序列化灌注式微流控芯片的设计与实验
发布时间：2021-11-23 18:56
低温保存被普遍应用于生物保存等多种领域。在低温保存过程中,添加/去除低温保护剂（CPA）过程中细胞外渗透压连续改变易导致细胞损伤甚至死亡。现有的处理方法受到处理效率、处理通量、细胞回收率低等多种限制。现有的膜式微流控系统还因微滤膜两侧压力变化易造成细胞堵塞微滤膜孔。为解决上述问题,本文通过分阶段的渗透压变化减少细胞损伤,使细胞在每一阶段渗透压变化后有时间适应环境变化,同时通过灌注液往细胞悬浮液的单向传质避免微滤膜污染。基于此思路本文设计了序列化灌注式芯片,通过特殊设计的结构阶段性地改变细胞悬浮液中的CPA浓度。通过这种芯片减少因渗透压失衡造成的细胞损伤同时高效的完成CPA添加/去除。本文进行的主要工作有:（1）提出序列化灌注式微流控芯片的方案原理,对灌注液往细胞悬浮液的单向灌注进行理论推导。根据添加/去除CPA前后的细胞悬浮液渗透压变化设计阶段性的灌注过程,在理论模型基础上设计芯片结构,设计“膜窗”实现阶段性灌注过程。加工装配原型装置。（2）研究序列化灌注式芯片的传质特性,进行装置级仿真得出灌注液向细胞悬浮液跨膜传质的灌注序列。通过灌注序列计算流道内CPA浓度分布,从而进行细胞级仿真计...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
膜分离法原理示意图
视氪?车臀卤?存相比提高了约25%[38]。微流控技术应用于低温保护剂处理方兴未艾，当前主流的微流控技术与膜分离法的透析法类似，均是基于溶质的扩散原理，利用浓度差作为物质传递的驱动力，主要的发展方向是提升层流间接触面积提升扩散效率，或是提高置换液流速保持浓度差以提升溶质传输效率。但是溶质扩散原理本身也限制了扩散效率的提升，因为要实现更大接触面且流速较快的稳定层流具有难度，而在层流直接接触面上，由于渗透压的剧烈变化，也会导致细胞损伤，这些因素共同限制了基于扩散原理的微流控技术的效率。图1-3微流控CPA处理示意图[38]Zhou等人提出了基于膜式微流控的超滤法模型，这种方法同时拥有了膜分离法与微流控方法的优点，利用膜分离细胞悬浮液与置换液，可以构造形成稳定的层流，并尝试通过超滤法利用膜两侧压力差驱动的方式提升溶质跨膜传输的效率。如图1-4所示，通过两块PMMA夹一片微孔滤膜的结构，并在膜两侧均刻蚀微流道，以两条逆向流动的层流，使得两侧有相对压力差与浓度差，在一块微流控芯片内同时完成“稀释-过滤”，并设计了相应的传质实验与细胞验证实验，得到了添加过程中较理想的细胞回收率[39]。但是由于流道内压力变化，细胞悬浮液在过滤浓缩阶段因为压力变化后向置换液侧流动，容易造成细胞堵塞微孔滤膜，在去除CPA时不能得到理想结果。
电子科技大学硕士学位论文8图1-4基于“稀释-过滤”原理的微流控芯片[39]综上，列举了包括离心法在内的多种现有低温保护剂处理方法，离心法具有操作简单的优点，却是一个劳动密集型的方法，需要消耗较大的人工与时间，尽管有了自动化的解决方案，但是仍然避免不了本身的机械损伤、细胞污染等缺点。而膜分离法可以避免细胞污染，可以更高效的处理细胞悬浮液，并且已经有了商用的透析器等，已经证明了具有细胞安全性[40,41]。但是这些基于中空纤维管的仪器只能处理体积相对较大的细胞悬浮液。此外，一次性中空纤维管的价格也是一个大规模使用的限制因素。而基于扩散原理的微流控方法，利用层流间接触面因溶质浓度差的自主扩散进行CPA处理，但是仍然不能避免局部的渗透压失衡以及连续的渗透压失衡累积的细胞损伤，并且传质效率较低，而形成接触面较大的稳定层流十分困难。结合膜分离法与微流控法的优点，基于膜式微流控的超滤法处理低温保护剂处理技术也有所尝试[39,42,43]，但是也会出现如细胞堵塞微孔滤膜的现象，降低处理效率也会导致细胞存活率下降。总结以上不同方法的优缺点，本文期望设计一种基于微滤法的膜式微流控芯片，旨在提供一种可以满足小体积细胞对象处理要求，通过超滤法能够提高传质效率并且能够避免膜污染，能够适应低通量和高通量的CPA处理，并且能够有效避免CPA处理过程中因渗透压失衡导致的细胞损伤，有良好的细胞存活率与CPA去除率的处理方法。1.3本文的主要贡献与创新本文的主要贡献是提出了序列化灌注式微流控芯片概念，利用膜式微流控方法形成稳定的层流，并通过芯片结构的特殊设计形成灌注液侧往细胞悬浮液侧的单向传质避免膜污染，利用序列化灌注的方法避免细胞外渗透压连续变化导致细胞损伤，使细胞在胞外?
【参考文献】：
期刊论文
[1]透析法去除红细胞渗透性低温保护剂的实验研究[J]. 张晓光,赵刚,丁卫平,刘忠,杨基明,高大勇. 中国生物医学工程学报. 2008(01)
博士论文
[1]低温保护剂去除方法与若干相关问题研究[D]. 乔赫元.中国科学技术大学 2015
本文编号：3514466
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
膜分离法原理示意图
视氪?车臀卤?存相比提高了约25%[38]。微流控技术应用于低温保护剂处理方兴未艾，当前主流的微流控技术与膜分离法的透析法类似，均是基于溶质的扩散原理，利用浓度差作为物质传递的驱动力，主要的发展方向是提升层流间接触面积提升扩散效率，或是提高置换液流速保持浓度差以提升溶质传输效率。但是溶质扩散原理本身也限制了扩散效率的提升，因为要实现更大接触面且流速较快的稳定层流具有难度，而在层流直接接触面上，由于渗透压的剧烈变化，也会导致细胞损伤，这些因素共同限制了基于扩散原理的微流控技术的效率。图1-3微流控CPA处理示意图[38]Zhou等人提出了基于膜式微流控的超滤法模型，这种方法同时拥有了膜分离法与微流控方法的优点，利用膜分离细胞悬浮液与置换液，可以构造形成稳定的层流，并尝试通过超滤法利用膜两侧压力差驱动的方式提升溶质跨膜传输的效率。如图1-4所示，通过两块PMMA夹一片微孔滤膜的结构，并在膜两侧均刻蚀微流道，以两条逆向流动的层流，使得两侧有相对压力差与浓度差，在一块微流控芯片内同时完成“稀释-过滤”，并设计了相应的传质实验与细胞验证实验，得到了添加过程中较理想的细胞回收率[39]。但是由于流道内压力变化，细胞悬浮液在过滤浓缩阶段因为压力变化后向置换液侧流动，容易造成细胞堵塞微孔滤膜，在去除CPA时不能得到理想结果。
电子科技大学硕士学位论文8图1-4基于“稀释-过滤”原理的微流控芯片[39]综上，列举了包括离心法在内的多种现有低温保护剂处理方法，离心法具有操作简单的优点，却是一个劳动密集型的方法，需要消耗较大的人工与时间，尽管有了自动化的解决方案，但是仍然避免不了本身的机械损伤、细胞污染等缺点。而膜分离法可以避免细胞污染，可以更高效的处理细胞悬浮液，并且已经有了商用的透析器等，已经证明了具有细胞安全性[40,41]。但是这些基于中空纤维管的仪器只能处理体积相对较大的细胞悬浮液。此外，一次性中空纤维管的价格也是一个大规模使用的限制因素。而基于扩散原理的微流控方法，利用层流间接触面因溶质浓度差的自主扩散进行CPA处理，但是仍然不能避免局部的渗透压失衡以及连续的渗透压失衡累积的细胞损伤，并且传质效率较低，而形成接触面较大的稳定层流十分困难。结合膜分离法与微流控法的优点，基于膜式微流控的超滤法处理低温保护剂处理技术也有所尝试[39,42,43]，但是也会出现如细胞堵塞微孔滤膜的现象，降低处理效率也会导致细胞存活率下降。总结以上不同方法的优缺点，本文期望设计一种基于微滤法的膜式微流控芯片，旨在提供一种可以满足小体积细胞对象处理要求，通过超滤法能够提高传质效率并且能够避免膜污染，能够适应低通量和高通量的CPA处理，并且能够有效避免CPA处理过程中因渗透压失衡导致的细胞损伤，有良好的细胞存活率与CPA去除率的处理方法。1.3本文的主要贡献与创新本文的主要贡献是提出了序列化灌注式微流控芯片概念，利用膜式微流控方法形成稳定的层流，并通过芯片结构的特殊设计形成灌注液侧往细胞悬浮液侧的单向传质避免膜污染，利用序列化灌注的方法避免细胞外渗透压连续变化导致细胞损伤，使细胞在胞外?
【参考文献】：
期刊论文
[1]透析法去除红细胞渗透性低温保护剂的实验研究[J]. 张晓光,赵刚,丁卫平,刘忠,杨基明,高大勇. 中国生物医学工程学报. 2008(01)
博士论文
[1]低温保护剂去除方法与若干相关问题研究[D]. 乔赫元.中国科学技术大学 2015
本文编号：3514466
本文链接：https://www.wllwen.com/projectlw/swxlw/3514466.html
教材专著
