基于微流控芯片的细胞培养控制系统研究

发布时间：2020-05-24 03:30

【摘要】：细胞培养技术是生物学、医学、药物研发等研究领域的重要技术。目前,国内外细胞培养工作还普遍使用培养皿、培养板、培养瓶等装置,不能重现体内细胞外微环境实际状况。微流控芯片流道尺寸属于微米级别,在时间和空间上精确地控制细胞外微环境,还能快速精准地进行重复性试验,为新一代细胞研究提供重要平台。然而,现有微流控芯片细胞培养过程还存在细胞不均匀生长问题,而且培养液灌注控制方法单一,难以实现不同接种密度细胞以不同生长速率自动培养。细胞不均匀生长和不同接种密度细胞以不同生长速率生长都会影响细胞生长规律、细胞活性检测、药物诱导细胞凋亡等后续实验结果准确度。针对上述微流控芯片细胞培养技术缺陷,本文设计基于微流控芯片的细胞培养控制系统,实现细胞均匀生长和不同接种密度细胞以不同生长速率自动培养。本文围绕培养液流速均匀分布的微流控芯片设计和培养液灌注预测控制方法两个关键技术,开展以下研究工作:(1)针对细胞不均匀生长问题,设计一种培养液流速均匀分布的微流控芯片,并利用COMSOL仿真软件和粒子测速实验对比分析该微流控芯片和常用单流道微流控芯片培养室内部培养液流速分布情况。(2)为了在不同细胞接种密度情况下,实现细胞以不同生长速率自动培养,提出基于LS-SVM的培养液灌注预测控制方法,选取细胞接种密度和细胞增殖三代时间作为输入量,培养液灌注间歇时间作为输出量。(3)构建微流控芯片细胞培养控制系统实验平台,完成现场控制装置和上位机控制系统软硬件设计。(4)实验平台构建完成后,进行微流控芯片细胞培养实验,分析细胞增殖三代时间与间歇时间关系、细胞接种密度与间歇时间关系,再根据实验数据建立基于LS-SVM的培养液灌注预测控制模型。(5)利用微流控芯片细胞培养控制系统进行胃癌细胞培养,并与常规培养皿胃癌细胞培养效果进行对比分析。实验结果表明:该微流控芯片培养室内部培养液流速分布比常用单流道微流控芯片培养室内部培养液流速分布更加均匀;该微流控芯片细胞培养控制系统能够按照不同细胞接种密度和不同细胞增殖三代时间自动控制细胞生长,提高细胞培养自动化程度,而且比培养皿中细胞生长更加均匀。
【图文】：

微流控芯片,癌细胞

江苏大学硕士学位论文化、集成化、样本需求量少等优点，使得微流控芯片细胞培养技术迅速发展。微流控芯片在细胞培养领域具有极为广阔的发展前景。在国外，细胞培养的很多研究工作已经转移到微流控芯片中进行[17-21]。Paul J.Hung等人[17]提出一种微流控芯片细胞培养阵列，在微流控芯片内培养人癌细胞（HeLa）至融合，然后使用胰蛋白酶处理，成功地实现 HeLa 再生长，为药物筛选、生物信息学和定量细胞生物学的应用提供测定平台，如图 1.2 所示。Elisa Figallo 等人[18]开发软光刻制造微生物反应器阵列，实现小鼠成肌细胞、原代大鼠心肌细胞和人胚胎干细胞（hESC）的培养，并研究细胞密度和培养液流动状态对 hESC 分化的影响，为未来进一步研究hESC 奠定基础。Hiroshi Kimura 等人[19]开发了具有微型泵和荧光检测功能的集成微流体装置，实现人克隆结肠腺癌细胞的培养以及在线监测，为药物筛选和毒性测试提供有用平台。

骨髓间充质干细胞,ICR小鼠,微流控芯片

（a）第 1 天（b）第 2 天（c）第 3 天图 1.3 微流控芯片中培养 ICR 小鼠骨髓间充质干细胞Fig.1.3 Culture of ICR mouse bone marrow mesenchymal stem cells in a microfluidic chip1.2.2 微流控芯片细胞培养控制方法研究现状细胞体外培养需要形成一个适宜稳定的细胞生长环境，为细胞提供模拟体内的生长环境。体外细胞培养需要控制的条件主要包括适宜的温度、恒定的二氧化碳浓度（一般为 5%）、稳定的 pH 值、适当的溶氧量、充足的营养成分（氨基酸、维生素、碳水化合物、微量元素等）、较高的相对湿度（95%以上）等。传统细胞培养是将细胞接种于培养瓶、培养皿或培养板中，加入适量的新鲜培养液再放入 CO2培养箱中进行静置培养，然后研究员通过观察培养液的颜色变化情况进行培养液更换。在细胞生长繁殖过程中，营养成分将被不断消耗，并且代谢废物不断积累。如图 1.4 所示，，当新鲜培养液的颜色由红色逐渐变成黄色时，说明营养成分过少和代谢
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN492;Q813.11

【参考文献】