用于膜片钳系统的细胞吸附芯片设计与研究

发布时间：2020-10-02 06:59

　　细胞通过离子的跨膜流动可进行细胞内和细胞间的信号传导,膜片钳技术通常用于测量离子通道电流和膜电位,在电生理学和生命科学等领域被广泛应用,但传统玻璃微电极在膜片钳实验中存在制作与操作难度高、效率低且易发生移动导致与目标细胞封接效果不好的问题。近年来,微流控芯片以其精确控制流体、便于操作单细胞和良好的生物兼容性等独特的优势在膜片钳研究方面得到广泛应用。然而,常规的微流控膜片钳细胞吸附芯片存在吸附难度高、细胞利用率低、工艺制作繁琐等问题,因此,一种结构简单、操作方便且高通量的膜片钳细胞吸附芯片将为细胞膜电位测量实验提供极大便利。本文基于流体动力学原理设计了一种微型、简单且高效的用于膜片钳实验系统的细胞吸附芯片,具体研究内容和结果如下:(1)理论分析:结合细胞尺寸及膜片钳实验对细胞吸附的需求设计了芯片结构,并使用泊肃叶定律对微通道内流体流速、流阻及压降进行分析,确定吸附通道所需负压对流速的依赖关系。通过理论分析本文确定了主通道采用弧线与直线结合的“蛇形通道”及膜片钳捕获通道采用由细到粗过渡结构的设计方案。计算结果表明完成细胞吸附需在膜片钳捕获端口施加负压;输入流量(流速)与所需施加最小负压值之间存在线性关系;随着捕获单元与主通道入口距离变近,其线性系数逐渐变小(分别为-1611、-1724、-1551、-1349、-1118、-868);距离主通道入口最近与最远的捕获单元其线性系数相差一半。(2)数值模拟:利用有限元多物理场分析软件comsol建立微流控芯片捕获细胞的仿真模型,模拟了通道内流速、压降及粒子运动轨迹。结果显示,在芯片的细胞捕获通道端口附近,流体的压力急剧降低、流速显著增大,其影响区域占主通道的1/3左右;仿真中粒子运动的轨迹进一步验证了此区域内细胞容易被吸附的现象。在流速为3mm/s、随机置入20个微粒子的仿真中,可以观察到,细胞的捕获对施加的负压存在依赖关系,最佳负压值为-1000 pa。(3)实验验证:利用制备的微流控芯片搭建了细胞吸附实验平台,并通过聚苯乙烯微球捕获实验验证了该芯片对于不同粒径微球吸附的有效性,通过细胞吸附实验实现了流动干扰下细胞的稳定吸附,且所施加负压值与理论计算值相符。本论文设计的用于膜片钳实验系统的细胞吸附芯片在理论分析、模拟仿真和细胞实验中都成功实现了对单细胞的稳定吸附,且一些关键结果参数互相符合,表现出了较好的可行性,为细胞膜电位测量与控制等膜片钳实验提供了潜在可用的方便平台。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：Q25
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 研究背景及意义
    1.2 国内外研究现状
    1.3 本文主要研究内容
    1.4 本文组织架构
2 基于微流控芯片的单细胞捕获理论分析与设计
    2.1 微通道的流阻
    2.2 微通道的流阻、压降和流量的关系
    2.3 粒子受力分析
        2.3.1 斯托克斯拖曳力
        2.3.2 重力和浮力
        2.3.3 布朗力
    2.4 微流控芯片的设计
        2.4.1 细胞吸附的实现
        2.4.2 微流控芯片具体结构设计
    2.5 小结
3 基于COMSOL对细胞吸附芯片的数值模拟
    3.1 网格剖分方式选择
    3.2 微流控芯片内的流速分布
    3.3 微流控芯片捕获单元的压降
    3.4 微流控芯片内的粒子轨迹
    3.5 所施加负压值与捕获率关系
    3.6 小结
4微流控芯片制作及单细胞吸附实验
    4.1 细胞吸附实验平台搭建
        4.1.1 设备与材料
        4.1.2 细胞吸附芯片的制作过程
    4.2 细胞培养
        4.2.1 试剂与设备
        4.2.2 细胞培养与传代
        4.2.3 细胞的冻存与复苏
    4.3 实验与分析
        4.3.1 聚苯乙烯微球实验
        4.3.2 细胞吸附实验
    4.4 小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
致谢

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