一種用于細(xì)胞打印的微流控芯片的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及細(xì)胞分析技術(shù)，具體是一種用于細(xì)胞打印的微流控芯片。
【背景技術(shù)】
[0002]單細(xì)胞分析已經(jīng)發(fā)展成為細(xì)胞生物學(xué)領(lǐng)域研究細(xì)胞功能的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，并且受限于工具和技術(shù)支持使得對(duì)單個(gè)細(xì)胞的分離，對(duì)后續(xù)的單細(xì)胞研究等問(wèn)題變得越來(lái)越突出。通過(guò)一段較長(zhǎng)的時(shí)間，在固定的位置分選單細(xì)胞有利于維持細(xì)胞的狀態(tài)。分選細(xì)胞的技術(shù)中有接觸式和非接觸式兩種模式，分選細(xì)胞往往是結(jié)合微流控系統(tǒng)，它提供在很短的時(shí)間尺度上的測(cè)量和營(yíng)養(yǎng)物或試劑的連續(xù)供電，偶爾提供“分選釋放”功能。微流控芯片單細(xì)胞操縱是在微米級(jí)通道內(nèi)驅(qū)動(dòng)細(xì)胞并將其運(yùn)送到預(yù)定位點(diǎn)或?qū)⑵涔潭ㄔ谔囟ㄎ恢玫姆椒?。目前微流控芯片單?xì)胞操縱手段主要是在力學(xué)、電學(xué)等原理上建立起來(lái)的，具體可以分為機(jī)械捕捉，磁場(chǎng)捕捉，光學(xué)，介電泳捕捉，超聲捕捉，水動(dòng)力捕捉等。
[0003]實(shí)際應(yīng)用產(chǎn)品方面，對(duì)于非商用研究中的單細(xì)胞技術(shù)，一定數(shù)量的單細(xì)胞應(yīng)用已經(jīng)被全世界的開(kāi)發(fā)研究小組在非商業(yè)產(chǎn)品或原型系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。多數(shù)的這些技術(shù)是基于微流控芯片，并且發(fā)展了更加靈活的方法，研究者們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了基于液滴的技術(shù)，比如激光引導(dǎo)打印，改進(jìn)的噴墨打印，在不同的基板上打印單細(xì)胞。從上世紀(jì)90年代到21世紀(jì)初，商用得噴墨打印頭，比如Wilson和Boland在他們的工作中展示的HP660C已經(jīng)成功吸引了大家的注意。這個(gè)設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)生僅比細(xì)胞稍微大的液滴，許多研究者使用改進(jìn)這種打印頭來(lái)實(shí)現(xiàn)打印包含活細(xì)胞的生物懸濁液，能夠完成針對(duì)組織領(lǐng)域的多功能工程應(yīng)用。通過(guò)精確調(diào)整細(xì)胞濃度，噴墨打印頭已被證明是適用于噴射包含單細(xì)胞的液滴。然而基于噴墨的細(xì)胞打印會(huì)使許多細(xì)胞受損或死亡。而細(xì)胞打印主要用于藥物開(kāi)發(fā)和組織再生、細(xì)胞功能和細(xì)胞間通訊的研究，這就要求細(xì)胞只有是活的才能發(fā)揮作用。當(dāng)細(xì)胞噴出噴射出口，就只50%到80%的成活率，因此提高細(xì)胞的成活率成為細(xì)胞打印亟需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。
[0004]美國(guó)休斯頓衛(wèi)理公會(huì)研究院的研究人員開(kāi)發(fā)出一種可將活細(xì)胞打印到任何表面和幾乎任何形狀上的技術(shù)，且整個(gè)過(guò)程中幾乎所有的細(xì)胞仍能存活。新技術(shù)猶如中國(guó)古代木刻版印刷術(shù)和現(xiàn)在兒童橡皮印章玩具，與噴墨打印方法有所不同。這種方法在可產(chǎn)生2D細(xì)胞陣列，打印出的最小細(xì)胞直徑為5微米(大多數(shù)動(dòng)物細(xì)胞在10到30微米)，并允許使用許多不同類(lèi)型的細(xì)胞，雖然接近100%的細(xì)胞成活率。但其捕捉成功率只在百分之九十到九十四，而且其捕捉時(shí)間通常在半個(gè)小時(shí)左右，還不能像噴墨打印一樣可打印出多層結(jié)構(gòu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用于細(xì)胞打印的微流控芯片。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0007]—種用于細(xì)胞打印的微流控芯片，包括鍵合在一起的上蓋板和下基板，所述上蓋板和所述下基板之間形成有微流道和壓縮氣體流道，所述微流道具有用于輸入細(xì)胞懸浮液的細(xì)胞懸浮液入口、用于輸入不含細(xì)胞的培養(yǎng)液的培養(yǎng)液入口、以及液體出口，所述壓縮氣體流道具有壓縮氣體入口，所述微流道包括在細(xì)胞懸浮液入口、培養(yǎng)液入口與液體出口之間的圓弧形的主流道，所述主流道在中間位置與所述壓縮氣體流道以及噴射出口連通，形成細(xì)胞捕捉區(qū)，在所述細(xì)胞捕捉區(qū)設(shè)置有用于捕捉細(xì)胞的鉤狀微擋流結(jié)構(gòu)，所述鉤狀微擋流結(jié)構(gòu)的凹陷側(cè)迎向所述主流道的來(lái)流方向以及所述噴射出口，所述鉤狀微擋流結(jié)構(gòu)與所述主流道的近端壁面的最大距離大于目標(biāo)細(xì)胞直徑且小于目標(biāo)細(xì)胞直徑的兩倍，而最小距離小于目標(biāo)細(xì)胞直徑，所述鉤狀微擋流結(jié)構(gòu)與所述主流道的遠(yuǎn)端壁面的最小距離大于目標(biāo)細(xì)胞直徑。
[0008]進(jìn)一步地:
[0009]所述主流道為180度的半圓弧，所述細(xì)胞捕捉區(qū)位于半圓弧中間位置。
[0010]所述壓縮氣體流道和所述噴射出口進(jìn)行了疏水處理，所述噴射出口為疏水閥噴射出口。
[0011]所述微流道通過(guò)應(yīng)用軟光刻技術(shù)刻在下基板的內(nèi)表面。
[0012]所述鉤狀微擋流結(jié)構(gòu)的彎折部分的彎折角為90度。
[0013]所述鉤狀微擋流結(jié)構(gòu)的一條邊與所述主流道的近端壁面垂直，另一條邊與所述主流道的遠(yuǎn)端壁面平行。
[0014]所述鉤狀微擋流結(jié)構(gòu)與所述主流道的底部的距離小于目標(biāo)細(xì)胞直徑，鉤狀微擋流結(jié)構(gòu)頂部與所述主流道的頂部的距離大于捕獲細(xì)胞直徑。
[0015]所述鉤狀微擋流結(jié)構(gòu)與所述主流道的遠(yuǎn)端壁面的最小距離為目標(biāo)細(xì)胞平均直徑的1.7倍。
[0016]所述鉤狀微擋流結(jié)構(gòu)到所述主流道的遠(yuǎn)端壁面的最小距離與所述鉤狀微擋流結(jié)構(gòu)到所述主流道的近端壁面的最小距離的比值不小于6。
[0017]所述微流控芯片為可拋棄式微流控芯片。
[0018]本發(fā)明的有益效果:
[0019]本發(fā)明能夠有效克服目前單細(xì)胞打印技術(shù)存在的成活率低、精度低、難以實(shí)現(xiàn)單個(gè)細(xì)胞精確受控組裝的不足，通過(guò)基于微流控芯片流體聚焦和單細(xì)胞捕獲以及微噴頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)具有單個(gè)細(xì)胞分辨率的精確單細(xì)胞捕獲和噴射，從而為單細(xì)胞細(xì)胞研究提供發(fā)展機(jī)理、診斷及治療等，探索出一條新的研究和實(shí)驗(yàn)手段。這對(duì)于生物醫(yī)藥學(xué)研究領(lǐng)域，特別是生物細(xì)胞學(xué)的研究，具有不可替代的優(yōu)勢(shì)，并有可能開(kāi)創(chuàng)腫瘤學(xué)研究和藥物研究的新模式。
[0020]尤其是，本發(fā)明的微流控芯片結(jié)構(gòu)充分利用流體力學(xué)原理和微流控技術(shù)，將流動(dòng)聚焦理論與鉤狀微擋流結(jié)構(gòu)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)單細(xì)胞的長(zhǎng)時(shí)間精準(zhǔn)捕獲，并與疏水閥微噴頭和壓縮氣體驅(qū)動(dòng)相配合，實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞液滴的精準(zhǔn)受控噴射。具體來(lái)說(shuō)，本發(fā)明實(shí)施例具有以下優(yōu)點(diǎn):1、實(shí)現(xiàn)了單細(xì)胞自動(dòng)捕獲和噴射；2、采取了可拋棄式微流控芯片制作簡(jiǎn)單，沒(méi)有高深比結(jié)構(gòu)，免清洗和可擴(kuò)展性強(qiáng)3、實(shí)現(xiàn)了接近百分之百的精確捕捉；4、通過(guò)鉤狀微擋流結(jié)構(gòu)優(yōu)化和彎曲微通道顯著提高了捕獲效率；5、噴射后細(xì)胞存活率達(dá)95%以上。
【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1是本發(fā)明實(shí)施例的一種用于單細(xì)胞打印的微流控芯片的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖2是本發(fā)明微流控芯片中鉤狀微擋流結(jié)構(gòu)捕獲細(xì)胞和疏水閥微噴的局部放大圖；
[0023]圖3是本發(fā)明微流控芯片俯視圖的局部放大圖；
[0024]圖4是圖3在A-A面的剖視圖；
[0025]圖5a至圖5d是本發(fā)明微流控芯片捕獲和噴射細(xì)胞的流程示意圖，分別代表準(zhǔn)備、捕獲、沖洗、噴射四個(gè)過(guò)程；
[0026]附圖標(biāo)記說(shuō)明:1一一下基板；2—一上蓋板；3—一微流道；4一一無(wú)細(xì)胞的培養(yǎng)液入口 ；5 細(xì)胞懸浮液入口 ；6 壓縮氣體入口 ；7 液體出口 ；8 鉤狀微擋流結(jié)構(gòu)；9一一噴射出口 ；10—一壓縮氣體流道。
【具體實(shí)施方式】
[0027]以下對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式作詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，下述說(shuō)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。
[0028]參閱圖1至圖5d，在一種實(shí)施例中，一種用于細(xì)胞打印的微流控芯片，包括鍵合在一起的上蓋板2和下基板1，所述上蓋板2和所述下基板1之間形成有微流道3和壓縮氣體流道10，所述微流道3具有用于輸入細(xì)胞懸浮液的細(xì)胞懸浮液入口 5、用于輸入不含細(xì)胞的培養(yǎng)液的培養(yǎng)液入口 4、以及液體出口 7，所述壓縮氣體流道10具有壓縮氣體入口 6 (壓縮氣體可以是壓縮空氣)，所述微流道3包括在細(xì)胞懸浮液入口 5、培養(yǎng)液入口 4與液體出口7之間的圓弧形的主流道，所述主流道在中間位置與所述壓縮氣體流道10以及噴射出口 9連通，形成細(xì)胞捕捉區(qū)，在所述細(xì)胞捕捉區(qū)設(shè)置有用于捕捉細(xì)胞的鉤狀微擋流結(jié)構(gòu)8，所述鉤狀微擋流結(jié)構(gòu)8的凹陷側(cè)(即鉤形的正面一側(cè))迎向所述主流道的來(lái)流方向以及所述噴射出口 9，所述鉤狀微擋流結(jié)構(gòu)8與所述主流道的近端壁面的最大距離大于目標(biāo)細(xì)胞直徑且小于目標(biāo)細(xì)胞直徑的兩倍，而最小距離小于目標(biāo)細(xì)胞直徑，所述鉤狀微擋流結(jié)構(gòu)8與所述主流道的遠(yuǎn)端壁面的最小距離大于目標(biāo)細(xì)胞直徑。
[0029]所述微流道3可以通過(guò)軟光刻技術(shù)刻在下基板1的內(nèi)表面。所述微流控芯片優(yōu)選采用可拋棄式微流控芯片，其可降低制造成本，同時(shí)避免清洗步驟帶來(lái)的效率降低和成本上升。
[0030]在優(yōu)選的實(shí)施例中，所述主流道為180度的半圓弧，所述細(xì)胞捕捉區(qū)位于半圓弧中間位置。
[0031]在優(yōu)選的實(shí)施例中，所述壓縮氣體流道10和所述噴射出口 9進(jìn)行了疏水處理，所述噴射出口 9為疏水閥噴射出口 9。
[0032]在優(yōu)選的實(shí)施例中，所述鉤狀微擋流結(jié)構(gòu)8的彎折部分的彎折角為90度。
[0033]在優(yōu)選的實(shí)施例中，所述鉤狀微擋流結(jié)構(gòu)8的一條邊與所述主流道的近端壁面垂直，另一條邊與所述主流道的遠(yuǎn)端壁面平行。
[0034]在優(yōu)選的實(shí)施例中，所述鉤狀微擋流結(jié)構(gòu)8與所述主流道的底部的距離小于目標(biāo)細(xì)胞直徑，鉤狀微擋流結(jié)構(gòu)8頂部與所述主流道的頂部的距離大于捕獲細(xì)胞直徑。
[0035]在優(yōu)選的實(shí)施例中，所述鉤狀微擋流結(jié)構(gòu)8與所述主流道的遠(yuǎn)端壁面的最小距離為目標(biāo)細(xì)胞平均直徑的1.7倍。
[0036]在優(yōu)選的實(shí)施例中，所述鉤狀微擋流結(jié)構(gòu)8到所述主流道的遠(yuǎn)端壁面的最小距離與所述鉤狀微擋流結(jié)構(gòu)8到所述主流道的近端壁面的最小距離的比值不小于6。
[0037]根據(jù)一些實(shí)施例，微流控芯片由上蓋板2鍵合下基板1組成。通過(guò)用軟光刻法結(jié)合聚二甲硅氧烷(PDMS)制作的成型技術(shù)制備在下基板1表面刻有微流道3，其中流道包括彎曲流道，包括細(xì)胞懸浮液入口 5、不含細(xì)胞的培養(yǎng)液入口 4、主流道、用于細(xì)胞捕捉的鉤狀微擋流結(jié)構(gòu)8、液體出口 7、壓縮氣體入口 6、壓縮氣體流道10和微噴頭。其中壓縮氣體流道10和噴射出口 9的疏水處理可以有效的阻止細(xì)胞捕捉過(guò)程的泄露。
[0038]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，圓弧形的微流道3設(shè)計(jì)可以減小微流芯片尺寸，而且細(xì)胞在剪切力、誘導(dǎo)升力和離心力的共同作用下