面向快速定制的微流控浓度梯度芯片设计制造方法研究
发布时间：2021-04-07 07:09
微流控技术是体外构建生物系统的一种很具有吸引力的技术,它为研究细胞共培养、细胞代谢活性、细胞与细胞相互作用和药物代谢机制的研究提供了一个方便的平台。随着微流控芯片在实验室中应用的不断深入,实验室对于微流控芯片的数量及功能的需求也在不断提高,传统的芯片制造理念和制备工艺已经无法满足实验室对与快速得到所需功能芯片的需求。对微流控芯片功能的快速定制方法的探索已经成为了芯片制造的有一个重要课题。本文基于光固化3D打印技术（SLA）提出了一种快速定制微流控浓度梯度芯片的方法。基于通用浓度梯度生成算法设计多种不同功能的树状结构浓度梯度模块,并通过与不同结构的细胞培养模块相互组合的方式,得到模块化组合的浓度梯度芯片。为了验证快速定制方案的可行性,本文选择了其中线性浓度梯度模块及矩形培养腔模块的组合方案作为验证方案进行了后续研究。本文首先基于通用型浓度梯度分布算法对树状网络结构的各个分流节点的位置进行了计算设计,并基于微通道中液体层流扩散理论对蛇形混合流道的最小长度进行了设计计算,最终确定了流道了整体结构。完成浓度芯片相关参数设计后,本文使用Solidworks软件对设计好的芯片模块进行了三维建模,并...
【文章来源】：杭州电子科技大学浙江省
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．２?（ａ）确定性横向位移微流控芯片［３１］?（ｂ）高通量单细胞分析芯片［３８］??
其他类型细胞。目前，很多集成了其他不同功能微流控模块的芯片已经被制造出来。??比如将细胞培养阵列与浓度梯度发生器集成到一起，从而实现将细胞暴露于不同浓度??培养液中进行研究的目的［４２］。类似的研究还有很多。如图１．３－ｃ所示，Ｋｉｎｇｅｔａｌ团队研??制了一种高密度电池阵列微流控芯片，该芯片通过使用绿色荧光蛋白标记的方式实现??了监测基因表达的功能［４３］。Ｋｉｍ?ｅｔａｌ等人发明了一种创造性的微流控装置。这种装置??实现了在对数流速范围内同时进行培养细胞的功能，并可以被用于研宄了不同流速下??的细胞反应［４４］（图１．３－ｄ）。在微流控灌注系统中进行细胞图案化和长时间细胞分化研??宄被证明是可行的。??＇：．ｒ?＾?ｖ?／．?ｎｒ?／＾＾，ｎｐｕｔ??＿繼??ｉ—顧涵％??一？一?Ｃｅｉｌ?ｃｕｌｔｕｒｅ??＾０＾?１?＼?ｃｈａｍｂｅｒ??图１．３用于细胞培养及检测的微流控芯片［３９’４ＭＷ４］??１．２．３微流控芯片的浓度梯度生成研究??化学和生物分子梯度在科学和工程中的重要性促使研宄人员开发出许多产生空间??梯度的方法［４５］。最常见的技术包括生物水凝胶梯度法［４６］、微型移液管产生梯度法［４７］、??Ｂｏｙｄｅｎ小室法［４８］、Ｚｉｇｍｏｎｄ小室法［４９］以及Ｄｕ皿小室法［５（）］。虽然这些方法已经被用于??细胞实验中，但是对于定量研宄梯度信号方面并不理想。这可以归因于无法生成具有??任意空间浓度分布的，精确的浓度梯度。此外，上述大多数方法只生成线性梯度，很??少有替代品用于产生非线性梯度。??微流控浓度梯度芯片的应用为生物科学
芯片类型有树状网络型、通用型和级联型等。树状网络浓度梯度芯片最初是由Ｈａｒｉｈａｒａ??Ｂａｓｋａｍｎ等人设计实现的［５３］，是最为经典、应用最为广泛的芯片结构之一，其基本结??构包含了入口、出口以及诺干个蛇形结构微通道，其结构如图１．４－ｂ所示。不同浓度的??液相从入口被通入后，在各层级的分流点以一定比例分流，并在蛇形通道中混合后进??入下一层级，逐级往复后最终在出口处形成浓度梯度分布。这种结构的优点是能够较??为简便的形成不复杂的、离散的浓度值。２００２年，Ｊｅｏｎｗ等人基于软光刻工艺制作了??树状网络结构的浓度梯度芯片，并将人体中性白细胞放置于芯片微通道内，用来检测??ＩＬ－８?（—种内皮细胞分泌物）是否对中性白细胞有细胞移行的影响，最终发现白细胞会??向ＩＬ＂８浓度高的方向移行［５３］??Ｔ型并流结构浓度梯度芯片是另一种常用的浓度梯度芯片，最早是由Ｋａｍｈｏｌｚ团??队设计发表的，芯片的结构如图１．４－ａ所示。这种结构的芯片与树状网络结构的芯片相??同
本文编号：3123034
【文章来源】：杭州电子科技大学浙江省
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．２?（ａ）确定性横向位移微流控芯片［３１］?（ｂ）高通量单细胞分析芯片［３８］??
其他类型细胞。目前，很多集成了其他不同功能微流控模块的芯片已经被制造出来。??比如将细胞培养阵列与浓度梯度发生器集成到一起，从而实现将细胞暴露于不同浓度??培养液中进行研究的目的［４２］。类似的研究还有很多。如图１．３－ｃ所示，Ｋｉｎｇｅｔａｌ团队研??制了一种高密度电池阵列微流控芯片，该芯片通过使用绿色荧光蛋白标记的方式实现??了监测基因表达的功能［４３］。Ｋｉｍ?ｅｔａｌ等人发明了一种创造性的微流控装置。这种装置??实现了在对数流速范围内同时进行培养细胞的功能，并可以被用于研宄了不同流速下??的细胞反应［４４］（图１．３－ｄ）。在微流控灌注系统中进行细胞图案化和长时间细胞分化研??宄被证明是可行的。??＇：．ｒ?＾?ｖ?／．?ｎｒ?／＾＾，ｎｐｕｔ??＿繼??ｉ—顧涵％??一？一?Ｃｅｉｌ?ｃｕｌｔｕｒｅ??＾０＾?１?＼?ｃｈａｍｂｅｒ??图１．３用于细胞培养及检测的微流控芯片［３９’４ＭＷ４］??１．２．３微流控芯片的浓度梯度生成研究??化学和生物分子梯度在科学和工程中的重要性促使研宄人员开发出许多产生空间??梯度的方法［４５］。最常见的技术包括生物水凝胶梯度法［４６］、微型移液管产生梯度法［４７］、??Ｂｏｙｄｅｎ小室法［４８］、Ｚｉｇｍｏｎｄ小室法［４９］以及Ｄｕ皿小室法［５（）］。虽然这些方法已经被用于??细胞实验中，但是对于定量研宄梯度信号方面并不理想。这可以归因于无法生成具有??任意空间浓度分布的，精确的浓度梯度。此外，上述大多数方法只生成线性梯度，很??少有替代品用于产生非线性梯度。??微流控浓度梯度芯片的应用为生物科学
芯片类型有树状网络型、通用型和级联型等。树状网络浓度梯度芯片最初是由Ｈａｒｉｈａｒａ??Ｂａｓｋａｍｎ等人设计实现的［５３］，是最为经典、应用最为广泛的芯片结构之一，其基本结??构包含了入口、出口以及诺干个蛇形结构微通道，其结构如图１．４－ｂ所示。不同浓度的??液相从入口被通入后，在各层级的分流点以一定比例分流，并在蛇形通道中混合后进??入下一层级，逐级往复后最终在出口处形成浓度梯度分布。这种结构的优点是能够较??为简便的形成不复杂的、离散的浓度值。２００２年，Ｊｅｏｎｗ等人基于软光刻工艺制作了??树状网络结构的浓度梯度芯片，并将人体中性白细胞放置于芯片微通道内，用来检测??ＩＬ－８?（—种内皮细胞分泌物）是否对中性白细胞有细胞移行的影响，最终发现白细胞会??向ＩＬ＂８浓度高的方向移行［５３］??Ｔ型并流结构浓度梯度芯片是另一种常用的浓度梯度芯片，最早是由Ｋａｍｈｏｌｚ团??队设计发表的，芯片的结构如图１．４－ａ所示。这种结构的芯片与树状网络结构的芯片相??同
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