仿生穩(wěn)定微環(huán)境細胞培養(yǎng)芯片的設計與制作.pdf

1、細胞體外培養(yǎng)是細胞研究的重要內(nèi)容之一。微流控芯片通過對微通道網(wǎng)絡中流體的控制可以模擬細胞在體環(huán)境，目前已經(jīng)成為重要的細胞體外培養(yǎng)平臺。芯片內(nèi)的微環(huán)境對細胞的生長具有關鍵性的影響。利用微流控芯片進行細胞實驗時需要向培養(yǎng)腔中注入培養(yǎng)液、藥物溶液等，但是在進行細胞培養(yǎng)、藥性分析、胞間作用分析等操作中，注入液體的擾動會使芯片培養(yǎng)腔內(nèi)細胞生存微環(huán)境發(fā)生改變，進而影響藥物分析的結(jié)果。設計一種能夠抵抗外部液流擾動的微流控芯片在細胞藥物分析上具有重要意

2、義。對此，本文開展了如下研究:
　　(1)研究雙子葉植物網(wǎng)狀脈序水分輸運過程。雙子葉植物的葉脈具有網(wǎng)狀脈序結(jié)構(gòu)，其葉脈水分輸運系統(tǒng)遵循Murray定律。由于網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的存在，葉肉細胞生長在一個濃度均一、壓力平穩(wěn)、液流穩(wěn)定的微環(huán)境中。葉肉細胞生活在細脈包圍的網(wǎng)孔中，水分和無機鹽通過網(wǎng)孔導管側(cè)壁上的紋孔進入葉肉細胞組織。當葉片表面受到傷害或者產(chǎn)生流量波動時，網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)抵抗外部擾動的能力與網(wǎng)孔的形狀有關。本文通過改變邊數(shù)來改變網(wǎng)孔的形狀，隨

3、著網(wǎng)孔邊數(shù)的增多，葉脈冗余度增大，葉片抵抗外部流量波動的能力逐漸增強，在邊數(shù)n=8時，葉脈抵抗導管中流量波動的能力達到最強。
　　(2)仿生芯片的設計與制作。仿生芯片包括流體通道層、蓋片層和細胞進樣層三部分。根據(jù)網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的冗余輸運過程和細胞體外培養(yǎng)的要求，設計出正四邊形、正五邊形、正六邊形、正七邊形和正八邊形5種不同形狀的細胞培養(yǎng)腔結(jié)構(gòu)。對芯片細胞培養(yǎng)腔內(nèi)的微流場進行了數(shù)值模擬，證明仿生結(jié)構(gòu)模型培養(yǎng)腔內(nèi)具有小且均勻的液體流速，且能

4、有效抵抗外部液流擾動。利用MEMS工藝制作出所設計的仿生芯片。
　　(3)利用粒子速度測量的方法研究培養(yǎng)腔內(nèi)微流體的運動特性。以聚苯乙烯微球作為示蹤粒子，利用粒子測速技術測量簡單的單通道結(jié)構(gòu)和仿生結(jié)構(gòu)培養(yǎng)腔內(nèi)微流體的速度，并研究其速度分布規(guī)律。通過調(diào)整入口流速的方法模擬外部液流的擾動，研究不同形狀培養(yǎng)腔內(nèi)的微流體運動情況及抵抗干擾的能力，以此優(yōu)化細胞培養(yǎng)腔的形狀。利用所設計芯片進行PC12細胞的培養(yǎng)，觀察細胞在普通培養(yǎng)瓶和仿生芯片