專利名稱：微生物培養(yǎng)裝置及其操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明整體涉及微生物培養(yǎng)裝置領(lǐng)域，更特別地涉及用于細胞培養(yǎng)的微流體裝置。
背景技術(shù)：
微生物培養(yǎng)應(yīng)用于生物科學、臨床科學以及生物技術(shù)中。微生物培養(yǎng)利用微生物
培養(yǎng)裝置?；罴毎巧飳W中廣泛使用的微生物的一個例子。首先，最常見的培養(yǎng)方法涉及在培養(yǎng)皿或細胞培養(yǎng)瓶的底部培養(yǎng)。在這些裝置中，當使用例如正置顯微鏡時，液體和不平的空氣-液體/細胞界面的存在可能會影響細胞的成像。因為培養(yǎng)皿的底部提供清楚的光學界面，所以細胞可以另外地使用倒置顯微鏡來觀察。但是在高放大倍率(>40X)下，焦點深度成為問題。通常將薄的蓋玻片放置在細胞上(正置顯微鏡)或可能放置在細胞下 (倒置顯微鏡)。放置蓋玻片對實驗技巧有要求，以免例如擠壓細胞、包含厚層液體、或者在蓋玻片和培養(yǎng)皿之間形成滲漏。此外，帶有蓋玻片的樣本不能再次使用。因此，在最常用的培養(yǎng)方法中細胞是難以觀察的。第二，如本領(lǐng)域所公知的，在微流體中培養(yǎng)和研究細胞可能是有利的，其理由如下(i)這降低了用于罕見細胞和難以培養(yǎng)的細胞的成本，(ii)這能夠?qū)崿F(xiàn)更好的細胞增殖研究，(iii)細胞具有更好的(更小的)細胞/周圍培養(yǎng)基體積比，以及(iv)能夠?qū)崿F(xiàn)營養(yǎng)物和刺激因子的更快交換。例如在A.Persidis，Nature Biotechnol.，1998，16，488-489 中說明了這些優(yōu)點中的一部分。在這方面，很多微流體系統(tǒng)由聚二甲基硅氧烷(PDMS)制成，因為這種材料具有良好的機械性能、光學透明度和生物相容性。例如已經(jīng)開發(fā)了復(fù)雜的微流體細胞培養(yǎng)裝置以用于多種細胞類型，例如真核細胞、肺細胞、胚胎干細胞、和哺乳動物胚胎。特別地，微流體用于限制和培養(yǎng)細胞細胞必須保持在適于測量的特定區(qū)域中；細胞可能還需要定期的培養(yǎng)基交換、受控的溫度和co2。此外。一些重要的細胞(例如神經(jīng)元)難以在這種系統(tǒng)中培養(yǎng)，因為它們需要數(shù)日來附著和發(fā)展表現(xiàn)型。作為例子，US2007/0090166中公開了一種包括基底和膜的微流體裝置?；装ㄅc通道流體連通的容器。生物相容的流體可以被添加到容器和通道中。容器被構(gòu)造成接收和保持細胞群的至少一部分。膜起到防止生物相容的流體從通道蒸發(fā)的屏障的作用?？梢蕴砑由w子來覆蓋生物相容的流體，以防止生物相容的流體蒸發(fā)。其次，US2004/0265172涉及一種用于分析生物樣本的微流體裝置。該裝置設(shè)有包括入口端口的樣本入口區(qū)段、與入口端口和入口腔室連通的毛細管通道。入口腔室包括使樣本液體在入口腔室均勻分布并且將入口腔室中原有的空氣排出的裝置。US7138270公開了一種分析裝置，其包括基部和玻璃盤蓋?；烤哂袦\的微孔的陣列，每個微孔具有平的邊緣，所有的邊緣共平面。當蓋子放置在基部上時，每個邊緣形成薄的毛細間隙，用作對微孔腔室的液體密封。液體是過量的樣本液體，進一步過量的液體容納
4在微孔之間的溢出腔中。因為液體密封和淺的構(gòu)造，能夠?qū)崿F(xiàn)微流體裝置的優(yōu)點以及操作便利性，并且能夠使用傳統(tǒng)微孔板裝置的傳統(tǒng)檢測設(shè)備。當蓋子放置在基部上時，過量的樣本溢出到周圍的溢出區(qū)。剩余量的樣本填充邊緣和蓋子之間的毛細間隙。因此，希望體積的樣本完全被基部和蓋子圍繞，而不與環(huán)境空氣接觸。過量樣本在形成微腔室密封的邊緣上、以及在溢出腔中。蓋子和框架的接觸形成第二層封閉，也限制環(huán)境空氣接近以及使得樣本蒸發(fā)和污染最少化。排氣孔使得在放置蓋子的過程中當溢出腔接收過量的樣本時環(huán)境空氣能夠離開，從而確保蓋子的均勻放置。US7351575公開了一種用于對生物材料執(zhí)行至少一個批量操作(bulk process) 步驟的方法，包括a)通過使用在三(乙二醇)末端基團的背景中包含約0.1%到20%的馬來酰亞胺末端基團的混合自組裝單層(SAM)溶液對基板進行化學處理以加強基板上的激酶底物的固定；b)將可移除的第一構(gòu)件放置在基板上以形成可移除的第一構(gòu)件在基板上的自密封接觸，可移除的第一構(gòu)件能夠在基板上重復(fù)地自密封，可移除的第一構(gòu)件還在其中限定多個第一孔，每個第一孔具有對多個第一孔中相應(yīng)的孔進行限界的多個第一壁， 可移除的第一構(gòu)件還被構(gòu)造成使得當放置成與基板自密封接觸時，可移除的第一構(gòu)件用其限定與多個第一孔中相應(yīng)的孔對應(yīng)的多個第一壁?？梢瞥臉?gòu)件由當放置成與表面接觸時能夠自發(fā)地與表面形成流體密封的材料制成。不需要使用粘接劑、超聲、熱或其他方法來實現(xiàn)流體密封?？梢瞥臉?gòu)件能夠被密封到表面，然后(通過可以手動或機械執(zhí)行的諸如剝落或舉升的手段而)被移除，而不會損壞表面或在表面上留下殘留物。除了專利文獻之外，本發(fā)明主題的領(lǐng)域還有很多出版物，包括Sung Jae Kin等人的論文"Self-Sealed Vertical Polymeric Nanoporous-Junctions for High-Throughput Nanofluidic Applications”ACS Publications。其中作者開發(fā)了用于納米流體應(yīng)用的一種聚合納米結(jié)構(gòu)在基于聚(二甲基硅氧烷)(PDMS)的微流體通道中的集成方法。通過在機械切割形成的間隙之間滲透聚合物溶液來形成聚合物交界，而不需任何光蝕或蝕刻過程。 PDMS由于其柔性可以與PDMS/PDMS間隙之間的異質(zhì)聚合納米多孔材料自密封，而不需PDMS 與聚合物材料之間有任何(共價)鍵合。由此，可以以無泄漏且可重復(fù)的方式將納米多孔交界集成到PDMS微芯片中。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)第一方面，本發(fā)明提供一種微生物培養(yǎng)裝置，包括開放的腔室，其具有微生物保持結(jié)構(gòu)；以及溢流區(qū)，其包括毛細結(jié)構(gòu)，所述毛細結(jié)構(gòu)被構(gòu)造為在操作中能夠保持從所述開放的腔室溢流的過量的液體。在其他實施方式中，所述裝置可以包括下述特征中的一個或多個-所述溢流區(qū)是開放的區(qū)域，所述腔室和所述溢流區(qū)具有同一開放側(cè)；所述裝置還包括優(yōu)選為透明的覆蓋件，所述覆蓋件能夠移動至覆蓋住所述開放側(cè)的封閉位置，且所述毛細結(jié)構(gòu)進一步構(gòu)造為使得保持在其中的所述液體通過毛細作用而將所述覆蓋件保持在封閉位置；-所述裝置構(gòu)造為使得所述覆蓋件能夠在所述裝置上自密封；-所述腔室包括允許所述裝置中的液體封閉循環(huán)的一個或多個液體通道；且所述覆蓋件包括在封閉位置下能夠連接至所述通道的一個或多個通孔；
-所述毛細結(jié)構(gòu)限定柵格，所述柵格允許保持在所述柵格中的液體填充所述柵格的表面的至少30%或優(yōu)選地50% ；-所述毛細結(jié)構(gòu)的平均分隔距離小于500μ m,優(yōu)選地200 μ m,更優(yōu)選地60 μ m ；-所述腔室還包括構(gòu)造為分配腔室中的液流的一個或多個分配結(jié)構(gòu)；-所述裝置是微流體培養(yǎng)裝置；-所述裝置還包括構(gòu)造為在操作中能夠從所述毛細結(jié)構(gòu)移除過量的流體的泄出口 (vent)；-所述溢流區(qū)基本上位于所述腔室的周圍；以及-所述裝置還包括在所述腔室和所述溢流區(qū)之間的去濕區(qū)域，所述去濕區(qū)域中的毛細管壓力的絕對值低于所述溢流區(qū)中的毛細管壓力的絕對值。在另一個方面，本發(fā)明還涉及一種用于操作微生物培養(yǎng)裝置的方法，包括提供根據(jù)本發(fā)明的裝置和覆蓋件，以及包含微生物的液體；以過量的所述液體填充開放的腔室，使得液體的部分從開放的腔室突出；以及通過用覆蓋件壓迫所述液體的突出的部分來覆蓋所述裝置，使得過量的液體從所述腔室溢流至所述溢流區(qū)以被保持在所述溢流區(qū)中。在其他的實施方式中，所述方法可以包括下述特征中的一個或多個-所述覆蓋步驟還包括將所述覆蓋件移動至封閉位置，在封閉位置下保持在所述溢流區(qū)中的液體通過毛細作用保持所述覆蓋件；-該方法還包括下述步驟移除所述覆蓋件；干預(yù)所述裝置；以及用所述覆蓋件再次覆蓋所述裝置；-在所述提供步驟，所述裝置的腔室包括允許所述裝置中的液體封閉循環(huán)的一個或多個通道且所述覆蓋件包括在封閉位置下能夠連接至所述通道的一個或多個通孔；且在所述封閉步驟，所述通孔連接至所述通道；以及-該方法還包括下述步驟引導(dǎo)樣本經(jīng)過所述通孔中的至少一個進入所述腔室； 以及監(jiān)測液體與樣本的相互作用?，F(xiàn)在將通過非限制性的例子，參照附圖，說明本發(fā)明所使用的裝置和方法。


圖1-3示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的微生物培養(yǎng)裝置在其不同操作階段的截面圖；圖4-6分別示出與圖1-3的截面圖相對應(yīng)的相同的裝置的俯視示意圖；圖7示出圖1-6的裝置的部分的俯視圖，其中示出更多細節(jié)；圖8集中于圖7的如所指示的特定部分；圖9示出圖7中的裝置的更大的部分；且圖10-11是從根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的培養(yǎng)裝置的操作的影像中獲取的快照。為了清楚起見，圖中示出的細節(jié)(特別是圖1-6)可能有意地被放大、簡化或縮短， 而不必要成比例。
具體實施方式
作為對下述說明的介紹，首先指出本發(fā)明的整體方面涉及微生物培養(yǎng)裝置。該裝置包括開放的腔室，其中，微生物可能沉積在液體中以便隨后研究。具有開放的腔室簡化了微生物的沉積并且進一步允許使用例如用于細胞培養(yǎng)的標準器械。腔室還設(shè)有保持結(jié)構(gòu)， 以將微生物保持在腔室中。值得注意的是，所述裝置還包括溢流區(qū)，其中毛細結(jié)構(gòu)被構(gòu)造成保持例如在覆蓋該裝置時從開放的腔室溢流的過量的液體。由此，該裝置具有不同的區(qū)域，一個區(qū)域?qū)Ｓ糜诒３衷谄渲械奈⑸锏呐囵B(yǎng)物，而另一個區(qū)域被設(shè)計成捕獲過量的液體。由此，能夠?qū)⒃噭┫拗圃谇皇抑?，后者用作過濾器。過量的流體在外部被捕獲以用于其他應(yīng)用。特別地，被捕獲的液體可以用于由覆蓋件通過毛細管作用封閉該裝置。下面所說明的實施方式顯著地能夠減少氣泡的形成和/或防止由于過量的流體引起的不能有效密封。對于小型化試驗來說這是特別有利的。作為示例，下文說明的本發(fā)明的實施方式將主要涉及細胞培養(yǎng)。但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員將清楚，在本發(fā)明中可以想到其他的微生物。微生物的例子包括細菌、病毒感染的細胞或細菌、多細胞生物體或諸如線蟲(例如秀麗隱桿線蟲)的更高級的生物體和卵。圖1示意性地示出根據(jù)一種實施方式的裝置的截面圖，圖1與圖4的俯視圖相對應(yīng)。圖1的截面實際上對應(yīng)于圖4所示的A-A線。參照圖1和圖4，培養(yǎng)裝置100示出開放的腔室10，其中設(shè)置有保持結(jié)構(gòu)11以保持沉積在其中的例如活細胞17或任何其他微生物。除了保持結(jié)構(gòu)11之外，腔室通?？梢园ㄗ鳛榻缦薜膫?cè)壁12。該裝置還可以包括溢流區(qū)20，其具有限定毛細管凹部M的毛細結(jié)構(gòu)22。如圖3-6 更加清楚地示出，毛細結(jié)構(gòu)被構(gòu)造成保持從開放的腔室10溢流的過量的液體19。目前還看不到溢流，因為液體19，例如細胞的懸浮液17正好填充在腔室中。懸浮液可能通過微量吸管滴加，這可以從腔室的開放側(cè)容易地進行。如圖1所示，優(yōu)選地選擇液體19和腔室10，使得表面張力導(dǎo)致遍布腔室上的凸液面，即液體部分從開放的腔室突出。還可以提供覆蓋件(或蓋子)30(見圖1，圖4未示出)，現(xiàn)在將對其進行討論。參照圖2或圖5，覆蓋件30可以朝向裝置運動。覆蓋件基本上被操縱以壓迫突出的液體部分，使得過量的液體19’從腔室區(qū)10朝向溢流區(qū)20溢流，如圖5中向外指向的箭頭所示。注意為了清楚，附圖標記并不必要在圖2-6中重復(fù)。這些附圖是意義自明的。一旦覆蓋件到達如圖3或圖6所示的封閉位置，過量的液體19”在溢流區(qū)中穩(wěn)定化，并且通過毛細結(jié)構(gòu)22保持在空的空間M中。因此，在大多數(shù)細胞被保持在腔室中的同時，流體可以被從腔室移除(或與其他流體交換)以作它用，下文將討論。大多數(shù)細胞可能被保持在腔室中，從而能夠?qū)毎南奶峁└玫目刂?。基本上，可以滴加比腔室的體積更大體積的流體懸浮液，過量的流體容易地排出到溢流區(qū)，而細胞不會有大的損失。另外，可以注意到從圖1到圖3的過程中，在腔室區(qū)的水平上細胞的密度增加。注意細胞損失的最小化有時是很關(guān)鍵的。從腔室移除過量的流體在很多方面是有利的。例如，捕獲在溢流區(qū)20中的液體 19”可以用于通過毛細作用將覆蓋件保持在封閉位置，如圖3示意性地示出。為此，毛細結(jié)構(gòu)22被構(gòu)造成使得保持在其中的液體19”自身能夠?qū)⒏采w件保持在所述封閉位置。在這方面可以想到若干種裝置構(gòu)造。例如，裝置100可以被構(gòu)造成使得恒定的薄層液體能夠潤濕溢流區(qū)20。特別地，毛細結(jié)構(gòu)以及至少一些腔室結(jié)構(gòu)可以是共平面的，如圖1-3所示。毛細結(jié)構(gòu)還可以具有適宜地選擇的尺寸并根據(jù)最佳結(jié)構(gòu)樣式進行分布，后文將參照圖8具體說明。圖7示出圖1-6的裝置的內(nèi)部部件的示意性俯視圖。注意該裝置相對于圖4-6已經(jīng)轉(zhuǎn)動。此外，注意與之前的附圖不同的，白色部分代表實體結(jié)構(gòu)，而灰色/黑色區(qū)域表示空的空間。但是，與之前的附圖一樣，圖7示出腔室10，腔室10在頂部開放(朝向觀察者)并且由保持結(jié)構(gòu)11和側(cè)壁12形成顯著的界限。這里，腔室的壁12的形狀還限定延伸達到腔室10的相對端的流體通道34。通道在出現(xiàn)問題時可以具有不同的用途，后文將討論。該裝置還示出溢流區(qū)20，該溢流區(qū)20具有毛細結(jié)構(gòu)22。在圖7的實施方式中，溢流區(qū)20基本位于腔室10的周邊，緊緊圍繞著腔室10。這種構(gòu)造使得毛細結(jié)構(gòu)22能夠保持從腔室10 溢流的過量的液體。這里沒有示出覆蓋件。此外，相對于之前的附圖，圖7中的細節(jié)更加清楚。特別地，這里進一步示出腔室 10包括分配結(jié)構(gòu)14。所述結(jié)構(gòu)被構(gòu)造成使得液流在腔室中分配。在這方面，液流可能必須維持在腔室中以保存或維持細胞。因為腔室10比通道34更大，確保在腔室中各處的細胞適當?shù)乇┞队谶M入液體是有利的。這一點是特別重要的，因為在1毫米及以下的數(shù)量級時， 液流傾向于為層流。在層流中不太可能出現(xiàn)湍流和劇烈的混合。由此，在腔室中設(shè)置流動分配結(jié)構(gòu)幫助防止腔室中出現(xiàn)不受控制的、不均勻的流動。在流體可及的體積變大的位置處可以設(shè)置一個或多個這種分配結(jié)構(gòu)，優(yōu)選地相對于進入液流的方向構(gòu)造，如圖7所示。圖7中還能看出，腔室中的保持結(jié)構(gòu)11并不必要環(huán)繞腔室。它們可以例如部分地限定腔室的界限，例如垂直于前述通道34，以相對于向外流出的液體保持細胞。腔室還可以優(yōu)選地設(shè)置有支撐結(jié)構(gòu)13，以將覆蓋件支撐在所述“封閉位置”并且防止覆蓋件特別是在定位時的局部變形。有趣的是，還可以設(shè)置去濕區(qū)域15，如圖7所示。去濕區(qū)域位于腔室10和溢流區(qū) 20之間；這里去濕區(qū)域的形狀接近地反映壁12的形狀。在之前的附圖中為了清楚所以沒有示出去濕區(qū)域。它甚至不是必要的。但是，該區(qū)域可以被設(shè)計成提供適合的過渡介質(zhì)以便流體從腔室溢流到溢流區(qū)。在圖7-8的例子中，去濕區(qū)域是圍繞著細胞腔室10的主壁12的區(qū)域，不具有任何特定的機構(gòu)。去濕區(qū)域僅僅是平的。其目的在于將毛細結(jié)構(gòu)22與主壁12充分地隔開以提供低毛細壓力區(qū)域。特別地，去濕區(qū)域可以被構(gòu)造成使得其中的液體的毛細壓力低于溢流區(qū)20中的毛細壓力(絕對值)。這使得去濕區(qū)域中的液體運動至毛細結(jié)構(gòu)。理想地，去濕區(qū)域中的所有液體將運動至毛細結(jié)構(gòu)。否則，如果去濕區(qū)域中剩余的液體過多，則有液體經(jīng)過覆蓋件和主壁12之間的剩余空間運動回到腔室10的風險。如果覆蓋件基本親水(例如與水的前進接觸角 <45° )的話，這是完全有可能的。為此，可以推斷去濕區(qū)域的最小寬度應(yīng)當優(yōu)選地是隔開兩個相鄰的毛細結(jié)構(gòu)的最小距離的至少兩倍。當液體開始從腔室10溢流時(如圖2或圖5所示)，去濕區(qū)域能夠接收并儲存過量的流體，而不對其施加過多阻力。然后，當溢流液體開始滲透到周圍的毛細介質(zhì)20中時， 毛細壓差自然地促使液體從去濕區(qū)域朝向毛細介質(zhì)20運動。下面將參照圖8討論如何實現(xiàn)這一點，圖8中重點示出圖7中的矩形所示部分。注意圖8相對于圖7轉(zhuǎn)動以恢復(fù)到與圖4-6相同的方向。可以看到上文所討論的若干結(jié)構(gòu)，例如腔室區(qū)10、支撐結(jié)構(gòu)13、細胞保持結(jié)構(gòu)11、 分配結(jié)構(gòu)13和壁12。在去濕區(qū)域15之外，溢流區(qū)20中的毛細結(jié)構(gòu)22被更具體地示出。特別地，如圖8的實施方式所示的毛細結(jié)構(gòu)22限定了在空間上規(guī)則布置的結(jié)構(gòu) 22，其類似于二維的晶體柵格。具體來說，這里毛細結(jié)構(gòu)22限定50%緊密度的柵格。換句話說，柵格允許由保持在其中的液體填充其全部表面的50%。在實踐中該比率似乎是最佳的，不僅在制造方面，也在潤濕和保持例如水的方面。但是，根據(jù)所選擇的液體、所研究的微生物等，更低或更高的比率(例如30%或70% )也可能是適合的。此外，如圖所示，柵格中的毛細結(jié)構(gòu)之間的平均分隔距離優(yōu)選地小于500微米 (μ m)，以實現(xiàn)毛細保持。但是，選擇小于200 μ m的距離能夠改進毛細柵格的性能。但是， 約60 μ m或者更小的距離使得裝置的可制造性相對于性能最優(yōu)化。使用這種平均分隔距離(小于500、200或60 μ m)，并且假設(shè)使用適當選擇的材料 (例如經(jīng)過表面處理的PDMS)，由此毛細結(jié)構(gòu)提供的(例如對于水的)前進接觸角分別小于 90°，小于60°或小于45°。在對于水的前進接觸角略大于90°的PDMS的情況下，可以對PDMS施加簡單的表面處理以使其親水。一種表面處理是將細胞粘附分子沉積到PDMS表面上。這可以在將包含細胞的溶液裝載到腔室10中之前進行。例如，PDMS微生物培養(yǎng)裝置100可以由包含纖連蛋白的含水生物緩沖劑覆蓋30分鐘。然后培養(yǎng)裝置可以由去離子水沖洗并且使用空氣流干燥。這使得纖連蛋白分子層自發(fā)地沉積在PDMS表面的各處。因此，由于表面上存在纖連蛋白，PDMS將是親水的。此外，因為纖連蛋白是細胞粘附分子，所以處理后的PDMS表面將促進細胞的粘附和適當?shù)纳锇l(fā)育?？梢允褂闷渌募毎掣椒肿印ｎ愃频?，可以使用其他的處理，例如將表面活性劑或嵌段共聚物沉積到PDMS表面。毛細結(jié)構(gòu)可以具有適合的尺寸和形狀并且按照例如菱形柵格、六邊形柵格或平行四邊形柵格分布，這些本身是公知的。例如，圖8所示的毛細結(jié)構(gòu)符合六邊形柵格。它們還可具有橢圓形的形狀，長度為例如100 μ m且寬度為60 μ m。這里，行內(nèi)間隔為60 μ m,是行間間隔(30μπι)的兩倍。值得注意的是，第一行距主壁12的距離為215 μ m，因此該情況下去濕區(qū)域15的寬度為215 μ m。注意上述尺寸僅僅是示意性的。本領(lǐng)域技術(shù)人員將清楚，最佳選擇取決于所涉及的材料和液體。但是，裝置中結(jié)構(gòu)的材料、尺寸和形狀可以優(yōu)選地調(diào)整以使得涉及的多種毛細壓力最優(yōu)化。關(guān)于毛細結(jié)構(gòu)的形狀，毛細結(jié)構(gòu)優(yōu)選地具有一個或多個圓壁以防止液體依附于角落。此外，毛細結(jié)構(gòu)優(yōu)選地為橢圓形，并且主軸盡可能沿著液體的期望的溢流方向定向。這里，橢圓形結(jié)構(gòu)的主軸僅垂直于主壁12。這能夠優(yōu)化將液體遠離壁12并且不基本平行于主壁地牽引。并且，調(diào)節(jié)毛細結(jié)構(gòu)之間的分隔距離的橫向值以優(yōu)化毛細壓力。此外，毛細結(jié)構(gòu)優(yōu)選地具有與腔室中的一些或所有結(jié)構(gòu)(壁、保持結(jié)構(gòu)、支撐結(jié)構(gòu)等)基本相同的高度，如圖1所示。具有相同的高度簡化了制造過程，因為所有的結(jié)構(gòu)在同一步驟中蝕刻成相同的深度。因此區(qū)域20中的深度可以固定為與腔室10中的深度相同。其次，如介紹中所述，為了實驗用途覆蓋件優(yōu)選地是透明的。例如如前文所述，由于毛細結(jié)構(gòu)，覆蓋件還可以在裝置上自密封。覆蓋件甚至更優(yōu)選地是可以移除并且重新定位的，這有效地提高了裝置的人機工效。為此，有利地提供例如柔性的蓋子。在操作中，覆蓋件可以相應(yīng)地首先運動至封閉位置。然后，可以移除覆蓋件以便隨后干預(yù)裝置。因此，可以容易地改良裝置中液體的給定的屬性。覆蓋件可以例如被移除以便例如通過使用移液管直接吸取來回收一些細胞。然后可以在除細胞腔室之外的其他地方對所回收的細胞進行分析、培養(yǎng)或改良?；蛘呷绻仨殞毎M行例如需要將探針插入腔室中的特定測量，可以移除覆蓋件。例如覆蓋件可以被移除并且將用于膜片箝測量的移液管或用于阻抗測量的微電極與感興趣的一個細胞相接觸。最后，可以用覆蓋件再次封閉該裝置。如前文所討論的，例如參照圖7，腔室可以包括一個或多個液體通道34，使得在裝置中液體能夠經(jīng)過腔室至少封閉地循環(huán)?，F(xiàn)在，覆蓋件還可以包括例如當覆蓋件封閉裝置時能夠連接到通道的一個或多個通孔32。因此，通孔可以允許甚至在封閉覆蓋件之后填充一些樣本或額外的流體，或者調(diào)節(jié)已經(jīng)在裝置中的流體，以便保存腔室中的活細胞。在實踐中，通常在與添加的樣本相互作用之前和之后監(jiān)測細胞。一個通孔32位于一端，因此可以用于插入樣本，而另一個通孔32位于另一端，用于排出樣本。由此通孔32用于維持、調(diào)節(jié)裝置中的微生物。還可以提供其他的通孔，這在后文將說明。具有如上文所述的通孔32提供多種優(yōu)點。特別是，這顯著地簡化了裝置的制造， 因為它免去了在裝置主體中具有圓形輪廓的隧道結(jié)構(gòu)，而這可能是很難的。此外，這允許容易地調(diào)整通孔上的開口的直徑，如果必要的話。但是，如果需要實質(zhì)性干預(yù)腔室，例如回收一些細胞，那么仍可以移除覆蓋件。此外，諸如泵、加熱器和閥的外部周邊設(shè)備可以連接至通孔32。這允許細胞培養(yǎng)裝置100中的液體以不同的流動速率流動不同的持續(xù)時間。液體甚至可以流動以在細胞腔室10中形成梯度。細胞培養(yǎng)裝置100與外部設(shè)備連接的可能性通過允許對細胞進行廣泛的簡單和復(fù)雜的研究從而大大加強了裝置的應(yīng)用和功能性。不具有與外部設(shè)備的連接性將要求細胞培養(yǎng)裝置100具有所需要的功能，從而使得裝置的制造和使用更加昂貴和復(fù)雜。接下來，圖9示出與圖7相同的裝置的更大部分，其中可以看到更多的結(jié)構(gòu)。與之前的附圖一樣，圖中示出腔室和溢流區(qū)。雖然沒有明確示出，認為覆蓋件被設(shè)置在裝置上以封閉該裝置。通孔32位于通道的端部34的正上方，如前文所討論的，并且與其相連接。適合的連接裝置本身是公知的。例如可以使用具有Upchurchkientific⑧的配件和適配器的標準1/32英寸管。此外，優(yōu)選地設(shè)置有泄出口 40，泄出口 40被構(gòu)造成從毛細結(jié)構(gòu)排出過量的流體 (空氣或液體)。由此基本上防止起泡。事實上，用覆蓋件封閉裝置可能導(dǎo)致局部過壓，從而導(dǎo)致覆蓋件下形成氣泡。氣泡可能會影響后續(xù)觀察，因此通過泄出口防止氣泡是有利的。為此，泄出口可以在若干處連接到毛細區(qū)域的邊緣，如圖8所示。泄出口 40連接至出口 44。有利地，可以在出口 44的水平設(shè)置對準標記46，以幫助在封閉裝置時調(diào)節(jié)覆蓋件。覆蓋件中可以設(shè)置連接至出口 44的額外的通口 48。這使得過量的流體，例如空氣，可以從溢流區(qū)相繼經(jīng)過泄出口 40、出口 44和通孔48運動至外部。圖10-11是從示出處于操作中的裝置的影像中所抓取的快照。圖10聚焦于內(nèi)部腔室10，明顯示出細胞保持結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)13。流動分配結(jié)構(gòu)在細胞保持結(jié)構(gòu)后面部分可見。懸浮液19已經(jīng)沉積。懸浮液基本是透明的因此基本看不到。但是，在快照中已經(jīng)可以看到細胞17。特別地，細胞是在腔室10中培養(yǎng)的活的小膠質(zhì)細胞。圖10的腔室已經(jīng)用覆蓋件密封，這里覆蓋件為硅芯片(覆蓋件在硅晶片中微制造)。細胞培養(yǎng)裝置以PDMS模制。 通過光學顯微鏡獲取圖像(使用倒置顯微鏡經(jīng)過PDMS觀察圖像)。圖11是較低放大倍率的快照，示出上文所討論的裝置的大部分細節(jié)。在獲取快照時，覆蓋件密封到裝置上。根據(jù)圖2和圖3，液體被推向溢流區(qū)20。通過快照能夠區(qū)分液體 19”被保持的溢流區(qū)的區(qū)域以及毛細管凹部M尚未被液體潤濕的區(qū)域。值得注意的是，溢流液體的前進部分地由柵格的對稱性決定。因此，可以考慮裝置的整體基部形狀來選擇柵格，或者相反，以優(yōu)化溢流液體的前進。在本例中，大的區(qū)域可以被液體19"潤濕，從而確保用覆蓋件安全地毛細密封。在圖10至11的實施方式中，裝置是微流體培養(yǎng)裝置。研究細胞的問題通過在可用覆蓋件通過毛細作用密封的開放的微流體中培養(yǎng)細胞而得到解決。這里示出的裝置還可解決形成清楚的光學界面以便研究活細胞的問題。此外-細胞能夠容易地接種在細胞腔室中并且與使用培養(yǎng)皿的方法相類似地培養(yǎng)(培養(yǎng)基的更新/更換同樣簡單，使用例如細胞培養(yǎng)箱控制溫度和CO2)；-為了觀察和/或?qū)嶒?，添加了密封覆蓋件；-細胞腔室和覆蓋件優(yōu)選地設(shè)計成用于良好的密封(沒有空氣被捕獲，過量的液體/空氣可能通過泄出口從密封區(qū)域移除)；-細胞腔室與溢流毛細結(jié)構(gòu)鄰近(但是通過去濕區(qū)域隔開)；-細胞腔室具有保持結(jié)構(gòu)，其幫助保持接種在腔室中的細胞；-細胞腔室具有流動分配結(jié)構(gòu)以及封閉的流體通道；-密封覆蓋件具有與通道的端部和泄出口相連的通孔以例如在封閉之后將系統(tǒng)連接至例如泵；-細胞腔室和密封覆蓋件被設(shè)計成有效地組裝；-不捕獲或很少捕獲空氣。在該方面，密封覆蓋件的通孔和連接至密封覆蓋件的管道可以有利地預(yù)先填充；且-腔室中的過量液體在密封過程中運動至溢流結(jié)構(gòu)。雖然已經(jīng)參照若干實施方式說明了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當理解，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下可以進行多種變化并且可以對等效物進行替換。此外，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下可以進行多種修改以使特定的狀況或材料適應(yīng)于本發(fā)明的教導(dǎo)。 因此，本發(fā)明不限于所公開的特定的實施方式，而是包括落在權(quán)利要求書范圍內(nèi)的所有實施方式。例如，這里僅考慮在沉積后并且在封閉裝置的同時被壓迫之前，液體的部分(例如凸液面)可能會從腔室突出。在一種變型中，可以想到裝置和沉積的液體使得在沉積之后立刻、甚至在封閉裝置之前毛細壓力導(dǎo)致過量液體從腔室溢流的實施方式。因此，可能涉及除PDMS、Si和水之外的其他材料。
權(quán)利要求
1.一種微生物培養(yǎng)裝置(100)，包括-開放的腔室(10)，其具有微生物保持結(jié)構(gòu)(11)；以及-溢流區(qū)(20)，其包括毛細結(jié)構(gòu)(22)，所述毛細結(jié)構(gòu)被構(gòu)造為在操作中能夠保持從所述開放的腔室溢流(19’，19”)的過量的液體(19)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中-所述溢流區(qū)是開放的區(qū)域，所述腔室和所述溢流區(qū)具有同一開放側(cè)；且-所述裝置還包括優(yōu)選為透明的覆蓋件(30)，所述覆蓋件能夠移動至覆蓋住所述開放側(cè)的封閉位置，且其中-所述毛細結(jié)構(gòu)02)還構(gòu)造為使得保持在其中的液體(19'，19”)通過毛細作用而將所述覆蓋件保持在封閉位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中，所述裝置被構(gòu)造為使得所述覆蓋件能夠在所述裝置上自密封。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的裝置，其中-所述腔室包括允許所述裝置中的液體封閉循環(huán)的一個或多個液體通道(34)；且-所述覆蓋件包括在封閉位置下能夠連接至所述通道的一個或多個通孔(32)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中的任意一項所述的裝置，其中，所述毛細結(jié)構(gòu)限定柵格，所述柵格允許保持在所述柵格中的液體填充所述柵格的表面的至少30%或優(yōu)選地50%。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中的任意一項所述的裝置，其中，所述毛細結(jié)構(gòu)的平均分隔距離小于500 μ m,優(yōu)選地200 μ m,更優(yōu)選地60 μ m。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中的任意一項所述的裝置，其中，所述腔室還包括被構(gòu)造為分配所述腔室中的液流的一個或多個分配結(jié)構(gòu)(14)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中的任意一項所述的裝置，其中，所述裝置是微流體培養(yǎng)裝置。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中的任意一項所述的裝置，其中，所述裝置還包括被構(gòu)造為在操作中能夠從所述毛細結(jié)構(gòu)移除過量的流體的泄出口。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9中的任意一項所述的裝置，其中，所述溢流區(qū)基本上位于所述腔室的周圍。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，還包括在所述腔室和所述溢流區(qū)之間的去濕區(qū)域 (15)，所述去濕區(qū)域中的毛細壓力的絕對值低于所述溢流區(qū)中的毛細壓力的絕對值。
12.一種用于操作微生物培養(yǎng)裝置的方法，包括-提供如權(quán)利要求1所述的裝置(100)和覆蓋件，以及包含微生物的液體；-用過量的所述液體(19)填充開放的腔室，使得液體的部分從開放的腔室突出；以及-通過用覆蓋件壓迫所述液體的突出的部分來覆蓋所述裝置，使得過量的液體從所述腔室溢流(19’ )至所述溢流區(qū)以被保持在所述溢流區(qū)中(19”)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述覆蓋步驟還包括將所述覆蓋件移動至封閉位置，在該封閉位置下保持在所述溢流區(qū)中的液體通過毛細作用保持所述覆蓋件。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的方法，還包括下述步驟-移除所述覆蓋件；-干預(yù)所述裝置；以及-用所述覆蓋件再次覆蓋所述裝置。
15.根據(jù)權(quán)利要求12、13或14所述的方法，其中-在所述提供步驟，所述裝置的腔室包括允許所述裝置中的液體封閉循環(huán)的一個或多個通道且所述覆蓋件包括在封閉位置下能夠連接至所述通道的一個或多個通孔；且 -在所述封閉步驟，所述通孔連接至所述通道。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，還包括下述步驟-引導(dǎo)樣本經(jīng)過所述通孔中的至少一個進入所述腔室；以及 -監(jiān)測液體與樣本的相互作用。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種微生物培養(yǎng)裝置(100)，例如微流體細胞培養(yǎng)裝置。該裝置包括開放的腔室(10)，其中微生物可能沉積在液體中以便后續(xù)研究。開放的腔室簡化了微生物的沉積。腔室還設(shè)有保持結(jié)構(gòu)(11)，由此可以將微生物保持在其中。此外，該裝置包括溢流區(qū)(20)，其中毛細結(jié)構(gòu)(22)能夠保持例如當用覆蓋件覆蓋該裝置時從開放的腔室溢流的過量的液體。這樣，能夠?qū)⑽⑸锵拗圃谇皇抑?，同時過量的流體在腔室外被捕獲，以例如用覆蓋件將裝置密封。
文檔編號C12M1/14GK102341491SQ201080010687
公開日2012年2月1日 申請日期2010年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月20日
發(fā)明者E·德拉馬爾什, R·洛維奇克 申請人:國際商業(yè)機器公司