用于細(xì)胞三維培養(yǎng)的微流控芯片設(shè)計(jì)與驗(yàn)證.pdf

1、微流控芯片具有試劑消耗量少、易于精確控制液體流動和模擬構(gòu)建細(xì)胞體外微環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，在細(xì)胞分析領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。細(xì)胞培養(yǎng)是開展各種細(xì)胞分析研究的基礎(chǔ)，為此本文設(shè)計(jì)并驗(yàn)證了一種用于細(xì)胞三維培養(yǎng)的集成微柱陣列培養(yǎng)室的微流控芯片。芯片由一片聚二甲基硅氧烷（PDMS）溝道片和一片玻璃蓋片組成，在PDMS溝道片上集成了一個由兩排微柱陣列圍成的細(xì)胞培養(yǎng)室和兩條用于輸送培養(yǎng)基的側(cè)溝道。其中，微柱間距直接影響了芯片的使用性能，不僅需要確保細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)

2、模擬材料混合液的穩(wěn)定注入，還需要滿足培養(yǎng)基中營養(yǎng)物質(zhì)和細(xì)胞代謝物的快速擴(kuò)散，是芯片設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。
　　本文首先基于計(jì)算流體動力學(xué)，對不同微柱間距情況下細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)模擬材料混合液的注入過程和培養(yǎng)基中營養(yǎng)物質(zhì)的擴(kuò)散過程進(jìn)行了數(shù)值模擬?；?COMSOL Multiphysics的兩相流-水平集模型，建立了一個用于模擬混合液注入過程的二維幾何模型。模擬發(fā)現(xiàn)混合液的注入過程是壓力、毛細(xì)力和表面張力共同作用的結(jié)果，在培養(yǎng)室內(nèi)壓力和毛細(xì)力起

3、主要作用，混合液流動迅速；而在微柱之間，混合液由于受到粘性力和表面張力的阻滯作用，流速會劇烈衰減。隨著微柱間距的增大，混合液在微柱之間受到的阻滯作用會逐漸減弱，混合液有突破微柱束縛進(jìn)入側(cè)溝道的趨勢。當(dāng)間距為100μm時(shí)，混合液在200 ms時(shí)便進(jìn)入了側(cè)溝道。同樣，基于ANSYS Fluent的組分輸運(yùn)模型，建立了一個用于模擬營養(yǎng)物質(zhì)擴(kuò)散過程的三維幾何模型。模擬發(fā)現(xiàn)，營養(yǎng)物質(zhì)在側(cè)溝道中流動的同時(shí)，會經(jīng)過微柱陣列向培養(yǎng)室內(nèi)不斷擴(kuò)散，而微柱間

4、距會影響營養(yǎng)物質(zhì)的擴(kuò)散速度。間距越大，擴(kuò)散速度越快。當(dāng)微柱間距為50μm時(shí)，經(jīng)過220 s擴(kuò)散過程便達(dá)到了平衡。結(jié)合上述兩方面的數(shù)值模擬結(jié)果，在綜合考慮芯片加工難度和使用性能的情況下，最終選擇50μm作為微柱間距的最優(yōu)值。
　　其次，根據(jù)優(yōu)化的結(jié)果設(shè)計(jì)制作了微流控芯片，并在芯片上對混合液的注入過程和營養(yǎng)物質(zhì)的擴(kuò)散過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用數(shù)值模擬優(yōu)化出的微柱間距不僅可以很好地實(shí)現(xiàn)混合液的穩(wěn)定注入，有效攔截了混合液向側(cè)溝