專利名稱：微流控微生物二維懸浮培養(yǎng)芯片的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種生物芯片，尤其涉及一種微流控微生物二維懸浮培養(yǎng)芯片，其可實現以少量驅動溝道驅動多個相同大小的培養(yǎng)腔中液體循環(huán)流動，并保持流速應基本相同。
背景技術：
現有的高通量微流控細胞培養(yǎng)芯片尚無法滿足工業(yè)發(fā)酵中菌種培養(yǎng)要求。發(fā)酵工業(yè)最主要的液體發(fā)酵方式是深層發(fā)酵，即施加外力使微生物的菌體細胞均勻分散在液體培養(yǎng)基中進行懸浮培養(yǎng)，以促進營養(yǎng)物質吸收和代謝物及時分散，達到菌體或代謝物高產的目的。工業(yè)上主要通過發(fā)酵罐內的攪拌槳或空氣動力，實現菌體懸浮培養(yǎng)。然而微流控芯片中很難引入相應的混合裝置。不僅制作微型攪拌槳十分困難，而且微小的液體培養(yǎng)體系因蒸發(fā)、表面張力等原因，也無法實現氣升式循環(huán)混合。微流控培養(yǎng)芯片目前主要用于動物及人的細胞培養(yǎng)。細胞貼附在芯片培養(yǎng)室內壁，向芯片中注入培養(yǎng)基即可實現培養(yǎng)，芯片中缺乏培養(yǎng)液混合結構，因此不適用于懸浮培養(yǎng)工業(yè)微生物。目前世界范圍內用微流控芯片進行微生物懸浮培養(yǎng)的研究尚很少報道，目前可以見諸于文獻主要有如下數例(1) 2005年N等人報道的一種用于微生物平行發(fā)酵的四通道微反應器，其可用于大腸桿菌的培養(yǎng)發(fā)酵，但該芯片培養(yǎng)室直徑較大、攪拌槳加工安裝也較為復雜，培養(yǎng)單元數量的提升空間比較有限，制作難度大(Szita，N., et al.，Development of a multiplexed microbioreactor system for high-throughput bioprocessing. Lab on a Chip, 2005. 5(8) : p. 819-826. ) ； (2) 2005 年 Groisman· A等人報道的一種多通道的微流控微生物培養(yǎng)裝置，該裝置的培養(yǎng)單元多達340個，但其缺乏菌液混合結構，僅能靜置培養(yǎng)，菌體無法在培養(yǎng)液中充分分散，未能實現真正意義上的懸浮培養(yǎng)，菌體生長狀態(tài)與懸浮培養(yǎng)條件下的相差很大(Groisman，Α., et al. , A microfluidic chemostat for experiments with bacterial and yeast cells. , Nature Methods, 2005. 2(9) : p. 685-689) ; (3) 2005 年 Balagadd6. FK 等報道的一種六通道的細菌培養(yǎng)芯片，該芯片包含六個獨立的環(huán)狀管道培養(yǎng)單元，每個單元容積16 nL，集成了氣動微泵用于驅動菌流循環(huán)混合，其可連續(xù)運行500h以上(Balagadde，F. K., et al., Long-term monitoring of bacteria undergoing programmed population control in a microchemostat. ,Science, 2005. 309(5731) : p. 137-140)。盡管如此，由于芯片上僅集成六個單元，培養(yǎng)單元占用空間較大，單元數量提升空間十分有限，且控制管路復雜繁多， 距高通量菌種篩選應用尚有一段距離。因此，總體來看，目前已報道的用于微生物懸浮培養(yǎng)的微流控芯片尚存在重復單元少，培養(yǎng)單元空間占用面積大，缺乏有效的混合裝置，難以陣列化等不足，還不能滿足高通量微生物菌種篩選的要求
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提出一種能以少量的驅動管道和外接口驅動多個培養(yǎng)單元的培養(yǎng)液流，從而提高單位芯片面積上培養(yǎng)單元的數量，實現微生物大量平行培養(yǎng)的微流控微生物二維懸浮培養(yǎng)芯片，進而克服現有技術中的不足。為實現上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用了如下技術方案
一種微流控微生物二維懸浮培養(yǎng)芯片，包括一個以上培養(yǎng)單元，其特征在于 每一培養(yǎng)單元包括層疊設置的培養(yǎng)層和驅動層，培養(yǎng)層和驅動層之間設有彈性隔膜
層
所述培養(yǎng)層上分布有環(huán)形閉合培養(yǎng)溝道回路，所述培養(yǎng)溝道回路與設置在所述芯片上的進液口和出液口連通；
所述驅動層上分布有兩根以上線形驅動溝道，每一驅動溝道的兩端均與培養(yǎng)單元外部連通，且每一驅動溝道內均按設定時序通入驅動流體；
又及，每一驅動溝道均從所述培養(yǎng)溝道上方或下方穿過，并與培養(yǎng)溝道上的兩個不同選定部位形成交叉；
并且，在所有培養(yǎng)溝道與驅動溝道交叉處之中至少有兩個交叉處的培養(yǎng)溝道具有不同有效寬度和/或有效深度，從而使得在所有培養(yǎng)溝道與驅動溝道交叉處的彈性隔膜在驅動流體作用下發(fā)生形變時，對各交叉處的培養(yǎng)溝道內培養(yǎng)液產生的側向驅動力的合力足以驅動培養(yǎng)溝道內的培養(yǎng)液流單向循環(huán)流動；
所述有效寬度和有效深度分別指在培養(yǎng)溝道與驅動溝道交叉處的彈性隔膜受擠壓時可進入培養(yǎng)溝道的最大寬度值和最大深度值。優(yōu)選的，所述兩根以上線形驅動溝道并列平行分布在所述驅動層上，其進液口均位于芯片同一側，且各驅動溝道與培養(yǎng)溝道形成的所有交叉中，位于該芯片同一側的各交叉處的培養(yǎng)溝道的寬度均小于或大于位于芯片另一側的交叉處的培養(yǎng)溝道的寬度。尤為優(yōu)選的，所述兩根以上線形驅動溝道并列平行分布在所述驅動層上，其進液口均位于芯片同一側，且各驅動溝道與培養(yǎng)溝道形成的所有交叉中，位于該芯片同一側的各交叉處的培養(yǎng)溝道的有效深度均小于或大于位于芯片另一側的交叉處的培養(yǎng)溝道的有效深度。進一步的，至少在位于芯片相同一側的，各驅動溝道與培養(yǎng)溝道形成的交叉處的培養(yǎng)溝道中分布有支撐體，所述支撐體包括自培養(yǎng)溝道底部向上延伸的突出部和/或設置于培養(yǎng)溝道上端和下端之間的水平支撐件，所述突出部的高度低于培養(yǎng)溝道上端面或與之平齊，所述水平支撐件的直徑小于培養(yǎng)溝道深度。所述水平支撐件包括平行分布的復數根水平支撐柱。作為另一種優(yōu)選的實施方案，該微流控微生物二維懸浮培養(yǎng)芯片包括一個以上培養(yǎng)單元，其特征在于
每一培養(yǎng)單元包括層疊設置的培養(yǎng)層和驅動層，培養(yǎng)層和驅動層之間設有彈性隔膜
層
所述培養(yǎng)層上分布有一主培養(yǎng)溝道和一組分支培養(yǎng)溝道，所述主培養(yǎng)溝道和分支培養(yǎng)溝道串接形成閉合培養(yǎng)溝道回路，該培養(yǎng)溝道回路與設置在所述芯片上的進液口和出液口連通，
該一組分支培養(yǎng)溝道包括兩條平行設置的分支培養(yǎng)溝道，該兩條分支培養(yǎng)溝道的兩端分別與所述主培養(yǎng)溝道兩端連接形成一分支回路；
所述驅動層上分布有兩根以上線形驅動溝道，每一驅動溝道的兩端均與培養(yǎng)單元外部連通，且每一驅動溝道內均按設定時序通入驅動流體；
又及，每一驅動溝道均從該兩條分支培養(yǎng)溝道及該主培養(yǎng)溝道上方或下方穿過，并與該兩條分支培養(yǎng)溝道及該主培養(yǎng)溝道上的選定部位形成交叉；
并且，所述分支培養(yǎng)溝道與主培養(yǎng)溝道具有不同有效寬度和/或有效深度，從而使得在所有主培養(yǎng)溝道及分支培養(yǎng)溝道與驅動溝道交叉處的彈性隔膜在驅動流體作用下發(fā)生形變時，對各交叉處的培養(yǎng)溝道內培養(yǎng)液產生的側向驅動力的合力足以驅動培養(yǎng)溝道回路內的培養(yǎng)液流單向循環(huán)流動；
所述有效寬度和有效深度分別指在彈性隔膜受擠壓時可進入培養(yǎng)溝道的最大寬度值和最大深度值。具體而言，所述兩條分支培養(yǎng)溝道的結構相同，且所述分支培養(yǎng)溝道的寬度和/ 或深度均小于主培養(yǎng)溝道。作為又一種優(yōu)選的實施方案，該微流控微生物二維懸浮培養(yǎng)芯片包括一個以上培養(yǎng)單元，其特征在于
每一培養(yǎng)單元包括層疊設置的培養(yǎng)層和驅動層，培養(yǎng)層和驅動層之間設有彈性隔膜
層
所述培養(yǎng)層上分布有二條主培養(yǎng)溝道和二組分支培養(yǎng)溝道，所述主培養(yǎng)溝道和分支培養(yǎng)溝道串接形成閉合培養(yǎng)溝道回路，該培養(yǎng)溝道回路與設置在所述芯片上的進液口和出液 □連通，
其中，每一組分支培養(yǎng)溝道包括兩條平行設置的分支培養(yǎng)溝道，該兩條分支培養(yǎng)溝道的兩端分別與兩條主培養(yǎng)溝道的一端連接形成一分支回路；
所述驅動層上分布有兩根以上線形驅動溝道，每一驅動溝道的兩端均與培養(yǎng)單元外部連通，且每一驅動溝道內均按設定時序通入驅動流體；
又及，每一驅動溝道均從該兩組分支培養(yǎng)溝道上方或下方穿過，并分別與各分支培養(yǎng)溝道上的選定部位形成交叉；
并且，所有分支培養(yǎng)溝道與主培養(yǎng)溝道及不同組中的各分支培養(yǎng)溝道之間均具有不同有效寬度和/或有效深度，從而使得在所有分支培養(yǎng)溝道與驅動溝道交叉處的彈性隔膜在驅動流體作用下發(fā)生形變時，對各交叉處的分支培養(yǎng)溝道內培養(yǎng)液產生的側向驅動力的合力足以驅動培養(yǎng)溝道回路內的培養(yǎng)液流單向循環(huán)流動；
所述有效寬度和有效深度分別指在彈性隔膜受擠壓時可進入培養(yǎng)溝道的最大寬度值和最大深度值。優(yōu)選的，所有分支培養(yǎng)溝道的深度和/或寬度均小于主培養(yǎng)溝道，且同一組內的分支培養(yǎng)溝道的結構均相同，而不同組內的分支培養(yǎng)溝道的結構互不相同。尤為優(yōu)選的，所述微流控微生物二維懸浮培養(yǎng)芯片包括平行分布與同一平面上的復數個培養(yǎng)單元，其中，各培養(yǎng)單元中的各驅動溝道分別與相鄰培養(yǎng)單元中的相應驅動溝道串接。前述培養(yǎng)層和驅動層至少由高分子聚合物、水凝膠、硅片、石英、玻璃和金屬材料中的任意一種或兩種以上的組合形成，但不限于此。
所述彈性隔膜層由彈性高分子聚合物材料形成，但不限于此。所述閉合培養(yǎng)溝道回路可選用矩形、圓形等形態(tài)的平面閉合回路，但不限于此。所述進液口、出液口及驅動溝道的接口設置在所述芯片的頂部和/或底部。本發(fā)明微流控微生物二維懸浮培養(yǎng)芯片主要是利用蠕動泵的原理工作，即向每根驅動溝道內按特定時序通入一定壓力的液體或氣體，在每個培養(yǎng)單元的培養(yǎng)溝道與驅動溝道的交叉處，所述彈性膜按特定時序發(fā)生形變，而通過調整各交叉處培養(yǎng)溝道的結構，比如，調整被驅動溝道穿越區(qū)域內培養(yǎng)溝道的寬度、深度、數量或在培養(yǎng)溝道內設置阻礙彈性膜向下形變的結構，進行調整彈性膜的形變量，使彈性膜對各交叉處的培養(yǎng)溝道內培養(yǎng)液產生的側向驅動力的合力推動培養(yǎng)溝道中的培養(yǎng)液向一側方向流動。特別是對于同一環(huán)狀閉合的培養(yǎng)單元而言，培養(yǎng)溝道與驅動溝道有兩個交叉區(qū)， 彈性膜在這兩個交叉區(qū)的培養(yǎng)溝道可均為一根，亦可分為兩根或數根分支溝道。若每個交叉區(qū)內的培養(yǎng)溝道為一根，則可對該一根或兩根培養(yǎng)溝道的深度分別進行調整，或在該一根或兩根培養(yǎng)溝道內分別設置支撐結構；若每一交叉區(qū)內設置兩根以上分支溝道，則可該兩根以上分支溝道的深度和/或寬度分別進行調整，或在其中一根或兩根以上分支溝道內分別設置支撐結構。通過這樣的設計，使得彈性膜在這兩個區(qū)域形變擠壓培養(yǎng)溝道而產生的液體推動力不一致，從而推動液體在培養(yǎng)管道內循環(huán)流動，帶動液體中的微生物分散于整個液體環(huán)境中，驅動溝道交替運作可驅動被其穿越的多個培養(yǎng)單元中的液流循環(huán)流動。本發(fā)明可以用數量有限的兩根以上溝道將多個培養(yǎng)單元串聯起來并驅動其中液流循環(huán)運動，帶動菌體運動，實現懸浮培養(yǎng)。在一定面積的芯片中，培養(yǎng)單元數量能夠大幅增加，而驅動溝道最少可僅為2根，且在不增加驅動溝道數量的情況下，培養(yǎng)單元數量還可進一步增加。從而實現微流控多通道微生物懸浮培養(yǎng)，提高芯片的批次培養(yǎng)效率，并且，本發(fā)明中所有培養(yǎng)溝道是在同一個層面，制作更加方便，無需精確對準，且培養(yǎng)單元可以排列的更為緊密，單位面積內集成的培養(yǎng)單元數量更多。


圖IA是本發(fā)明第一種較佳實施例微流控細胞懸浮培養(yǎng)芯片的俯視示意圖； 圖IB是圖IA所示培養(yǎng)單元的分層結構俯視示意圖IC是圖IB虛線方框部分的局部放大俯視示意ID是圖IA所示培養(yǎng)單元沿線ID的剖面結構示意圖； 圖2A是本發(fā)明第二種較佳實施例微流控細胞懸浮培養(yǎng)芯片的俯視示意圖； 圖2B是圖2A所示培養(yǎng)單元的第一層結構俯視示意圖； 圖2C是圖2B虛線方框部分的局部放大俯視示意3A是本發(fā)明第三種較佳實施例微流控細胞懸浮培養(yǎng)芯片的俯視示意圖； 圖;3B是圖3A所示培養(yǎng)單元的第一層結構俯視示意圖； 圖3C是圖;3B虛線方框部分的局部放大俯視示意3D是圖3A所示培養(yǎng)單元沿線3D的剖面結構示意圖； 圖4A是本發(fā)明第四種較佳實施例微流控細胞懸浮培養(yǎng)芯片的俯視示意圖； 圖4B是圖4A所示培養(yǎng)單元的第一層結構俯視示意圖； 圖4C是圖4A所示培養(yǎng)單元沿線4C的剖面結構示意圖；圖4D是圖4A所示培養(yǎng)單元沿線4D的剖面結構示意圖； 圖中各附圖標記及其指示的組件分別為 100、200、300、400為芯片中的一個培養(yǎng)單元；
110、210、310、410為芯片第一層， 120為芯片第二層，
130為芯片第三層，
111、211、311、411為位于芯片第一層的培養(yǎng)主溝道； 121為位于芯片第一層的分支溝道；
221為位于芯片第一層的主分支溝道 231為位于芯片第一層的次分支溝道 321為位于芯片第一層的支撐柱； 421為位于芯片第一層的淺溝道；
112、212、312、412為驅動溝道；
113、213、313、413為進液口 ； 123、223、323、423 為出液口 ；
114、214、314、414為驅動溝道外接口。
具體實施例方式針對現有技術中的不足，本案發(fā)明人經長期研究和實踐，提出本發(fā)明的技術方案， 該技術方案可以采用多種實施方案。但總體來說，該微流控微生物二維懸浮培養(yǎng)芯片的基本結構是該芯片包括一個以上培養(yǎng)單元，其中，每一培養(yǎng)單元包括層疊設置的培養(yǎng)層和驅動層，培養(yǎng)層和驅動層之間設有彈性隔膜層
所述培養(yǎng)層上分布有環(huán)形閉合培養(yǎng)溝道回路，所述培養(yǎng)溝道回路與設置在所述芯片上的進液口和出液口連通；
所述驅動層上分布有兩根以上線形驅動溝道，每一驅動溝道的兩端均與培養(yǎng)單元外部連通，且每一驅動溝道內均按設定時序通入驅動流體；
又及，每一驅動溝道均從所述培養(yǎng)溝道上方或下方穿過，并與培養(yǎng)溝道上的兩個不同選定部位形成交叉，通過調整被驅動溝道穿越區(qū)域內培養(yǎng)溝道的寬度、深度、數量或在培養(yǎng)溝道內設置阻礙彈性膜向下形變的結構，進而在同一層面驅動液流單向運動。作為一種優(yōu)選實施方案，在所有培養(yǎng)溝道與驅動溝道交叉處之中至少有兩個交叉處的培養(yǎng)溝道具有不同寬度和/或有效深度，從而使得在所有培養(yǎng)溝道與驅動溝道交叉處的彈性隔膜在驅動流體作用下發(fā)生形變時，對各交叉處的培養(yǎng)溝道內培養(yǎng)液產生的側向驅動力的合力足以驅動培養(yǎng)溝道內的培養(yǎng)液流單向循環(huán)流動。進一步的，在該優(yōu)選方案中，所述兩根以上線形驅動溝道并列平行分布在所述驅動層上，其進液口均位于芯片同一側，且各驅動溝道與培養(yǎng)溝道形成的所有交叉中，位于該芯片同一側的各交叉處的培養(yǎng)溝道的寬度均小于或大于位于芯片另一側的交叉處的培養(yǎng)溝道的寬度。但是，顯然的，各驅動溝道的進液口亦可錯位設置，此時，本領域技術人員可根據蠕動泵的工作原理無需任何創(chuàng)造性勞動的設計出可產生推動液流單向流通的溝道結構。
尤為優(yōu)選的，所述兩根以上線形驅動溝道并列平行分布在所述驅動層上，其進液口均位于芯片同一側，且各驅動溝道與培養(yǎng)溝道形成的所有交叉中，位于該芯片同一側的各交叉處的培養(yǎng)溝道的有效深度均小于或大于位于芯片另一側的交叉處的培養(yǎng)溝道的有效深度。更優(yōu)選的，至少在位于芯片相同一側的，各驅動溝道與培養(yǎng)溝道形成的交叉處的培養(yǎng)溝道中分布有支撐體，所述支撐體包括自培養(yǎng)溝道底部向上延伸的突出部和/或設置于培養(yǎng)溝道上端和下端之間的水平支撐件，所述突出部的高度低于培養(yǎng)溝道上端面，所述水平支撐件的直徑小于培養(yǎng)溝道深度。所述水平支撐件包括平行分布的復數根水平支撐柱，但不限于此。作為另一種優(yōu)選的實施方案，所述培養(yǎng)層上的閉合培養(yǎng)溝道回路由一主培養(yǎng)溝道和一組分支培養(yǎng)溝道串接形成，該一組分支培養(yǎng)溝道包括兩條平行設置的分支培養(yǎng)溝道， 該兩條分支培養(yǎng)溝道的兩端分別與所述主培養(yǎng)溝道兩端連接形成一分支回路，每一驅動溝道均從該兩條分支培養(yǎng)溝道及該主培養(yǎng)溝道上方或下方穿過，并與該兩條分支培養(yǎng)溝道及該主培養(yǎng)溝道上的選定部位形成交叉；
并且，所述分支培養(yǎng)溝道與主培養(yǎng)溝道具有不同有效寬度和/或有效深度，從而使得在所有主培養(yǎng)溝道及分支培養(yǎng)溝道與驅動溝道交叉處的彈性隔膜在驅動流體作用下發(fā)生形變時，對各交叉處的培養(yǎng)溝道內培養(yǎng)液產生的側向驅動力的合力足以驅動培養(yǎng)溝道回路內的培養(yǎng)液流單向循環(huán)流動；
該方案中，優(yōu)選的，所述兩條分支培養(yǎng)溝道的結構相同，且所述分支培養(yǎng)溝道的寬度和 /或深度均小于主培養(yǎng)溝道。作為又一種優(yōu)選的實施方案，
所述培養(yǎng)層上的閉合培養(yǎng)溝道回路由二條主培養(yǎng)溝道和二組分支培養(yǎng)溝道串接形成， 其中，每一組分支培養(yǎng)溝道包括兩條平行設置的分支培養(yǎng)溝道，該兩條分支培養(yǎng)溝道的兩端分別與兩條主培養(yǎng)溝道的一端連接形成一分支回路，每一驅動溝道均從該兩組分支培養(yǎng)溝道上方或下方穿過，并分別與各分支培養(yǎng)溝道上的選定部位形成交叉；并且，所有分支培養(yǎng)溝道與主培養(yǎng)溝道及不同組中的各分支培養(yǎng)溝道之間均具有不同有效寬度和/或有效深度，從而使得在所有分支培養(yǎng)溝道與驅動溝道交叉處的彈性隔膜在驅動流體作用下發(fā)生形變時，對各交叉處的分支培養(yǎng)溝道內培養(yǎng)液產生的側向驅動力的合力足以驅動培養(yǎng)溝道回路內的培養(yǎng)液流單向循環(huán)流動。優(yōu)選的，所有分支培養(yǎng)溝道的深度和/或寬度均小于主培養(yǎng)溝道，且同一組內的分支培養(yǎng)溝道的結構均相同，而不同組內的分支培養(yǎng)溝道的結構互不相同。前述有效寬度和有效深度分別指在培養(yǎng)溝道與驅動溝道交叉處的彈性隔膜受擠壓時可進入培養(yǎng)溝道的最大寬度值和最大深度值。又及，該微流控微生物二維懸浮培養(yǎng)芯片包括平行分布與同一平面上的復數個培養(yǎng)單元，其中，各培養(yǎng)單元中的各驅動溝道分別與相鄰培養(yǎng)單元中的相應驅動溝道串接。前述培養(yǎng)層和驅動層至少由高分子聚合物、水凝膠、硅片、石英、玻璃和金屬材料中的任意一種或兩種以上的組合形成，但不限于此。所述彈性隔膜層由彈性高分子聚合物材料形成，但不限于此。所述閉合培養(yǎng)溝道回路優(yōu)選為矩形閉合回路。
所述進液口、出液口及驅動溝道的接口設置在所述芯片的頂部和/或底部。但需要說明的是，由于本發(fā)明是利用被驅動溝道穿越區(qū)域的培養(yǎng)溝道寬度或深度或溝道數量不同，彈性膜擠壓下面不同結構的溝道能夠形成不同程度的側向合力，從而驅動液流單向循環(huán)流動，因此，凡是被驅動溝道穿越區(qū)域，培養(yǎng)溝道具有不同寬度、深度或數量或阻礙彈性膜向下形變的結構，均可達到在同一層面驅動液流單向運動的目的。以下結合附圖及若干較佳實施例對本發(fā)明的技術方案作進一步的說明。實施例1參閱圖1A 1D，本實施例是由分布于一芯片上的培養(yǎng)陣列組成，該陣列包括一平面上串接的4個培養(yǎng)單元100，每個培養(yǎng)單元包含了位于第一層的培養(yǎng)主溝道111 和分支溝道121，這兩段培養(yǎng)溝道兩端相互連通，構成俯視為長方形的閉合回路，芯片第一層110厚度1. 5毫米，第一層的培養(yǎng)主溝道111寬100微米，深10微米，長6厘米；兩條分支溝道121分別寬50微米，深10微米，長5毫米；每個培養(yǎng)單元有獨立的進液口 113和出液口 123，直徑均為2毫米，用于液體和培養(yǎng)物的注入與排出；每個培養(yǎng)單元100的形狀大小都一致，依次排成一列；溝道上部為第二層120，該層是一層彈性隔膜，厚20微米，將第一層110和第三層130隔開，第三層130有兩根平行的驅動溝道112，組成微泵結構，寬均為 100微米，高10微米，溝道間水平相鄰距離lOOum，驅動溝道112從第一層培養(yǎng)主溝道111、 分支溝道121上方穿越每個培養(yǎng)單元100，每根驅動溝道112兩端均具有外接口 114，芯片第三層130厚1. 5毫米，三個芯片層的材質均選用聚二甲基硅氧烷，各層依次堆疊粘合。實施例2參閱圖2A 2C，本實施例是由分布于一芯片上的培養(yǎng)陣列組成，該陣列包括一平面上串接的4個培養(yǎng)單元200，每個培養(yǎng)單元包含了位于第一層的培養(yǎng)主溝道 211、兩條主分支溝道221、兩條次分支溝道231。芯片第一層210厚度1. 5毫米，第一層的培養(yǎng)主溝道211寬100微米，深10微米，長5厘米；兩條主分支溝道221分別寬100微米， 深10微米，長5毫米；兩條次分支溝道231分別寬50微米，深10微米，長5毫米；每個培養(yǎng)單元有獨立的進液口 213和出液口 223，直徑均為2毫米，用于液體和培養(yǎng)物的注入與排出； 每個培養(yǎng)單元200的形狀大小都一致，依次排成一列；溝道上部為第二層220，該層是一層彈性隔膜，厚20微米，將第一層210和第三層230隔開，第三層230有兩根平行的驅動溝道 212，組成微泵結構，寬均為100微米，高10微米，溝道間水平相鄰距離lOOum，驅動溝道212 從第一層培養(yǎng)主分支溝道221、次分支溝道231上方穿越每個培養(yǎng)單元200，每根驅動溝道 212兩端均具有外接口 214，芯片第三層230厚1. 5毫米，三個芯片層的材質均選用聚二甲基硅氧烷，各層依次堆疊粘合。實施例3參閱圖3A 3D，本實施例是由分布于一芯片上的培養(yǎng)陣列組成，該陣列包括一平面上串接的4個培養(yǎng)單元300，每個培養(yǎng)單元包含了位于第一層的培養(yǎng)主溝道311 和50個位于主溝道中的支撐柱321，芯片第一層310厚度1. 5毫米，第一層的培養(yǎng)主溝道 311寬100微米，深10微米，長6厘米；支撐住321高10微米，直徑30微米，柱間間隔70 微米；每個培養(yǎng)單元有獨立的進液口 313和出液口 323，直徑均為2毫米，用于液體和培養(yǎng)物的注入與排出；每個培養(yǎng)單元300的形狀大小都一致，依次排成一列；溝道上部為第二層 320，該層是一層彈性隔膜，厚20微米，將第一層310和第三層330隔開，第三層330有兩根平行的驅動溝道312，組成微泵結構，寬均為100微米，高10微米，溝道間水平相鄰距離 lOOum，驅動溝道312從第一層培養(yǎng)主溝道311、支撐柱321上方穿越每個培養(yǎng)單元300，每根驅動溝道312兩端均具有外接口 314，芯片第三層330厚1. 5毫米，三個芯片層的材質均選用聚二甲基硅氧烷，各層依次堆疊粘合。實施例4參閱圖4A、D，本實施例是由分布于一芯片上的培養(yǎng)陣列組成，該陣列包括一平面上串接的4個培養(yǎng)單元400，每個培養(yǎng)單元包含了位于第一層的培養(yǎng)主溝道411 和一段淺溝道421，芯片第一層410厚度1. 5毫米，第一層的培養(yǎng)主溝道411寬100微米， 深10微米，長6厘米；淺溝道421寬100微米，深5微米，長5毫米；每個培養(yǎng)單元有獨立的進液口 413和出液口 423，直徑均為2毫米，用于液體和培養(yǎng)物的注入與排出；每個培養(yǎng)單元400的形狀大小都一致，依次排成一列；溝道上部為第二層420，該層是一層彈性隔膜，厚 20微米，將第一層410和第三層430隔開，第三層430有兩根平行的驅動溝道412，組成微泵結構，寬均為100微米，高10微米，溝道間水平相鄰距離lOOum，驅動溝道412從第一層培養(yǎng)主溝道411、淺溝道421上方穿越每個培養(yǎng)單元400，每根驅動溝道412兩端均具有外接口 414，芯片第三層430厚1. 5毫米，三個芯片層的材質均選用聚二甲基硅氧烷，各層依次堆疊粘合。在現有技術中，特別是以Balagadc^設計的6通道培養(yǎng)芯片為例，其結構中每個微泵都完全獨立的驅動每個培養(yǎng)單元的液流，每個微泵通過3根氣體管道和3個外部接口與外部驅動設備連接。6個培養(yǎng)單元需要制作6個獨立微泵，包括18根驅動管道。當驅動單元數量提高時，集成的獨立微泵的數量也必須提高，管線的數量將提高3倍，大量的驅動溝道不僅使芯片的設計加工及驅動控制系統(tǒng)更加復雜，而且占用了大量芯片面積，限制了單元數量的進一步提升。而本發(fā)明最少可以兩根溝道將多個培養(yǎng)單元串聯起來并驅動其中液流循環(huán)運動，帶動菌體運動，實現懸浮培養(yǎng)。在一定面積的芯片中，培養(yǎng)單元數量能夠大幅增加(150個單元以上)，高于Balagadc^的芯片(6個)，而驅動溝道僅為2根，少于Balagadc^ 的芯片(驅動溝道18根，)，且在不增加驅動溝道數量的情況下，培養(yǎng)單元數量還可進一步增加，從而實現微流控多通道微生物懸浮培養(yǎng)，提高芯片的批次培養(yǎng)效率；并且，本發(fā)明所有培養(yǎng)溝道是在同一個層面，制作更加方便，無需精確對準，且培養(yǎng)單元可以排列的更為緊密，單位面積內集成的培養(yǎng)單元數量更多。以上僅是通過具體應用范例對本發(fā)明的實質特征進行的介紹，對發(fā)明的保護范圍不構成任何限制。凡采用等同變換或者等效替換而形成的技術方案，均落在本發(fā)明權利保護范圍內。
權利要求
1.一種微流控微生物二維懸浮培養(yǎng)芯片，包括一個以上培養(yǎng)單元，其特征在于每一培養(yǎng)單元包括層疊設置的培養(yǎng)層和驅動層，培養(yǎng)層和驅動層之間設有彈性隔膜層所述培養(yǎng)層上分布有環(huán)形閉合培養(yǎng)溝道回路，所述培養(yǎng)溝道回路與設置在所述芯片上的進液口和出液口連通；所述驅動層上分布有兩根以上線形驅動溝道，每一驅動溝道的兩端均與培養(yǎng)單元外部連通，且每一驅動溝道內均按設定時序通入驅動流體；又及，每一驅動溝道均從所述培養(yǎng)溝道上方或下方穿過，并與培養(yǎng)溝道上的兩個不同選定部位形成交叉；并且，在所有培養(yǎng)溝道與驅動溝道交叉處之中至少有兩個交叉處的培養(yǎng)溝道具有不同有效寬度和/或有效深度，從而使得在所有培養(yǎng)溝道與驅動溝道交叉處的彈性隔膜在驅動流體作用下發(fā)生形變時，對各交叉處的培養(yǎng)溝道內培養(yǎng)液產生的側向驅動力的合力足以驅動培養(yǎng)溝道內的培養(yǎng)液流單向循環(huán)流動；所述有效寬度和有效深度分別指在培養(yǎng)溝道與驅動溝道交叉處的彈性隔膜受擠壓時可進入培養(yǎng)溝道的最大寬度值和最大深度值。
2.根據權利要求1所述的微流控微生物二維懸浮培養(yǎng)芯片，其特征在于，所述兩根以上線形驅動溝道并列平行分布在所述驅動層上，其進液口均位于芯片同一側，且各驅動溝道與培養(yǎng)溝道形成的所有交叉中，位于該芯片同一側的各交叉處的培養(yǎng)溝道的寬度均小于或大于位于芯片另一側的交叉處的培養(yǎng)溝道的寬度。
3.根據權利要求1所述的微流控微生物二維懸浮培養(yǎng)芯片，其特征在于，所述兩根以上線形驅動溝道并列平行分布在所述驅動層上，其進液口均位于芯片同一側，且各驅動溝道與培養(yǎng)溝道形成的所有交叉中，位于該芯片同一側的各交叉處的培養(yǎng)溝道的有效深度均小于或大于位于芯片另一側的交叉處的培養(yǎng)溝道的有效深度。
4.根據權利要求3所述的微流控微生物二維懸浮培養(yǎng)芯片，其特征在于至少在位于芯片相同一側的，各驅動溝道與培養(yǎng)溝道形成的交叉處的培養(yǎng)溝道中分布有支撐體，所述支撐體包括由培養(yǎng)溝道底部向上延伸的突出部和/或設置于培養(yǎng)溝道上端和下端之間的水平支撐件，所述突出部的高度低于培養(yǎng)溝道上端面或與之平齊，所述水平支撐件的直徑小于培養(yǎng)溝道深度。
5.根據權利要求4所述的微流控微生物二維懸浮培養(yǎng)芯片，其特征在于所述水平支撐件包括平行分布的復數根水平支撐柱。
6.一種微流控微生物二維懸浮培養(yǎng)芯片，包括一個以上培養(yǎng)單元，其特征在于每一培養(yǎng)單元包括層疊設置的培養(yǎng)層和驅動層，培養(yǎng)層和驅動層之間設有彈性隔膜層所述培養(yǎng)層上分布有一主培養(yǎng)溝道和一組分支培養(yǎng)溝道，所述主培養(yǎng)溝道和分支培養(yǎng)溝道串接形成閉合培養(yǎng)溝道回路，該培養(yǎng)溝道回路與設置在所述芯片上的進液口和出液口連通，該一組分支培養(yǎng)溝道包括兩條平行設置的分支培養(yǎng)溝道，該兩條分支培養(yǎng)溝道的兩端分別與所述主培養(yǎng)溝道兩端連接形成一分支回路；所述驅動層上分布有兩根以上線形驅動溝道，每一驅動溝道的兩端均與培養(yǎng)單元外部連通，且每一驅動溝道內均按設定時序通入驅動流體；又及，每一驅動溝道均從該兩條分支培養(yǎng)溝道及該主培養(yǎng)溝道上方或下方穿過，并與該兩條分支培養(yǎng)溝道及該主培養(yǎng)溝道上的選定部位形成交叉；并且，所述分支培養(yǎng)溝道與主培養(yǎng)溝道具有不同有效寬度和/或有效深度，從而使得在所有主培養(yǎng)溝道及分支培養(yǎng)溝道與驅動溝道交叉處的彈性隔膜在驅動流體作用下發(fā)生形變時，對各交叉處的培養(yǎng)溝道內培養(yǎng)液產生的側向驅動力的合力足以驅動培養(yǎng)溝道回路內的培養(yǎng)液流單向循環(huán)流動；所述有效寬度和有效深度分別指在彈性隔膜受擠壓時可進入培養(yǎng)溝道的最大寬度值和最大深度值。
7.如權利要求6所述的微流控微生物二維懸浮培養(yǎng)芯片，其特征在于，所述兩條分支培養(yǎng)溝道的結構相同，且所述分支培養(yǎng)溝道的寬度和/或深度均小于主培養(yǎng)溝道。
8.一種微流控微生物二維懸浮培養(yǎng)芯片，包括一個以上培養(yǎng)單元，其特征在于 每一培養(yǎng)單元包括層疊設置的培養(yǎng)層和驅動層，培養(yǎng)層和驅動層之間設有彈性隔膜層所述培養(yǎng)層上分布有二條主培養(yǎng)溝道和二組分支培養(yǎng)溝道，所述主培養(yǎng)溝道和分支培養(yǎng)溝道串接形成閉合培養(yǎng)溝道回路，該培養(yǎng)溝道回路與設置在所述芯片上的進液口和出液 □連通，其中，每一組分支培養(yǎng)溝道包括兩條平行設置的分支培養(yǎng)溝道，該兩條分支培養(yǎng)溝道的兩端分別與兩條主培養(yǎng)溝道的一端連接形成一分支回路；所述驅動層上分布有兩根以上線形驅動溝道，每一驅動溝道的兩端均與培養(yǎng)單元外部連通，且每一驅動溝道內均按設定時序通入驅動流體；又及，每一驅動溝道均從該兩組分支培養(yǎng)溝道上方或下方穿過，并分別與各分支培養(yǎng)溝道上的選定部位形成交叉；并且，所有分支培養(yǎng)溝道與主培養(yǎng)溝道及不同組中的各分支培養(yǎng)溝道之間均具有不同有效寬度和/或有效深度，從而使得在所有分支培養(yǎng)溝道與驅動溝道交叉處的彈性隔膜在驅動流體作用下發(fā)生形變時，對各交叉處的分支培養(yǎng)溝道內培養(yǎng)液產生的側向驅動力的合力足以驅動培養(yǎng)溝道回路內的培養(yǎng)液流單向循環(huán)流動；所述有效寬度和有效深度分別指在彈性隔膜受擠壓時可進入培養(yǎng)溝道的最大寬度值和最大深度值。
9.如權利要求8所述的微流控微生物二維懸浮培養(yǎng)芯片，其特征在于，所有分支培養(yǎng)溝道的深度和/或寬度均小于主培養(yǎng)溝道，且同一組內的分支培養(yǎng)溝道的結構均相同，而不同組內的分支培養(yǎng)溝道的結構互不相同。
10.根據權利要求1或6或8所述的微流控微生物二維懸浮培養(yǎng)芯片，其特征在于所述微流控微生物二維懸浮培養(yǎng)芯片包括平行分布與同一平面上的復數個培養(yǎng)單元，其中， 各培養(yǎng)單元中的各驅動溝道分別與相鄰培養(yǎng)單元中的相應驅動溝道串接。
11.根據權利要求1或6或8所述的微流控微生物二維懸浮培養(yǎng)芯片，其特征在于 所述培養(yǎng)層和驅動層至少由高分子聚合物、水凝膠、硅片、石英、玻璃、陶瓷和金屬材料中的任意一種或兩種以上的組合形成；所述彈性隔膜層由彈性高分子聚合物材料形成。
12.根據權利要求1或6或8所述的微流控微生物二維懸浮培養(yǎng)芯片，其特征在于所述進液口、出液口及驅動溝道的接口設置在所述芯片的頂部和/或底部。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微流控微生物二維懸浮培養(yǎng)芯片，包括一個以上培養(yǎng)單元，每一培養(yǎng)單元包括層疊的培養(yǎng)層、彈性隔膜層和驅動層；該培養(yǎng)層上分布有環(huán)形閉合培養(yǎng)溝道回路，該回路與設置在芯片上的進、出液口連通；該驅動層上分布有若干線形驅動溝道，每一驅動溝道內均按設定時序通入驅動流體，且每一驅動溝道均從培養(yǎng)溝道回路上方或下方穿過，并與該回路的兩個不同選定區(qū)域交叉，通過調整被驅動溝道穿越區(qū)域內培養(yǎng)溝道的寬度、深度、數量或在培養(yǎng)溝道內設置阻礙彈性膜向下形變的結構，進而在同一層面驅動液流單向運動。本發(fā)明能以少量的驅動管道和外接口驅動多個培養(yǎng)單元的培養(yǎng)液流，提高單位芯片面積上培養(yǎng)單元的數量，實現微生物的大量平行培養(yǎng)。
文檔編號C12M1/00GK102337207SQ20111031675
公開日2012年2月1日 申請日期2011年10月18日 優(yōu)先權日2011年10月18日
發(fā)明者甘明哲, 陳立桅 申請人:中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所