一种微流控细胞培养单元

摘要

一种微流控细胞培养单元，主要包括：一个细胞培养区、两个液体过渡区、两个液体传输区，所述的细胞培养区位于细胞培养单元的中心，具有一个入口和一个出口，用于传输细胞；所述的液体过渡区位于细胞培养区的外围，用于连接细胞培养区和液体传输区；所述的液体传输区，具有一个入口和一个出口，用于传输细胞培养液以及指示细胞的试剂。由于液体传输区的特殊形状，本发明的细胞培养单元能够使细胞培养区域内的流场分布更均匀，从而具有以下优点：1.有利于试剂的均匀扩散；2.有利于细胞培养液的均匀传输；3.在保证细胞所需营养成分的前提下更有效地减小剪切力对细胞的影响。

权利要求

1.一种微流控细胞培养单元，其特征在于：所述微流控细胞培养单元具有椭圆形凹槽，在椭圆形凹槽的长轴和短轴方向分别具有与椭圆形凹槽连通的四个凹槽，所述四个凹槽的深度与椭圆形凹槽的深度相同，其中短轴方向的第一凹槽(1)和第三凹槽(2)分别用作细胞培养区的入口和出口，用于传输细胞；长轴方向的第二凹槽(3)和第四凹槽(4)分别用作液体传输区的入口和出口，用于传输细胞培养液以及指示细胞的试剂；在椭圆形凹槽底面具有圆环壁，所述圆环壁与椭圆形槽同心设置，且其直径小于椭圆形凹槽短轴方向的长度，高度略小于椭圆形凹槽的深度；所述圆环壁在与第一凹槽(1)和第三凹槽(2)相对的位置形成第五凹槽(5)和第六凹槽(6)，从而将所述圆环壁分割成对称的第一弧形壁和第二弧形壁，在两个弧形壁的相对端的外侧面分别具有平行的连接壁，用于连接弧形壁和椭圆凹槽壁；第五凹槽(5)和第一凹槽(1)以及第六凹槽(6)和第三凹槽(2)连通，从而形成细胞培养区的入口和出口；在椭圆形壁与相邻的弧形壁和连接壁之间的部分为液体传输区(7)，用于使细胞培养液以及指示细胞的试剂的流速更加均匀；两个弧形壁之间的区域为细胞培养区(8)，用于纳置培养液及待培养的细胞；两个弧形壁与连接壁上方的区域作为液体过渡区(9)，用于连接液体传输区(7)和细胞培养区(8)。

2.根据权利要求1所述的微流控细胞培养单元，其特征在于：所述的液体传输区(7)深度与细胞培养区(8)相同。

3.根据权利要求1所述的微流控细胞培养单元，其特征在于：所述的液体过渡区(9)下方的弧形壁及连接壁的高度相同，且略小于椭圆形凹槽的深度。

说明书

一种微流控细胞培养单元

技术领域

[0001] 本发明属微流控细胞培养芯片领域，特别是涉及一种微流控细胞培养单元。

背景技术

[0002] 在病毒学、免疫学、遗传学、肿瘤学等各个领域都需要进行细胞培养，但常规的细胞培养方法存在明显不足。首先是细胞的体积微小，传统方法提供的培养环境明显与体内环境相差甚远，难以全面模拟细胞生活的真实环境；还有就是细胞所需数量巨大，不易进行单细胞的控制和操纵，观察不直接，耗费试剂。将微流控芯片和细胞培养技术相结合所得到的细胞培养芯片，具有明显的优越性。从器件尺寸而言，芯片尺寸特征与单个生物细胞在尺度上具有相容性，有助于实现单细胞的生物化学实验；从结构上而言，芯片内物质传输与热传导非常迅速，有利于细胞培养环境的快速稳定；从集成性而言，芯片上可以集成多种部件和功能，易实现细胞培养装置的微型化。由于这些优势的存在，细胞培养芯片在细胞迁移、细胞分化、药物筛选等多个领域正在发挥越来越重要的作用。

[0003] 指示细胞的试剂和细胞培养液的灌注是影响细胞培养成功与否的关键因素，也是细胞培养芯片设计的难点。当灌注指示细胞的试剂流速大时，所引起的剪切力会对细胞产生不利影响；当流速过小时，试剂就不能均匀的扩散，从而影响检测的结果。当灌注细胞培养液流速大时，浪费细胞培养液，而且大流速引起的剪切力会对细胞产生不利影响；当流速过小时，可能导致营养和供养不足以及有毒分泌物的积累，从而影响细胞的正常生长。因此，为实现细胞的稳定培养，不但需要选择一个合适的流速来灌注指示细胞的试剂和细胞培养液，而且需要保证细胞培养区内液体的均匀传输。

[0004] 目前，还没有专利或其它公开发表的文献可以很好的解决上述问题。只有少量文献，如P.J.Hung等人在Lab Chip上刊登的文章论文一“A novel high aspect ratiomicrofluidic design to provide a stable and uniform microenvironment for cellgrowth in a high throughput mammalian cell culture array”(Lab Chip，2005，Vol.5，44-48)给出的结构设计方法可以减小灌注培养液时对细胞引起的不利影响，但存在流速不均匀以及结构复杂的问题。如图1所示，该微流控细胞培养单元包括有一个圆形的细胞培养腔体，一组环绕主腔体周围等间隔分布的灌注通道，以及四个用于流体传输的口。细胞悬浮液以及指示细胞的试剂从上口注入，下口排出；细胞培养液从左口注入，右口排出。图中英文的中文含义为：Cell Loading(细胞装载)，Perfusion Inlet(灌注入口)，Cell Culture Chamber(细胞培养腔)，Perfusion Outlet(灌注出口)。

发明内容

[0005] 本发明的技术解决问题是：为解决上述指示细胞的试剂和细胞培养液的灌注所产生的对细胞的不利影响问题，提供一种能够在一定量指示细胞的试剂和细胞培养液灌注的情况下有效降低相应的对细胞的不利影响的微流控细胞培养单元，旨在实现对细胞培养液和细胞检测试剂的均匀传输同时消除或减弱指示细胞的试剂和细胞培养液灌注时对细胞的不利影响问题，实现对细胞的稳定培养。

[0006] 本发明的技术解决方案：一种微流控细胞培养单元，具有椭圆形凹槽，在椭圆形凹槽的长轴和短轴方向分别具有与椭圆形凹槽连通的四个凹槽，该四个凹槽的深度与椭圆形凹槽的深度相同，其中短轴方向的第一凹槽和第三凹槽分别用作细胞培养区的入口和出口，用于传输细胞；长轴方向的第二凹槽和第四凹槽分别用作液体传输区的入口和出口，用于传输细胞培养液以及指示细胞的试剂；在椭圆形凹槽底面具有圆环壁，该圆环壁与椭圆形槽同心设置，且其直径小于椭圆形凹槽短轴方向的长度，高度略小于椭圆形凹槽的深度；所述圆环壁在与第一凹槽和第三凹槽相对的位置形成第五凹槽和第六凹槽，从而将该圆环壁分割成对称的第一弧形壁和第二弧形壁，在两个弧形壁的相对端的外侧面分别具有平行的连接壁，用于连接弧形壁和椭圆凹槽壁；第五凹槽和第一凹槽以及第六凹槽和第三凹槽连通，从而形成细胞培养区的入口和出口；在椭圆形壁与相邻的弧形壁和连接壁之间的部分为液体传输区，用于使细胞培养液以及指示细胞的试剂的流速更加均匀；两个弧形壁之间的区域为细胞培养区，用于纳置培养液及待培养的细胞；两个弧形壁与连接壁上方的区域作为液体过渡区，用于连接液体传输区和细胞培养区。

[0007] 所述的液体传输区深度与细胞培养区相同；所述的液体过渡区下方的弧形壁以及连接壁的高度相同，且略小于椭圆形凹槽的深度。

[0008] 本发明的原理：传统的方法一般是将指示细胞的试剂直接灌注进细胞培养区内，为了使试剂扩散均匀，只能采取大流速，就会对细胞产生不利的影响。因此，本发明着眼于试剂传输的途径，从改变细胞培养液传输区的形状入手，提出上述方案。通过设计细胞培养液传输区特殊的形状，试剂或细胞培养液从入口进入到细胞培养液传输区后，其流场分布更加均匀，因而使细胞培养区内的流场分布也变得更加均匀；通过细胞培养液过渡区有效隔离了培养液传输区和细胞培养区，使细胞免受对流传送的直接影响，从而消除或减弱了试剂或细胞培养液灌注对细胞产生的不利影响。

[0009] 本发明与现有技术相比的有益效果在于：由于细胞培养液传输区的特殊形状使细胞培养区内的流场分布更加均匀，一是有利于试剂的均匀扩散，二是有利于细胞培养液的均匀传输，三是更有利于在保证检测正常进行和细胞所需营养成分的前提下更有效地减小试剂或细胞培养液灌注对细胞的影响。

附图说明

[0010] 图1为现有技术中的一种微流控细胞培养单元的结构示意图；

[0011] 图2为本发明提出的微流控细胞培养单元的结构示意图；

[0012] 图3为本发明提出的微流控细胞培养单元的正视图；

[0013] 图4为现有技术中的一种微流控细胞培养单元内流速分布的仿真示意图；

[0014] 图5为本发明提出的微流控细胞培养单元内流速分布的仿真示意图。

[0015] 具体实施方式是

[0016] 如图2所示，本发明的微流控细胞培养单元具有椭圆形凹槽，在椭圆形凹槽的长轴和短轴方向分别具有与椭圆形凹槽连通的四个凹槽，该四个凹槽的深度与椭圆形凹槽的深度相同，其中短轴方向的第一凹槽1和第三凹槽2分别用作细胞培养区的入口和出口，用于传输细胞；长轴方向的第二凹槽3和第四凹槽4分别用作液体传输区的入口和出口，用于传输细胞培养液以及指示细胞的试剂；在椭圆形凹槽底面具有圆环壁，该圆环壁与椭圆形槽同心设置，且其直径小于椭圆形凹槽短轴方向的长度，高度略小于椭圆形凹槽的深度；所述圆环壁在与第一凹槽1和第三凹槽2相对的位置形成第五凹槽5和第六凹槽6，从而将该圆环壁分割成对称的第一弧形壁和第二弧形壁，在两个弧形壁的相对端的外侧面分别具有平行的连接壁，用于连接弧形壁和椭圆凹槽壁；第五凹槽5和第一凹槽1以及第六凹槽6和第三凹槽2连通，从而形成细胞培养区的入口和出口；在椭圆形壁与相邻的弧形壁和连接壁之间的部分为液体传输区7，用于使细胞培养液以及指示细胞的试剂的流速更加均匀；两个弧形壁之间的区域为细胞培养区8，用于纳置培养液及待培养的细胞；两个弧形壁与连接壁上方的区域作为液体过渡区9，用于连接液体传输区7和细胞培养区8。

[0017] 如图3所示，液体传输区7深度与细胞培养区8相同；液体过渡区9下方的弧形壁以及连接壁的高度相同，且略小于椭圆形凹槽的深度。

[0018] 如图5所示，深色代表较小流速，浅色代表较大流速，与现有技术中的一种微流控芯片内的流速分布(如图4所示)相比，本发明的流场分布更加均匀，更有利于细胞培养液和试剂的均匀扩散。

[0019] 以上说明了本发明的实施例，但本发明并不局限与以上所述的具体实施例，凡是符合本发明主旨的各种微流控细胞培养芯片，都应该认为包含在本发明的范围内。