專利名稱：流量法控制兩種動(dòng)態(tài)生化信號(hào)快速切換刺激的微流控剪切裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置技術(shù)領(lǐng)域，是基于流體力學(xué)、微流控芯片技術(shù)設(shè)計(jì)的用于分析微流動(dòng)環(huán)境定量調(diào)控離體貼壁細(xì)胞的生物學(xué)行為及其機(jī)制的細(xì)胞生物學(xué)研究實(shí)驗(yàn)裝置。
背景技術(shù)：
細(xì)胞微流動(dòng)環(huán)境與細(xì)胞相互作用的研究日益成為細(xì)胞生物學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。在體細(xì)胞微流動(dòng)環(huán)境中包含多種濃度隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)生化因子，即動(dòng)態(tài)生化信號(hào)，因
此，在體細(xì)胞承受微流動(dòng)產(chǎn)生的剪應(yīng)カ以及多種動(dòng)態(tài)生化信號(hào)的聯(lián)合作用，其生命過程和行為受微流動(dòng)環(huán)境的調(diào)控。為離體培養(yǎng)的細(xì)胞單獨(dú)或組合加載生物力學(xué)和多種生化信號(hào)是研究復(fù)雜微流動(dòng)環(huán)境與細(xì)胞相互作用的前提。高度、橫向和縱向幾何尺寸在微米、毫米或厘米量級(jí)的微流控芯片技術(shù)是構(gòu)建離體培養(yǎng)細(xì)胞微流動(dòng)生物力學(xué)和生物化學(xué)環(huán)境的重要實(shí)驗(yàn)工具，在細(xì)胞生物學(xué)研究工作中得到了廣泛使用。然而在基于微流控芯片的細(xì)胞生物學(xué)研究中，人們大多使用靜態(tài)的生物力學(xué)和生化信號(hào)刺激離體培養(yǎng)細(xì)胞，使用的實(shí)驗(yàn)裝置無法同時(shí)加載剪應(yīng)カ與不同動(dòng)態(tài)生化信號(hào)的組合切換刺激。少數(shù)能產(chǎn)生動(dòng)態(tài)生化信號(hào)的實(shí)驗(yàn)裝置，采用脈沖編碼調(diào)制(PCM)器、濃度數(shù)模轉(zhuǎn)化器(C-DAC)等方法，不僅微流控芯片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且控制過程困難。因此迫切需要ー種新型的能簡易方便地產(chǎn)生動(dòng)態(tài)生化信號(hào)、井能對(duì)離體培養(yǎng)的細(xì)胞精確加載剪應(yīng)力和不同動(dòng)態(tài)生化信號(hào)的組合切換刺激的離體細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型提供ー種新型的用于細(xì)胞生物學(xué)研究的實(shí)驗(yàn)裝置，設(shè)計(jì)中巧妙地將流體力學(xué)原理和微流控技術(shù)結(jié)合，使得裝置設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡単，控制過程方便，可通過軟件編程自動(dòng)控制產(chǎn)生動(dòng)態(tài)生化信號(hào)，不僅可為體外細(xì)胞加載剪應(yīng)力與兩種不同的動(dòng)態(tài)的生化刺激，更好地模擬細(xì)胞的在體環(huán)境，而且通過流量控制能切換刺激細(xì)胞的生化因子和調(diào)控生化因子濃度，實(shí)現(xiàn)對(duì)離體培養(yǎng)細(xì)胞微流動(dòng)環(huán)境的定量調(diào)控。本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下ー種流量法控制兩種動(dòng)態(tài)生化信號(hào)快速切換刺激的微流控剪切裝置，該裝置包括動(dòng)態(tài)生化信號(hào)產(chǎn)生裝置和微流控芯片兩部分，主要由可編程注射泵、注射器、雙通接ロ、硅膠管、三通接ロ、液體進(jìn)ロ A、液體進(jìn)ロ B、Y型微通道、液體出口構(gòu)成。動(dòng)態(tài)生化信號(hào)產(chǎn)生裝置包括四組可編程注射泵和注射器，注射器包括溶質(zhì)A注射器、溶劑A注射器、溶劑B注射器、溶質(zhì)B注射器，每個(gè)注射器的活塞凸緣固定在注射泵的推動(dòng)塊上，注射管用夾鉗固定在注射器固定塊的V型槽內(nèi)，通過計(jì)算機(jī)控制推動(dòng)塊的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)流量的定量調(diào)控。溶質(zhì)A注射器和溶劑A注射器通過雙通接ロ和硅膠管連接到三通接ロ，構(gòu)成了生成溶液A的動(dòng)態(tài)生化信號(hào)產(chǎn)生裝置。溶劑B注射器、溶質(zhì)B注射器通過雙通接ロ和硅膠管連接到三通接ロ，構(gòu)成另ー個(gè)生成溶液B的動(dòng)態(tài)生化信號(hào)產(chǎn)生裝置。微流控芯片是透明的玻璃-PDMS芯片，具有良好的生物相容性，集成了液體進(jìn)ロ A、液體進(jìn)ロ B、Y型微通道和液體出口。以溶液A為例闡述生成含有動(dòng)態(tài)生化因子(溶質(zhì)A)生化信號(hào)的原理。如圖3所示，Qai> Qa2和Qa分別表示溶質(zhì)A、溶劑A和溶液A的流量，CA1、CA2和Ca分別表示溶質(zhì)A、溶劑A和溶液A的生化因子濃度，溶劑A中不含生化因子，所以Ca2 = 0，根據(jù)質(zhì)量守恒定律和流體連續(xù)性得Qai+Qa2 = QaQaiCai = QaCa(I)由式(I)得Qai =^77^(2)
^AlO42 =仏丨(3)
V し^11 ノ因此在給定溶液A的流量Qa、濃度Ca和溶質(zhì)A的濃度Cai，即可得到溶質(zhì)A和溶劑A的流量Qai和QA2。根據(jù)上述原理通過控制注射泵使溶質(zhì)A注射器和溶劑A注射器的流量按照Qai和Qa2變化，即可生成流量按Qa、濃度按Ca變化的動(dòng)態(tài)生化信號(hào)，即溶液A。溶液B的產(chǎn)生原理與之類似。溶液A和溶液B分別通過玻璃-PDMS芯片上的液體進(jìn)ロ A和液體進(jìn)ロ B流入Y字型微通道；細(xì)胞培養(yǎng)在Y字型微通道的底部；Y型微通道(圖5)的高度H遠(yuǎn)小于其寬度W和長度L并且尺寸在微米、毫米級(jí)，根據(jù)流體力學(xué)知識(shí)可知，Y型微通道內(nèi)的流體表現(xiàn)出層流特性，流體在X軸方向的運(yùn)動(dòng)和變化可以忽略，根據(jù)泊肅葉定律可得溶液在Y型微通道內(nèi)的流速為
(、(9ρλΗ2\. 2γλ2]...uz(y)=I- —(4)
、&ノ8葉)其中P為壓強(qiáng)，η為溶液粘度系數(shù)。進(jìn)而得到單位寬度的流量多=f菩
W I dz )\2η(5)在假設(shè)溶液A和溶液B的粘度系數(shù)近似相等的情況下，溶液A和溶液B在單位寬度上的流量相等，即VW2 = Qa/Qb (6) 其中Qa和Qb表示溶液A和溶液B的流量，W1和W2表示溶液A和溶液B在細(xì)胞培養(yǎng)通道內(nèi)所占的寬度。由以上推導(dǎo)可知，在細(xì)胞培養(yǎng)通道內(nèi)溶液A和溶液B的流場(chǎng)分界線(圖5中點(diǎn)劃線)與溶液A和溶液B的流量比Qa/Qb有夫，控制該流量比即可改變流場(chǎng)分界線的位置，進(jìn)而改變貼壁細(xì)胞處的刺激溶液的濃度和種類，實(shí)現(xiàn)兩種不同動(dòng)態(tài)生化信號(hào)的切換刺激該Y型微通道在對(duì)貼壁細(xì)胞加載動(dòng)態(tài)生化刺激的同時(shí)也加載了剪應(yīng)カ信號(hào)，剪應(yīng)力與流體的粘度系數(shù)和剪變率成正比，因此有
T = η]&(7)其中η是粘度系數(shù)，盧是流體剪變率，剪變率定義為
(8)由式(4) (5) (7)⑶得到加載到貼壁細(xì)胞的剪應(yīng)カ為= 77^L/^ (9) 因此加載在貼壁細(xì)胞上的剪應(yīng)カ大小Tw與細(xì)胞培養(yǎng)通道總的流體流量Q成正比，通過控制流量Q可定量調(diào)控剪應(yīng)カ的大小。最后流出的溶液由液體出ロ流入試管中。本實(shí)用新型的有益效果是可成功對(duì)離體培養(yǎng)的貼壁細(xì)胞實(shí)現(xiàn)剪應(yīng)力、以及兩種不同動(dòng)態(tài)生化信號(hào)的切換刺激，用于分析微流動(dòng)環(huán)境定量調(diào)控離體貼壁細(xì)胞的生物學(xué)行為及其機(jī)制的細(xì)胞生物學(xué)研究實(shí)驗(yàn)。

圖I是流量法控制兩種動(dòng)態(tài)生化信號(hào)快速切換刺激的微流控剪切裝置結(jié)構(gòu)圖。圖中Α動(dòng)態(tài)生化信號(hào)產(chǎn)生裝置，B微流控芯片。圖2是可編程注射泵及其示意圖。圖3是溶液A產(chǎn)生原理圖。圖4是微流控芯片不意圖。圖5是Y型通道示意圖。圖6是實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖。圖中I溶質(zhì)A注射器；2溶劑A注射器；3溶劑B注射器；4溶質(zhì)B注射器；5雙通接ロ；6硅膠管；7三通接ロ ；8溶液A ；9溶液B ； 10液體進(jìn)ロ A ; 11液體進(jìn)ロ B ; 12Υ型微通道；13玻璃-PDMS芯片；14貼壁細(xì)胞；15液體出ロ ；16試管；17注射器固定塊；18V型槽；19夾鉗；20推動(dòng)塊。
具體實(shí)施方式
如圖I所示，本實(shí)用新型主要由動(dòng)態(tài)生化信號(hào)產(chǎn)生裝置和微流控芯片組成。其中動(dòng)態(tài)生化信號(hào)由可編程注射泵控制流量變化在組合的硅膠管內(nèi)混合產(chǎn)生。微流控芯片是透明的生物相容性良好的玻璃-PDMS芯片，集成了液體進(jìn)ロ、出口和Y型微通道。動(dòng)態(tài)生化信號(hào)產(chǎn)生部分通過硅膠管、連接頭與微流控芯片上的液體進(jìn)ロ連接構(gòu)成了流量法控制兩種動(dòng)態(tài)生化信號(hào)快速切換刺激的微流控剪切裝置。本實(shí)施例中，該裝置與激光顯微鏡、計(jì)算機(jī)構(gòu)成了細(xì)胞體外培養(yǎng)分析系統(tǒng)，如圖6所示。其中在動(dòng)態(tài)生化信號(hào)產(chǎn)生部分，四組可編程注射泵的注射器分別裝有刺激溶液A和溶液B的溶質(zhì)A、溶劑A、溶質(zhì)B和溶劑B。給定溶液A和溶液B的流量及濃度變化情況時(shí)，即可推算出各組注射器的流量變化，通過軟件編程控制注射泵的流量變化即可得到預(yù)期的含有動(dòng)態(tài)生化信號(hào)的刺激溶液A和溶液B。在微流控芯片部分，生成的溶液A和溶液B通過液體入口進(jìn)入Y型微通道，對(duì)細(xì)胞培養(yǎng)通道內(nèi)離體培養(yǎng)的貼壁細(xì)胞加載剪應(yīng)力、生化刺激并形成刺激溶液A和溶液B的流場(chǎng)分界線，其中Y型微通道高度為30 μ m,寬度為400 μ m，長度為4cm。進(jìn)ー步，利用激光共聚焦或熒光顯微鏡實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)刺激溶液濃度和流場(chǎng)分界線的位置并將信息反饋給計(jì)算機(jī)，進(jìn)而通過控制各注射器流量變化及溶液A和溶液 B的流量比定量調(diào)控刺激溶液的濃度，剪應(yīng)カ大小，改變流場(chǎng)分界線的位置以切換刺激溶液。實(shí)用新型可成功對(duì)離體培養(yǎng)的貼壁細(xì)胞實(shí)現(xiàn)剪應(yīng)力、以及兩種不同動(dòng)態(tài)生化信號(hào)的切換刺激，用于分析微流動(dòng)環(huán)境定量調(diào)控離體貼壁細(xì)胞的生物學(xué)行為及其機(jī)制的細(xì)胞生物學(xué)研究實(shí)驗(yàn)。
權(quán)利要求1.ー種流量法控制兩種動(dòng)態(tài)生化信號(hào)快速切換刺激的微流控剪切裝置，包括動(dòng)態(tài)生化信號(hào)產(chǎn)生裝置和微流控芯片兩部分，其特征在于，動(dòng)態(tài)生化信號(hào)產(chǎn)生裝置包括四組可編程注射泵和注射器，注射器包括溶質(zhì)A注射器、溶劑A注射器、溶劑B注射器、溶質(zhì)B注射器，每個(gè)注射器的活塞凸緣固定在注射泵的推動(dòng)塊上，注射管用夾鉗固定在注射器固定塊的V型槽內(nèi)，通過計(jì)算機(jī)控制推動(dòng)塊的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)流量的定量調(diào)控；溶質(zhì)A注射器和溶劑A注射器通過雙通接ロ和硅膠管連接到三通接ロ，構(gòu)成了生成溶液A的動(dòng)態(tài)生化信號(hào)產(chǎn)生裝置；溶劑B注射器、溶質(zhì)B注射器通過雙通接口和硅膠管連接到三通接ロ，構(gòu)成另ー個(gè)生成溶液B的動(dòng)態(tài)生化信號(hào)產(chǎn)生裝置； 微流控芯片是透明的玻璃-PDMS芯片，集成了液體進(jìn)ロ A、液體進(jìn)ロ B、Y型微通道和液體出口。
專利摘要本實(shí)用新型是用于調(diào)控離體培養(yǎng)細(xì)胞微流動(dòng)環(huán)境的細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，具體為流量法控制兩種動(dòng)態(tài)生化信號(hào)快速切換刺激的微流控剪切裝置。該實(shí)驗(yàn)裝置包括動(dòng)態(tài)生化信號(hào)產(chǎn)生裝置和微流控芯片兩部分。動(dòng)態(tài)生化信號(hào)產(chǎn)生裝置由可編程注射泵、注射器、硅膠管和三通接口組成；微流控芯片是集成了液體進(jìn)口、出口、Y型微通道的玻璃PDMS芯片。該實(shí)用新型不僅能產(chǎn)生剪應(yīng)力信號(hào)，且能同時(shí)生成強(qiáng)度和頻率不同的兩種動(dòng)態(tài)生化信號(hào)(即生化因子濃度隨時(shí)間變化的信號(hào))，并能根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要通過控制Y型微通道液體進(jìn)口流量實(shí)現(xiàn)對(duì)貼壁細(xì)胞加載剪應(yīng)力、以及快速切換加載兩種動(dòng)態(tài)生化信號(hào)刺激，用于分析微流動(dòng)環(huán)境定量調(diào)控離體貼壁細(xì)胞的生物行為及其機(jī)制的細(xì)胞生物學(xué)研究實(shí)驗(yàn)。
文檔編號(hào)C12M1/00GK202465675SQ2012201008
公開日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月16日
發(fā)明者李泳江, 覃開蓉 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)