專利名稱：一種高通量微流控生物力學(xué)長期刺激系統(tǒng)及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高通量微流控生物力學(xué)長期刺激系統(tǒng)及其應(yīng)用，屬于生物醫(yī)藥技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
生物體內(nèi)細(xì)胞處于一個充滿力學(xué)刺激的環(huán)境、生物力學(xué)刺激參與了胚胎發(fā)育、骨組織平衡、正常心血管系統(tǒng)維持等正常生理過程，而異常的生物力學(xué)刺激則可引起動脈血管硬化、骨質(zhì)疏松等疾病的發(fā)生、發(fā)展。雖然力學(xué)刺激功能異常是導(dǎo)致某些疾病的重要因素，但其作用機理尚不清楚，而傳統(tǒng)研究方法的局限性阻礙了相關(guān)研究進(jìn)展。近年來，力學(xué)刺激體外研究模型的建立和應(yīng)用大大促進(jìn)了相關(guān)研究的進(jìn)展。體內(nèi)最常見的兩種生物力學(xué)刺激是流體剪切力和拉伸力，幾乎所有的脈管系統(tǒng)如血管、輸尿管、以及組織間隙如骨間隙等均存在這兩種力。目前已有的體外模型有的只能研究流體剪切力，如層流板，也有的只能研究拉伸力，然而，細(xì)胞所處的生物體內(nèi)是一個有著多種力學(xué)刺激的復(fù)雜環(huán)境，一個更接近體內(nèi)環(huán)境的生物力學(xué)體外研究模型必須考慮多種力學(xué)刺激對細(xì)胞的作用。近年來，人們設(shè)計和改進(jìn)了一些能夠同時施加流體剪切力和牽張應(yīng)力的裝置(Moore，J.E.，Burki, E., Suciu, A., Zhao, S.Μ., Burnier, Μ., Brunner, H.R.and Meister, J.J.(1994)A Device for Subjecting Vascular Endothelial-Cells to Both Fluid Shear-Stressand Circumferential Cyclic Stretch.Ann Biomed Eng.22,416-422 ；Qiu, Y.C.andTarbell, J.M.(2000)Interaction between wall shear stress and circumferentialstrain affects endothelial cell biochemical production.J Vasc Res.37，147—157 ；Toda, M.，Yamamoto，K.，Shimizu, N.，Obi，S.，Kumagaya, S.，Igarashi，T.，Kamiya, A.andAndo, J.(2008)Differential gene responses in endothelial cells exposed to acombination of shear stress and cyclic stretch.J Biotechnol.133，239-244)，其基本的原理是用內(nèi)壁貼附了內(nèi)皮細(xì)胞的硅橡膠管模擬血管，在管腔內(nèi)保持一定壓力的情況下通過管腔的擴張給粘附的細(xì)胞施加牽張應(yīng)力，同時通過液體的沖刷給細(xì)胞施加剪切應(yīng)力。但是，上述裝置的缺點也很明顯，即細(xì)胞在管壁的粘附不好控制、不能對細(xì)胞在力學(xué)刺激下的行為進(jìn)行實時觀察以及干預(yù)等，這些問題也制約著相關(guān)研究的進(jìn)展。近年來，微流控技術(shù)的快速發(fā)展為許多疾病病理研究模型的建立提供了契機，微流控芯片可以為細(xì)胞提供更接近于生理、病理條件下的微環(huán)境，可以結(jié)合表面化學(xué)和軟刻蝕技術(shù)對細(xì)胞行為進(jìn)行操控和干預(yù)，還可以在細(xì)胞群體和單細(xì)胞兩種水平對細(xì)胞的行為變化進(jìn)行觀察和分析。Huh等(Huh, D.,Matthews, B.D., Mammoto, A., Montoya-Zavala, Μ., Hsin, H.Y.and Ingber,D.Ε.(2010) Reconstituting Organ-Level Lung Functions on a Chip.Science.328,1662-1668)采用的微流控裝置可以對貼附在膜上的細(xì)胞產(chǎn)生流體剪切力和拉伸力，其用途是模擬和研究肺泡功能。Douville 等(Douville, N.J., Zamankhan, P., Tung, Y.C., Li, R.，Vaughan, B.L., Tai, C.F., White, J., Christensen, P.J., Grotberg, J.B.and Takayama,S.(2011)Combination of fluid and solid mechanical stresses contribute to celldeath and detachment in a microfluidic alveolar model.Lab Chip.11,609-619)米用的微流控裝置同樣可以提供流體剪切力和機械拉伸力，其用途也是模擬和研究肺泡的結(jié)構(gòu)和功能。然而，上述的微流控裝置只適合做肺泡模型，并且很難進(jìn)行長時間對細(xì)胞進(jìn)行力學(xué)刺激的實驗。因為長時間微流控細(xì)胞培養(yǎng)和實驗面臨諸如溫度和酸堿度控制、氣泡產(chǎn)生、堵塞、漏液等問題，其中任何一個問題都可能導(dǎo)致實驗的失敗。發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有的微流控裝置只適合做肺泡模型，并且很難進(jìn)行長時間對細(xì)胞進(jìn)行力學(xué)刺激的實驗的不足，提供一種同時提供流體剪切力和拉伸力，并可以提供長時間生物力學(xué)刺激的微流控系統(tǒng)及其應(yīng)用，為相關(guān)研究提供有效工具。
針對上述技術(shù)目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
一方面，本發(fā)明提供一種高通量微流控生物力學(xué)長期刺激系統(tǒng)，包括至少一個生物力學(xué)刺激微流控裝置、細(xì)胞培養(yǎng)驅(qū)動系統(tǒng)和負(fù)壓發(fā)生器，所述細(xì)胞培養(yǎng)驅(qū)動系統(tǒng)與微流控裝置連接以驅(qū)動微流控裝置的微流通道內(nèi)的液體流動；所述負(fù)壓發(fā)生器與微流裝置相連以使其產(chǎn)生負(fù)壓，其用于生物力學(xué)刺激的器官、組織的生理、病理狀況的高通量觀察和檢測。
優(yōu)選地，所述生物力學(xué)刺激微流控裝置包括透明的微流通道模塊和與其相適配的透明的負(fù)壓產(chǎn)生模塊，所述微流通道模塊底部和負(fù)壓產(chǎn)生模塊頂部通過彈性膜相鍵合，所述生物力學(xué)刺激微流控裝置是所述微流通道模塊、所述彈性膜、所述負(fù)壓產(chǎn)生模塊的整合體，所述微流通道模塊用于流體流動，所述負(fù)壓產(chǎn)生模塊用于產(chǎn)生使彈性膜發(fā)生形變的負(fù)壓；
所述微流通道模塊頂部設(shè)有流體出口和流體入口，所述流體出口和流體入口分別通過與流體入口和流體出口相適配的第一 PE管連接于微流通道，并與其相貫通，所述微流通道設(shè)于所述微流通道模塊底部；
所述負(fù)壓產(chǎn)生模塊頂部設(shè)有負(fù)壓凹槽，所述負(fù)壓凹槽設(shè)于微流通道下方，所述負(fù)壓產(chǎn)生模塊頂部設(shè)有一個氣路開口，所述氣路開口通過與其相適配的第二 PE管與負(fù)壓凹槽相連。
優(yōu)選地，所述細(xì)胞培養(yǎng)驅(qū)動系統(tǒng)包括儲液瓶和與其連接的蠕動泵，所述生物力學(xué)刺激微流控裝置、所述儲液瓶、所述蠕動泵通過所述第一 PE管串聯(lián)形成循環(huán)流體通路；所述儲液瓶通過所述第一 PE 管和所述流體出口與所述微流通道相連，所述蠕動泵通過所述第一 PE管與所述儲液瓶相連，所述蠕動泵通過第一 PE管和所述流體入口與所述微流通道相連以驅(qū)動微流通道內(nèi)的流體流動。
優(yōu)選地，所述負(fù)壓發(fā)生器包括氣流分配器、氣流控制器和微型真空泵，所述氣流分配器底部通過第二 PE管連接至氣流開口與負(fù)壓發(fā)生模塊連接，以使負(fù)壓發(fā)生模塊產(chǎn)生負(fù)壓；所述氣流控制器包括控制器和電動氣流開關(guān)，所述氣流分配器頂部和微型真空泵均連接至電動氣流開關(guān)的第一端，所述電動氣流開關(guān)的第二端與控制器相連。
優(yōu)選地，所述負(fù)壓凹槽一側(cè)還設(shè)有與其相貫通的負(fù)壓緩沖池，所述第二 PE管通過負(fù)壓緩沖池與負(fù)壓凹槽相連。
優(yōu)選地，所述負(fù)壓緩沖池通過一個凹槽與負(fù)壓凹槽相貫通，優(yōu)選地，所述第二 PE管垂直連接于負(fù)壓緩沖池底部。
優(yōu)選地，所述負(fù)壓凹槽中間圍繞一個長方形平臺，和所述彈性膜緊貼并對應(yīng)于其上方的所述微流通道，所述長方形平臺和所述彈性膜間填充有液體潤滑劑；優(yōu)選地，所述負(fù)壓產(chǎn)生模塊的頂部和底部封合而成一體結(jié)構(gòu)，所述長方形平臺長為1.5Χ104μπι，寬為1.0Χ IO3 μ m,。
優(yōu)選地，所述微流通道呈第二長方體結(jié)構(gòu)，其由第三、第四側(cè)壁和微流通道底部，所述微流通道底部由彈性膜構(gòu)成，優(yōu)選地，所述第二長方體的長為1.8X IO4 μ m，寬為1.5 X IO3 μ m,高為 0.5 X IO3 μ m。
優(yōu)選地，所述微流通道模塊的頂部和底部通過第一、第二側(cè)壁連接成水平方向貫通的第一長方體結(jié)構(gòu)，所述第一、第二側(cè)壁和頂部由聚二甲基硅氧烷(PDMS)模塊構(gòu)成，優(yōu)選地，所述第一長方體的長為2.5-3.0XlO4Um,寬2.0-2.5X104ym,高為3.0-5.0 X IO3 μ m。
優(yōu)選地，所述微流通道模塊、負(fù)壓產(chǎn)生模塊和彈性膜均由聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料制成。
優(yōu)選地，所述流體出口和流體入口均為圓形孔，優(yōu)選地，所述圓形孔的直徑為8.0X IO2 μ m ;所述第一 PE管垂直連接于所述微流通道模塊底部。
優(yōu)選地，所述負(fù)壓產(chǎn)生模塊的頂部呈長方形，該長方形的長為2.5-3.0X IO4 μ m，寬為2.0-2.5 XlO4Um,所述負(fù)壓凹槽呈第三長方體結(jié)構(gòu)，其截面為長方形，高為5X IO2 μ m，寬為2.5X IO2 μ m ;所述負(fù)壓緩沖池呈垂直于平臺區(qū)的圓柱形空腔狀，所述圓柱形空腔的直徑為5.0X IO3 μ m,高為1.0X IO3 μ m ;所述凹槽呈第四長方體結(jié)構(gòu)，其長為3.0 X IO3 μ m，寬為5 X IO2 μ m,高為5 X IO2 μ m ;所述氣路開口為圓形孔，優(yōu)選地，所述圓形孔的直徑為8 X IO2 μ m。
優(yōu)選地，所述微流通道膜塊和負(fù)壓產(chǎn)生膜塊長均為2.5-3.0X IO4 μ m，寬均為 2.0-2.5 X IO4 μ m，厚均為 3.0-5.0 X IO3 μ m ;所述彈性膜長為 2.5-3.0 X IO4 μ m，寬2.0-2.5 X IO4 μ m,厚為 10-100 μ m。
另一方面，本發(fā)明提供一種高通量微流控生物力學(xué)長期刺激系統(tǒng)在生物力學(xué)刺激研究、相關(guān)藥物的高通量檢測 和篩選或在制備用于生物檢測的試劑盒中的應(yīng)用。
又一方面，本發(fā)明提供了一種微流控生物力學(xué)刺激系統(tǒng)在制備用于生物檢測的試劑盒中的應(yīng)用，優(yōu)選地，所述試劑盒為為體外生物力學(xué)刺激研究或相關(guān)藥物的高通量檢測和篩選的試劑盒。
再一方面，本發(fā)明提供一種用于生物檢測的試劑盒，該試劑盒包括根據(jù)本發(fā)明的高通量微流控生物力學(xué)長期刺激系統(tǒng)，還包括檢測試劑和緩沖液，優(yōu)選地，所述檢測試劑為細(xì)胞力學(xué)相關(guān)的細(xì)胞因子、抗體、活性小分子或用于篩選的藥物。
本發(fā)明的有益效果為:基于微流控技術(shù)，通過合理設(shè)計和整合微流通道模塊、彈性膜、負(fù)壓產(chǎn)生模塊的生物力學(xué)刺激微流控裝置，能夠同時提供流體剪切力和機械拉伸力，一個系統(tǒng)可同時包括多個微流控裝置，用于生物力學(xué)刺激的器官、組織的生理、病理狀況的高通量觀察和檢測，建立體內(nèi)疾病的體外模型，為相關(guān)研究提供有效工具，體積小，結(jié)構(gòu)簡單，易于制作和使用；光學(xué)透明材料制作，易于肉眼或鏡下觀察通道內(nèi)的情況，可以在顯微鏡和培養(yǎng)箱之間任意轉(zhuǎn)換，可以實現(xiàn)對細(xì)胞在兩種力學(xué)刺激下以及化學(xué)刺激下的原位動態(tài)監(jiān)測，兩種力學(xué)刺激的大小、頻率隨時可調(diào)，可以隨時改變細(xì)胞的化學(xué)微環(huán)境，溫度、酸堿環(huán)境恒定，系統(tǒng)可保持長時間穩(wěn)定工作；實現(xiàn)高通量觀察和檢測。


以下，結(jié)合附圖來詳細(xì)說明本發(fā)明的實施方案，其中:
圖1為本發(fā)明所述的高通量微流控生物力學(xué)長期刺激系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明所述的生物力學(xué)刺激微流控裝置的結(jié)構(gòu)示意圖3為所述彈性膜放置于本發(fā)明所述的系統(tǒng)的微流控裝置中進(jìn)行拉伸的實驗結(jié)果示意圖，圖中a為拉伸前的彈性膜的結(jié)果示意圖，圖中b為拉伸后的彈性膜的實驗結(jié)果示意圖4為將大鼠骨髓基質(zhì)干細(xì)胞(MSC細(xì)胞)輸入本發(fā)明所述的系統(tǒng)的微流控生物力學(xué)刺激裝置中后與MSC細(xì)胞單獨拉伸和單獨剪切進(jìn)行對比的實驗結(jié)果示意圖，圖中a為MSC細(xì)胞單獨拉伸的實驗結(jié)果示意圖，b為MSC細(xì)胞單獨剪切的實驗結(jié)果示意圖，c為MSC細(xì)胞在本發(fā)明的裝置中經(jīng)拉伸和剪切后的實驗結(jié)果示意其中:
I為微流通道模塊，101為微流通道模塊的頂部，102為微流通道模塊的底部，103為第一側(cè)壁，104為第二側(cè)壁，105為流體入口，106為流體出口，107為第一 PE管，108為微流通道，1081為微流通道頂部、1082為微流通道底部、1083為第三側(cè)壁、1084為第四側(cè)壁；
2為彈性膜；
3為負(fù)壓產(chǎn)生模塊，301為負(fù)壓產(chǎn)生模塊的底部，302為負(fù)壓產(chǎn)生模塊的頂部，303為負(fù)壓凹槽，304為氣流開口，303負(fù)壓凹槽，305為第二 PE管，306負(fù)壓緩沖腔，307為凹槽，308為長方形平臺；
4為生物力學(xué)刺激微流控裝置；5為儲液瓶；6為蠕動泵；7為氣流分配器；8為控制器；9為電動氣流開關(guān)；10為微型真空泵。
具體實施方式
如圖1所示，本發(fā)明所述的高通量微流控生物力學(xué)長期刺激系統(tǒng)，包括細(xì)胞培養(yǎng)驅(qū)動系統(tǒng)5、負(fù)壓發(fā)生器6和一個生物力學(xué)刺激微流控裝置4，所述細(xì)胞培養(yǎng)驅(qū)動系統(tǒng)與生物力學(xué)刺激微流控裝置連接以驅(qū)動生物力學(xué)刺激微流控裝置的微流通道內(nèi)的液體流動；所述負(fù)壓發(fā)生器與生物力學(xué)刺激微流裝置相連以使其產(chǎn)生負(fù)壓。
所述細(xì)胞培養(yǎng)驅(qū)動系統(tǒng)包括儲液瓶5和與其連接的蠕動泵6，所述儲液瓶5通過流體入口 105與微流通道108相連，所述蠕動泵6通過流體出口 106與微流通道108相連以驅(qū)動微流通道內(nèi)的流體流動。`
所述負(fù)壓發(fā)生器包括氣流分配器7、氣流控制器和微型真空泵10，所述氣流分配器7底部通過第二 PE管305連接至氣流開口 304與負(fù)壓發(fā)生模塊3連接，以使負(fù)壓發(fā)生模塊3產(chǎn)生負(fù)壓；所述氣流控制器包括控制器8和電動氣流開關(guān)9，所述氣流分配器7頂部和微型真空泵10均連接至電動氣流開關(guān)9的第一端，所述電動氣流開關(guān)9的第二端與控制器8相連。
所述儲液瓶501的容量為50毫升，瓶蓋和瓶體能夠擰緊密封，瓶蓋有三個孔，分別為液態(tài)流入孔，液體流出孔、換氣孔。液體流入孔和流出孔均由直徑為8.0X IO2 μ m的PE管穿過，兩管均開口于液面以下，PE管和瓶蓋之間通過澆注PDMS而密封。換氣孔由內(nèi)徑為8.0XlO2Um的針頭穿過，針頭在瓶內(nèi)部分位于液面以上，針頭的另一端和孔徑為0.22微米的針式濾器連接，開口于空氣中。針頭穿過瓶蓋部分以及針頭和濾器連接部分均密封。
所述蠕動泵502的規(guī)格:能夠提供最小流量為2微升/分鐘，滾軸為10個，兩通道。
所述微型真空泵603，流量為28升/分鐘，真空度為10千帕。
所述電動氣流開關(guān)6022的結(jié)構(gòu)類似注射器，由圓柱體形外殼和活塞組成。外殼材料為銅，內(nèi)徑為I厘米，長5厘米，在底部有兩個開口，內(nèi)徑為5毫米，分別連接抽氣管的近、遠(yuǎn)兩端。外殼的中部(2.5厘米處)有一個開口，內(nèi)徑為3毫米。活塞部分材料為不銹鋼，長為6厘米，外徑為0.5厘米，活塞頭部材料為聚四氟乙烯，其外徑和外殼的內(nèi)徑相當(dāng)，與殼體之間緊密摩擦形成對氣體的密封?；钊奈膊客ㄟ^軸承以及連桿和固定于步進(jìn)電機軸上的圓盤相連。步進(jìn)電機和控制器6021通過信號線連接，控制器6021可以調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速和方向。
所述氣流分配器:由PDMS材料制作，體積為外徑為2厘米，高為2厘米的圓柱體，內(nèi)為直徑I厘米，高為I厘米的圓柱體空腔。在圓柱體的正上方有一個孔，連接內(nèi)徑為2毫米的PE管，該管通過孔徑變換接頭連接到氣流控制器的遠(yuǎn)端開口。在圓柱體空腔的圓柱面上，分別開4-6個孔并和0.8暈米外徑、0.5暈米內(nèi)徑的PE管連接,該PE管連接到微流芯片的負(fù)壓氣孔開口，多個PE管可以連接多個芯片。
如圖2所示，本發(fā)明所述的微流控裝置4，該裝置包括透明的微流通道模塊I和與其相適配的透明的負(fù)壓產(chǎn)生模塊3，所述微流通道模塊底部和負(fù)壓產(chǎn)生模塊頂部通過彈性膜2經(jīng)等離子氧化處理共價鍵合，所述微流通道模塊2、負(fù)壓產(chǎn)生模塊3和彈性膜2均由PDMS材料制成，所述彈性模2為長2.5-3.0 X IO4 μ m,寬2.0-2.5 X IO4 μ m,厚為10-100 μ m的彈性模2，，所述微流通道模塊I用于流體流動，所述負(fù)壓產(chǎn)生模塊3用于產(chǎn)生使彈性膜2發(fā)生形變的負(fù)壓；所述微流通道模塊頂部101和底部102通過第一、第二側(cè)壁103、104連接成水平方向貫通的第一長方體結(jié)構(gòu)，所述第一長方體的長為2.5-3.0X IO4Um,寬 2.0-2.5XlO4U m,高為 3.0-5.0XlO3Um,所述微流通道模塊為長 2.5-3.0XlO4Um,寬2.0-2.5 X IO4 μ m，厚為3.0-5.0XlO3Um的PDMS模塊，所述微流通道模塊頂部101設(shè)有流體入口 105和流體出口 106，所述流體入口 105和流體出口 106分別通過與流體入口105和流體出口 106相適配的第一 PE管107垂直連接于微流通道模塊底部102的微流通道108，所述微流通道108呈第二長方體結(jié)構(gòu)，其由微流通道頂部、底部1081、1082和第三、第四側(cè)壁1083、1084構(gòu)成，并與其相貫通，所述微流通道底部由彈性膜構(gòu)成，所述第二長方體的長為1.8 X IO4 μ m，寬為1.5 X IO3 μ m，高為0.5 X IO3 μ m，所述流體入口 105和流體出口 106均為圓形孔，所述圓形孔的直徑為8.0X IO2 μ m ;所述負(fù)壓產(chǎn)生模塊3的底部301和頂部302封合而成一體結(jié)構(gòu)，所述負(fù)壓產(chǎn)生模塊3由PDMS模塊構(gòu)成，所述負(fù)壓產(chǎn)生模塊長為 2.5-3.0XlO4Um,寬為 2.0-2.5Χ104μπι，厚為 3.0-5.0X IO3 μ m，所述負(fù)壓產(chǎn)生模塊頂部302設(shè)有負(fù)壓凹槽303，所述負(fù)壓凹槽303設(shè)于微流通道108的下方，從而形成與微流通道108相隔離的單獨的空間，所述負(fù)壓產(chǎn)生模塊頂部302設(shè)有一氣路開口 304，所述氣路開口 304通過與其相適配的第二 PE管305與負(fù)壓凹槽303相連，所述負(fù)壓凹槽中間圍繞一個長方形平臺308，和所述彈性膜緊貼并對應(yīng)于其上方的所述微流通道108，長方形平臺長為1.5 X IO4 μ m，寬為1.0X IO3 μ m，所述長方形平臺308與彈性膜2不鍵合，添加液體潤滑劑，使之在負(fù)壓作用下相互之間可以移動，所述負(fù)壓凹槽303 —側(cè)還設(shè)于與其相貫通的負(fù)壓緩沖池306，所述第二 PE管305通過負(fù)壓緩沖池306與負(fù)壓凹槽303相連，所述負(fù)壓緩沖池306通過一個凹槽307與負(fù)壓凹槽303相貫通，所述第二 PE管305垂直連接于負(fù)壓緩沖池306底部，，所述負(fù)壓產(chǎn)生模塊的頂部302呈長方形，該長方形的長為2.5-3.0X IO4 μ m，寬為2.0-2.5Χ104μπι，所述負(fù)壓凹槽303呈第三長方體結(jié)構(gòu)，其截面為長方形，高為5.0XlO2Um,寬為2.5X IO2 μ m ;所述負(fù)壓緩沖池306呈垂直于底部301的圓柱形空腔狀，所述圓柱形空腔的直徑為5.0X IO3 μ m,高為1.0X IO3 μ m ;所述凹槽307呈第四長方體結(jié)構(gòu)，其長為3.0Χ103μπι，寬為5.0Χ102μπι，高為5.0 X IO2 μ m ;所述氣路開口 304為圓形孔氣路開口，所述圓形孔氣路開口 304的直徑為8.0 X IO2 μ m。
使用時，首先通過微流通道模塊I的流體入口 105將細(xì)胞懸液加入微流通道108，在37攝氏度5%二氧化碳條件下，使細(xì)胞貼壁于微流通道108底部的彈性膜2上，然后，將微流通道108的流體入口 105和流體出口 106與細(xì)胞培養(yǎng)基驅(qū)動系統(tǒng)5連接；再將負(fù)壓產(chǎn)生模塊3的氣路開口 304通過第二 PE管和負(fù)壓發(fā)生器6連接，然后，開動細(xì)胞培養(yǎng)基驅(qū)動系統(tǒng)5，細(xì)胞培養(yǎng)基驅(qū)動系統(tǒng)5可以驅(qū)動微流通道108內(nèi)的液體流動，從而對微流通道108內(nèi)基底上附著的細(xì)胞產(chǎn)生流體剪切力，而負(fù)壓發(fā)生器6產(chǎn)生的負(fù)壓可以通過第二 PE管305傳導(dǎo)入負(fù)壓產(chǎn)生模塊3內(nèi)的負(fù)壓凹槽303內(nèi)，使負(fù)壓凹槽303上方的彈性膜2發(fā)生形變，從而拉動貼于長方形平臺的彈性膜2，使之發(fā)生水平方向的形變，從而使貼附在上面的細(xì)胞受到機械拉伸力。由于彈性膜2在平行于通道長軸方向上的形變非常小，可以忽略不計，施加在彈性膜2以及彈性膜 上細(xì)胞的力主要是垂直于通道長軸方向的，因此，細(xì)胞的受力情況為:平行于通道方向的流體剪切力和垂直于通道方向的機械拉伸力。
具體試駘實施例
試駘實施例1
將彈性膜(PDMS膜，其上面印有熒光標(biāo)記蛋白點陣)放置于本發(fā)明所述的高通量微流控生物力學(xué)長期刺激系統(tǒng)的微流控裝置中進(jìn)行拉伸，結(jié)果如圖3所示，經(jīng)負(fù)壓拉伸后的PDMS膜，與拉伸前的PDMS膜相比，拉伸率達(dá)25%，其拉伸率和均勻性能夠達(dá)到預(yù)期效果，完全滿足模擬體內(nèi)試驗的需要。
試駘實施例2
將MSC細(xì)胞(大鼠骨髓基質(zhì)干細(xì)胞，取自SD大鼠(購自北京維通利華實驗動物公司)，提取方法參考以下文獻(xiàn)進(jìn)行:Bosnakovski D, Mizuno M, Kim G, Takagi S, OkumuraM, Fujinaga T.1solation and multilineage differentiation of bovine bone marrowmesenchymal stem cells.Cell Tissue Res2005 ；319:243-53.)輸入本發(fā)明所述的高通量微流控生物力學(xué)長期刺激系統(tǒng)的微流控裝置中，與MSC細(xì)胞單獨拉伸和單獨剪切的結(jié)果相t匕，如圖4所示，從該圖可以看出單獨拉伸可以使細(xì)胞的骨架沿拉伸力平行方向排列，而單獨流體剪切力可以使細(xì)胞骨架沿剪切力方向排列；拉伸力和流體剪切力的合力則可使細(xì)胞骨架的排列呈現(xiàn)與合力方向相同的趨勢。因此，流體剪切力和拉伸力對血管內(nèi)細(xì)胞的排列有重要影響，從而說明本發(fā)明的系統(tǒng)為相關(guān)研究的有力工具。
權(quán)利要求
1.一種高通量微流控生物力學(xué)長期刺激系統(tǒng)，其特征在于，包括細(xì)胞培養(yǎng)驅(qū)動系統(tǒng)、負(fù)壓發(fā)生器和至少一個生物力學(xué)刺激微流控裝置，所述細(xì)胞培養(yǎng)驅(qū)動系統(tǒng)與生物力學(xué)刺激微流控裝置連接以驅(qū)動微流控裝置的微流通道內(nèi)的液體流動；所述負(fù)壓發(fā)生器與生物力學(xué)刺激微流控裝置相連以使其產(chǎn)生負(fù)壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述生物力學(xué)刺激微流控裝置包括透明的微流通道模塊和與其相適配的透明的負(fù)壓產(chǎn)生模塊，所述微流通道模塊底部和負(fù)壓產(chǎn)生模塊頂部通過彈性膜相鍵合，所述微流通道模塊用于流體流動，所述負(fù)壓產(chǎn)生模塊用于產(chǎn)生使彈性膜發(fā)生形變的負(fù)壓； 所述微流通道模塊頂部設(shè)有流體出口和流體入口，所述流體出口和流體入口分別通過與流體入口和流體出口相適配的第一 PE管連接于微流通道，并與其相貫通，所述微流通道設(shè)于所述微流通道模塊底部； 所述負(fù)壓產(chǎn)生模塊頂部設(shè)有負(fù)壓凹槽，所述負(fù)壓凹槽設(shè)于微流通道下方，所述負(fù)壓產(chǎn)生模塊頂部設(shè)有一個氣路開口，所述氣路開口通過與其相適配的第二 PE管與負(fù)壓凹槽相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述細(xì)胞培養(yǎng)驅(qū)動系統(tǒng)包括儲液瓶和與其連接的蠕動泵，所述儲液瓶、所述蠕動泵通過所述第一 PE管串聯(lián)形成循環(huán)流體通路，所述儲液瓶通過所述第一 PE管和所述流體出口與所述微流通道相連，所述蠕動泵通過所述第一 PE管與所述儲液瓶相連，所述蠕動泵通過第一 PE管和所述流體入口與所述微流通道相連以驅(qū)動所述微流通道內(nèi)的流體流動。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述負(fù)壓發(fā)生器包括氣流分配器、氣流控制器和微型真空泵，所述氣流分配器底部通過第二 PE管連接至氣流開口與負(fù)壓發(fā)生模塊連接，以使負(fù)壓發(fā)生模塊產(chǎn)生負(fù)壓；所述氣流控制器包括控制器和電動氣流開關(guān)，所述氣流分配器頂部和微型真空泵均連接至電動氣流開關(guān)的第一端，所述電動氣流開關(guān)的第二端與控制器相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述負(fù)壓凹槽一側(cè)還設(shè)有與其相貫通的負(fù)壓緩沖池，所述第二 PE管通過負(fù)壓緩沖池與負(fù)壓凹槽相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述負(fù)壓緩沖池通過一個凹槽與負(fù)壓凹槽相貫通，優(yōu)選地，所述第二 PE管垂直連接于負(fù)壓緩沖池底部。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述負(fù)壓凹槽中間圍繞一個長方形平臺，與所述彈性 膜緊貼并對應(yīng)于其上方的所述微流通道，所述長方形平臺和彈性膜間填充有液體潤滑劑，優(yōu)選地，所述負(fù)壓產(chǎn)生模塊的頂部和底部封合而成一體結(jié)構(gòu)，所述長方形平臺長為1.5Χ104μπι，寬為1.0Χ103μπι。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述微流通道呈第二長方體結(jié)構(gòu)，其由第三、第四側(cè)壁和微流通道底部構(gòu)成，所述微流通道底部由彈性膜構(gòu)成，優(yōu)選地，所述第二長方體的長為1.8 X IO4 μ m,寬為1.5 X IO3 μ m,高為0.5 X IO3 μ m。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述微流通道模塊的頂部和底部通過第一、第二側(cè)壁連接成水平方向貫通的第一長方體結(jié)構(gòu)，優(yōu)選地，所述第一長方體的長為 2.5-3.0 X IO4 μ m，寬 2.0-2.5 X IO4 μ m,高為 3.0 5.0 X IO3 μ m。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述微流通道呈第二長方體結(jié)構(gòu)，其由第三、第四側(cè)壁和微流通道底部和微流通道底部構(gòu)成，所述微流通道底部由彈性膜構(gòu)成，優(yōu)選地，所述第二長方體的長為1.8 X IO4 μ m，寬為1.5 X IO3 μ m，高為·0.5 X IO3 μ m。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述微流通道模塊、負(fù)壓產(chǎn)生模塊和彈性膜均由PDMS材料制成。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述流體出口和流體入口均為圓形孔，優(yōu)選地，所述圓形孔的直徑為8.0X IO2 μ m ;所述第一 PE管垂直連接于所述微流通道模塊底部。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至12中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述負(fù)壓產(chǎn)生模塊的頂部呈長方形，該長方形的長為1.5-3.0 X IO4 μ m，寬為2.0-2.5 X IO4 μ m,所述負(fù)壓凹槽呈第三長方體結(jié)構(gòu)，其截面為長方形，高為5.0 X IO2 μ m，寬為2.5 X IO2 μ m ;所述負(fù)壓緩沖池呈垂直于平臺區(qū)的圓柱形空腔狀，所述圓柱形空腔的直徑為5.0 X IO3 μ m，高為1.0 X IO3 μ m ;所述凹槽呈第四長方體結(jié)構(gòu)，其長為3.0Χ103μπι，寬為5.0Χ102μπι，高為5.0Χ102μπι;所述氣路開口為圓形孔，優(yōu)選地，所述圓形孔的直徑為8.0XlO2U m。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至13中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述微流通道膜塊和負(fù)壓產(chǎn)生膜塊長均為 2.5-3.0XlO4Um,寬均為 2.0-2.5Χ104μπι，厚均為 3.0-5.0 X IO3 μ m ;所述彈性膜長為 2.5-3.0XlO4U m,寬為 2.0-2.5 X IO4 μ m,厚為 10-100 μ m。
15.根據(jù)權(quán)利要求1至14中任一項所述的系統(tǒng)在體外生物力學(xué)刺激研究、相關(guān)藥物的高通量檢測和篩選或制備用于生物檢測的試劑盒中應(yīng)用，優(yōu)選地，所述試劑盒為體外生物力學(xué)刺激研究以及相關(guān)藥物的高通量檢測和篩選的試劑盒。
16.一種用于生物檢測的試劑盒，其特征在于，所述試劑盒包括權(quán)利要求1至14中任一項所述的高通量微流控生物力學(xué)長期刺激系統(tǒng)，還包括檢測試劑和緩沖液，優(yōu)選地，所述檢測試劑為細(xì)胞力學(xué)相關(guān)的 細(xì)胞因子、抗體、活性小分子或用于篩選的藥物。
全文摘要
本發(fā)明提供一種高通量微流控生物力學(xué)長期刺激系統(tǒng)及其應(yīng)用，包括至少一個生物力學(xué)刺激微流控裝置、細(xì)胞培養(yǎng)驅(qū)動系統(tǒng)和負(fù)壓發(fā)生器，所述細(xì)胞培養(yǎng)驅(qū)動系統(tǒng)與微流控裝置連接以驅(qū)動微流控裝置的微流通道內(nèi)的液體流動；所述負(fù)壓發(fā)生器與微流裝置相連以使其產(chǎn)生負(fù)壓；及其在體外生物力學(xué)刺激研究、相關(guān)藥物的高通量檢測和篩選或制備用于生物檢測的試劑盒中的應(yīng)用。本發(fā)明的系統(tǒng)基于微流控技術(shù)，通過合理設(shè)計和整合微流通道模塊、彈性膜、負(fù)壓產(chǎn)生模塊的微流控裝置，能夠同時提供流體剪切力和機械拉伸力，建立體內(nèi)疾病的體外模型，為相關(guān)研究提供有效工具，易于制作使用，可同時連接多個動脈血管模擬微流控裝置，實現(xiàn)高通量觀察和檢測。
文檔編號C12M3/00GK103146574SQ201110404620
公開日2013年6月12日 申請日期2011年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月7日
發(fā)明者蔣興宇, 鄭文富, 張偉, 王棟, 姜博 申請人:國家納米科學(xué)中心