán)利要求1所述的用于細胞培養(yǎng)的微流控芯片，其特征是，所述多個細胞捕獲單元沿液體流動方向依次排列在芯片入口與所述第一連通區(qū)域之間。
3.如權(quán)利要求1或2任一項所述的用于細胞培養(yǎng)的微流控芯片，其特征是，所述細胞捕獲單元的形狀為凹弧形。
4.一種基于微流控芯片的胚胎細胞體外動態(tài)培養(yǎng)裝置，其特征是，包括如權(quán)利要求1所述的微流控芯片，以及營養(yǎng)池、出口儲液池和實驗臺，所述實驗臺用于承載所述微流控芯片，所述微流控芯片用于承載所述出口儲液池； 所述實驗臺包括載物臺、支撐柱和高度調(diào)節(jié)裝置，所述載物臺和所述支撐柱通過所述高度調(diào)節(jié)裝置連接，所述營養(yǎng)池置于所述載物臺上，所述出口儲液池置于所述芯片出口的上方，所述高度調(diào)節(jié)裝置用于調(diào)節(jié)所述營養(yǎng)池相對于所述出口儲液池的高度。
5.如權(quán)利要求4所述的胚胎細胞體外動態(tài)培養(yǎng)裝置，其特征是，所述高度調(diào)節(jié)裝置為高度調(diào)節(jié)螺母。
6.如權(quán)利要求5所述的胚胎細胞體外動態(tài)培養(yǎng)裝置，其特征是，所述營養(yǎng)池和所述出口儲液池上端有可拆分的細菌過濾膜。
7.如權(quán)利要求5所述的胚胎細胞體外動態(tài)培養(yǎng)裝置，其特征是，所述營養(yǎng)池上端開口，用于細胞生長過程中氣體交換。
8.如權(quán)利要求5所述的胚胎細胞體外動態(tài)培養(yǎng)裝置，其特征是，所述儲液池是塑料管。
9.一種利用權(quán)利要求4?7任一的培養(yǎng)裝置的培養(yǎng)方法，其特征是，包括步驟: 51、所述營養(yǎng)池中加入細胞溶液，所述出口儲液池置空，所述營養(yǎng)池和所述出口儲液池中的液面差驅(qū)動溶液在所述微流控芯片中流動，所述細胞捕獲單元捕獲單個細胞； 52、在所述出口儲液池中加入培養(yǎng)液并調(diào)節(jié)所述高度調(diào)節(jié)裝置，使所述營養(yǎng)池和所述出口儲液池中的液面持平，將胚胎細胞體外動態(tài)培養(yǎng)裝置轉(zhuǎn)移到培養(yǎng)箱中培養(yǎng)設(shè)定時間； 53、去除營養(yǎng)池和所述出口儲液池中的培養(yǎng)液，清空所述出口儲液池，在營養(yǎng)池中重新加入設(shè)定量的培養(yǎng)液； 54、通過控制所述高度調(diào)節(jié)裝置在所述支撐柱上的位置調(diào)節(jié)所述營養(yǎng)池和所述出口儲液池中的液面差，改變所述微流控芯片內(nèi)的液流速度，以滿足適合細胞生長。
10.如權(quán)利要求9所述的培養(yǎng)方法，其特征是，在步驟S4中，還包括將所述微流控芯片置于顯微鏡下，觀察細胞的實時生成情況。
【文檔編號】C12N5/073GK104371919SQ201410559419
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年10月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月20日
【發(fā)明者】彌勝利, 徐圓圓, 孫偉, 吳正潔, 蘇鑫, 孔彬, 劉多靜 申請人:清華大學深圳研究生院