空间微流控芯片细胞培养新技术及其装置的研制

发布时间：2018-04-11 03:03

本文选题：微流控芯片 + 细胞培养　；参考：《北京理工大学》2015年博士论文

【摘要】：随着航天科技的不断发展及载人航天等一系列空间搭载任务的成功,我国已经进入了太空研究探索阶段。由于空间环境的复杂性,对所需的科学搭载仪器也提出了特殊需求,而地面生物学实验方法因缺少有效的搭载仪器,很难在真正的空间生命科学研究中发挥作用。因此,在973、863、科技支撑计划等国家重大科研项目的多方支持下,开展了多项对小体积、低功耗、自动化科学仪器的研发。微流控芯片因具有微尺度、集成化和高通量的特点,打破了传统生物学研究的限制,十分符合空间搭载的实验需求,而其提供可控的阀路控制及灵活多变的微设计结构有利于构建多种空间生物学效应模型。研究表明,微重力及辐射暴露等模拟空间环境会造成机体神经与免疫功能的改变,以微流控芯片为基础建立神经与免疫细胞培养模型,对帮助探究空间生物学效应机制具有十分重要的意义。不仅如此,该模型的建立也可以使其在药物筛选、细胞代谢分析及细胞间相互作用等相关领域得到广泛的应用。本论文以微流控芯片为基础进行神经与免疫细胞的培养并同时搭建了一套微流控细胞培养装置及气动微阀驱动系统。以此为基础展开了如下关键性技术研究:(1)以神经细胞培养为基础,在微流控芯片内部建立多种药物刺激实验;(2)设计了一款可用于长时间灌流免疫悬浮细胞培养的微流控芯片并考察了细胞在其内部的生长状态;(3)提出了一种无模具的微流控芯片加工方法,并以此芯片建立多种细胞灌流培养模式;(4)搭建了一套可适用于空间搭载的微流控细胞培养的小型化装置,包含温度控制,泵驱动及可用于动态成像检测的显微观测系统;(5)设计研制了含有气动微阀的微流控芯片及气动驱动装置,并在其上建立了多种细胞培养及共培养模型。论文的研究内容主要包括以下几个方面:1)设计加工了无模具紫外光照固化胶(NOA 81)细胞培养微流控芯片,并在其上成功实现了多种贴壁细胞的培养。该微流控芯片因具有无模板的加工工艺,可提高前期结构探索时期的加工效率;通过加工嵌入聚二甲基硅氧烷(PDMS)-NOA 81交联的微阀,可以有效控制流体流路并防止交叉污染;将SH-SY5Y,U87,HCT 116,Hela,Hek298t细胞分别接种到芯片内部,在稳定的灌流培养条件下,细胞可维持一周以上的存活率;以SH-SY5Y细胞为模型考察不同浓度多巴胺(DA)对其生长状态的影响,实验结果显示出了浓度梯度依赖关系的不同细胞表型现象;表明这种高生物相容性快速加工的NOA 81芯片在空间及多种生物分析领域具有潜在的应用价值;2)设计制作了一款可有效截留细胞并避免流体剪切力的,可用于长期灌流培养悬浮细胞的微流控芯片。在前期的芯片材料及细胞系的摸索与选取后,首先采用NOA81快速加工方法对芯片内部结构进行了前期的摸索,结果显示在灌流条件下,需有有效的截留结构以维持其在芯片内部的生长;后续的PDMS芯片设计及实验表明,由流体产生的剪切力对悬浮细胞的影响极其明显;最终,用聚氯乙烯材料键合聚酯网的芯片结构,成功实现了对免疫悬浮细胞的截留捕获及长期灌流培养,为进一步探究空间环境下细胞生长条件提供了有力支持;3)搭建了一套具有空间适应性的,含有精确温度控制、可控灌流体系及实时显微成像系统的小型自动化的微流控细胞培养装置。温度控制体系采用MSP 430单片机结合PID控制算法将微流控细胞培养芯片温度稳定在37°C±0.5°C;考察了压电隔膜微泵和注射泵两种不同泵驱动系统对芯片内灌流细胞培养的影响;显微成像系统可将视频数据上传到摇控平台,对细胞的生长、增值及迁移等多指标现象进行实时监测;以神经细胞SH-SY5Y为模型,考察了不同芯片材质及设计对培养结果的影响。该微流控细胞培养灌流系统具有小型化、低功耗、集成化和自动化的特点并能够进行实时动态可见光显微成像,具备了空间环境适应性;4)研发了一套完整的气体驱动装置并设计制作了一款含有气动微阀嵌入的多功能细胞培养微流控芯片。提出了标准的气动微阀PDMS芯片加工流程并考察了其工艺;采用染料实验证明三个带有微阀的独立腔室可以通过外部接入的气动微阀装置实现独立与联通的转换;为了能够更好的完成后续的细胞实验,对PDMS基底进行了不同处理方法的考察,选取合适的处理方法以提高细胞在芯片内部的生物相容性;不同的细胞系SH-SY5Y、HCT 116和Hela分别接种于一个芯片内的三个腔室中,细胞在96h内呈现出不同的生长增值速率;三种转染的SH-SY5Y荧光细胞分别接种于腔室内部,并对神经毒素1-甲基-4-苯基-2,3-二氢吡啶(1-methyl-4-phenyl-2,3-dihydropyridiumion,MPP+)显示出不同程度的α-syn聚集效应;SH-SY5Y分别与SH-SY5Y、U87和Hela共培养接种到三个独立腔室内部并进行MPP+药物刺激,可以观察到神经保护及相互作用;多组实验结果证实了这种多功能芯片在多种研究领域包括疾病诊断、药物筛选及临床检测等的潜在应用价值。本课题采用微流控芯片技术同时建立了神经与免疫细胞灌流培养模式,并以此为基础搭建了可应用于空间细胞培养的小型一体化装置,为空间生命科学研究的开展及空间搭载任务的实现提供了有利的支持;同时气动微阀芯片及气体驱动装置的研发,提高了微流控芯片在多领域的实际应用价值。
[Abstract]:A microflow control chip with micro - flow control chip and a pneumatic micro - valve drive system have been designed and developed . The effects of different chip materials and design on the culture results were investigated . The micro - fluidic cell culture and perfusion system has the characteristics of miniaturization , low power consumption , integration and automation , and is able to perform real - time dynamic visible light microscopy .

【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：Q813

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