基于网状脉序仿生原理的细胞培养与药物分析微流控芯片
发布时间：2020-12-04 11:14
细胞是组成人体的基本单元,细胞研究对于认识疾病的诱因、发展规律及治疗药物的研发具有重要意义。细胞研究主要在体外进行,需要为细胞提供一个动态的、稳定的、与在体情况近似的液体微环境。细胞在体时所处的液体供给脉管体系可以在微流控芯片上近似构建,使细胞微环境的体外模拟和控制成为可能。本文提出了一种基于网状脉序液体输运冗余机制的微流体单元设计方法,分析了仿生微流控芯片内流体流动特性,制作了流场均一稳定、可形成区域化浓度分布的微流控芯片,并应用于细胞培养与肿瘤药物分析。主要研究内容如下:（1）研究了网状脉序液体输运冗余机制。基于网状脉序植物学原理和叶脉特征提取,分析双子叶植物叶脉功能特性、结构特征和尺度变化;分别研究了网状叶脉等级分岔结构、多边形网孔结构和交错排列纹孔结构对液体输运冗余特性的影响,即基于哈根-泊肃叶方程研究了叶脉分岔通道最大化输运效率的条件、基于叶脉闭合度理论和流动熵方程研究了多边形网孔结构抵抗外部液流扰动的能力、采用有限元仿真方法研究了纹孔结构对流场均一性的影响,为细胞培养微流体单元建模提供了理论依据。（2）设计了用于细胞培养、区域药物浓度生成和靶向药物筛选的多种仿生微流控芯片。...
【文章来源】：大连理工大学辽宁省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：154 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１细胞在体微环境［４２】??Ｆｉｇ．?１．１?Ｔｈｅ?ｉｎ?ｖｉｖｏ?ｍｉｃｒｏｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ?ｏｆ?ｃｅｌｌ??作为生命体的基本组成单元，细胞在体内处于一个复杂的微环境中（如图ｉ．ｉ所示ｆ２ｉ
?基于网状脉序仿生原理的细胞培养与药物分析微流控芯片???因素给予这个微环境一个独特的生理特征，提供了一系列的细胞外诱因作用并指导细胞??结构、功能和行为，极大地影响相邻组织的生长、发展和修复。??细胞生存在一个相对独立又互相连通的空间，一个动态平衡的液体微环境中。细胞??依赖组织液提供营养物质，带走代谢废物。组织液在组织内部缓慢稳定地向一定方向流??动，称为间隙流动［４３，４４］。间隙流动是由血液与组织液间的静水压和渗透压引起［４５，４６］。血??液依靠心脏收缩的能量经动脉快速的进入全身器官，各器官血液微循环系统将液体经毛??细血管输入组织，形成人体血液循环系统。??：礙??下部?静脉??（ａ）血液大循环示意图?（ｂ）血液微循环系统示意图??图１．２血液循环系统示意图??Ｆｉｇ．?１．２?Ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｂｌｏｏｄ?ｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ?ｓｙｓｔｅｍ??人体血液循环系统通过血管网络将富含氧气及各种因子的液体运送到身体的各个??器官细胞中，同时将其产生的代谢废物排出体外，维持稳定的人体细胞生长微环境以及??身体健康。人体血液循环系统可分为血液大循环和血液微循环（如图１．２所示）。血液??大循环路径为心脏－动脉－组织？静脉－心脏，主要作用是将血液输送至全身各处。血液依??靠心脏收缩的能量周流全身，心脏每搏动一次，血液会在全身循环一周，正常人每分钟??心跳约６０？１００次，因此血液循环时间约为３６ｓ？６０ｓ。血液微循环路径为小动脉－毛细血??管－小静脉，主要作用是提供血液与组织间进行物质交换的场所，为组织细胞供给氧和??养料，带走二氧化碳和代谢废物??－４?－??
?基于网状脉序仿生原理的细胞培养与药物分析微流控芯片???利于肿瘤细胞进出［５１，５２］。正常生理状态下，毛细血流的透壁滤失略高于再吸收，因而组??织液在组织内部缓慢的向一定方向流动（如图１．４所示）。间隙流动的动力来源主要有??血管壁内外的静水压引起的对流和可溶性因子浓度梯度引起的扩散。正常组织内的间隙??流速在〇．ｌ（＾ｍ／ｓ－２ｐｍ／ｓ［５３］，当组织发生病变时，间隙流速会增大。研究表明，间隙流动??对于肿瘤细胞迁移具有重要影响［５４，５５］。??，?ｒ?？?＞：一夢??▲?－?ｆｌｏｗ??Ｖ、?４?＊?■?ｉ；?＜?■?＾?＾￣￣－—＊??４?％＊?＾?－?＞．?＊??＊??？舞?＂???－?气??Ｃｏｌｌａｇｅ?ｆｉｂｅｒ?今＾?Ｉｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌ?ｃｅｌｌ?＾?Ｐｒｏｔｅｏｇｌｙｃａｎｓ?＊?Ｍａｔｒｉｘ－ｂｉｎｄｉｎｇ?ｍｏｌｅｃｕｌｅ??图１．４组织内间隙流动示意图［５３］??Ｆｉｇ．?１．４?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｉｎｔｅｒｓｔｉｔｉｔｉａｌ?ｆｌｏｗ?ｉｎ?ｔｉｓｓｕｅ??细胞在体内处于一个复杂的微环境中，其中由血流流动和组织内间隙流动引起的细??胞周围液体流动能够为其提供营养物质，带走代谢废物；同时液体流动产生的机械力作??用对细胞的增殖、分化及蛋白表达等有重要影响。细胞周围的流场具有小流速、液流稳??定均一的特点，因此，细胞体外研宄时应为细胞提供一个近似于在体的动态、均一和稳??定的液体环境。??（４）细胞体外研宂方法??细胞培养是细胞生物学研究的基石，是细胞体外研究的基矗目前进行细胞体外培??养的技术平台主要有培养皿（培养瓶或孔板）、Ｔｒａｎｓｗ
【参考文献】：
期刊论文
[1]微流控芯片细胞动态培养装置的设计与制作[J]. 江洋,刘冲,魏娟,尹树庆,丁来钱,李经民. 光学精密工程. 2019(09)
[2]微流控芯片的研究及产业化[J]. 林炳承. 分析化学. 2016(04)
[3]影响MG-63细胞黏附和蛋白质吸附的PDMS表面处理[J]. 施镠佳,谭映军,董景新,叶雄英,王春艳,李莹辉. 天津大学学报(自然科学与工程技术版). 2015(09)
[4]基于微流控芯片构建的肿瘤细胞三维共培养模型[J]. 赵毅,刘刚,蔡绍皙,陈斯佳,李博,邹米莎,吴泽志. 科学通报. 2014(Z2)
[5]叶脉网络功能性状及其生态学意义[J]. 李乐,曾辉,郭大立. 植物生态学报. 2013(07)
[6]基于叶脉分枝结构的飞机盖板结构仿生设计[J]. 刘良宝,陈五一. 北京航空航天大学学报. 2013(12)
[7]叶酸受体在肿瘤靶向诊断和治疗中的应用[J]. 黄英男,吴昊,沈锡中. 复旦学报(医学版). 2012(01)
[8]植物木质部导管梯状穿孔板流动阻力特性研究[J]. 艾青林,胥芳,陈琦,陈教料,王鹏. 农业机械学报. 2011(08)
[9]微流控芯片在细胞微环境研究中的应用[J]. 卢斯媛,蔡绍皙,蒋稼欢. 生物医学工程学杂志. 2010(03)
[10]风力机柔性叶片的仿生设计与性能[J]. 刘旺玉,张鑫,刘希凤,龚佳兴. 机械设计. 2010(05)
博士论文
[1]耐热型网状脉植物叶片多尺度热流结构与仿生均热板设计[D]. 罗远强.华南理工大学 2018
[2]基于微流控芯片的肿瘤细胞三维共培养模型的建立及应用[D]. 赵毅.重庆大学 2017
[3]用于微流控芯片液体驱动的仿叶结构微泵研究[D]. 王蕾.大连理工大学 2017
[4]叶酸靶向紫杉醇胶束对EMT-6乳腺癌细胞株及动物模型的抗肿瘤作用[D]. 吴迪.吉林大学 2016
[5]枣叶脉序及其功能性状研究[D]. 李晓鹏.西北农林科技大学 2016
[6]植物木质部导管与管胞微结构流场建模与流阻特性研究[D]. 陈琦.浙江工业大学 2016
[7]基于微流控平台的细胞共培养及生物微环境模拟的研究[D]. 张洁.清华大学 2016
[8]基于植物叶片结构的仿生均热板研究[D]. 彭毅.华南理工大学 2015
[9]叶酸靶向紫杉醇纳米胶束抑制小鼠H22肝癌肺转移的研究[D]. 张严.吉林大学 2014
[10]气动微流控三维微血管构建和细胞微图案化[D]. 王建春.西北农林科技大学 2014
硕士论文
[1]细胞三维动态培养微器件的设计与制作[D]. 刘涛.大连理工大学 2018
[2]大跨度斜拉桥的结构冗余度计算[D]. 沈阳.合肥工业大学 2017
[3]基于冗余度理论的连续斜交桥抗震鲁棒性分析[D]. 赵向凯.石家庄铁道大学 2017
[4]仿生稳定微环境细胞培养芯片的设计与制作[D]. 马亚会.大连理工大学 2016
[5]产业共生网络的冗余：案例研究[D]. 李成梁.兰州大学 2016
[6]基于多尺度心血管系统模型的脉搏波分析及其在中医脉诊中的应用[D]. 刘民胜.华东理工大学 2016
[7]叶酸壳聚糖/rAAV纳米粒的制备及其对肿瘤细胞的靶向作用[D]. 张维.华侨大学 2016
[8]叶酸受体靶向的多功能壳聚糖纳米载体用于抗肿瘤和成像研究[D]. 徐敏.电子科技大学 2015
[9]空间细胞培养及实时动态显微成像系统关键技术研究[D]. 兰天.北京理工大学 2015
[10]微流控浓度梯度芯片的研制及其在药物诱导细胞凋亡中的应用[D]. 仵颖璠.东北大学 2010
本文编号：2897500
【文章来源】：大连理工大学辽宁省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：154 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１细胞在体微环境［４２】??Ｆｉｇ．?１．１?Ｔｈｅ?ｉｎ?ｖｉｖｏ?ｍｉｃｒｏｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ?ｏｆ?ｃｅｌｌ??作为生命体的基本组成单元，细胞在体内处于一个复杂的微环境中（如图ｉ．ｉ所示ｆ２ｉ
?基于网状脉序仿生原理的细胞培养与药物分析微流控芯片???因素给予这个微环境一个独特的生理特征，提供了一系列的细胞外诱因作用并指导细胞??结构、功能和行为，极大地影响相邻组织的生长、发展和修复。??细胞生存在一个相对独立又互相连通的空间，一个动态平衡的液体微环境中。细胞??依赖组织液提供营养物质，带走代谢废物。组织液在组织内部缓慢稳定地向一定方向流??动，称为间隙流动［４３，４４］。间隙流动是由血液与组织液间的静水压和渗透压引起［４５，４６］。血??液依靠心脏收缩的能量经动脉快速的进入全身器官，各器官血液微循环系统将液体经毛??细血管输入组织，形成人体血液循环系统。??：礙??下部?静脉??（ａ）血液大循环示意图?（ｂ）血液微循环系统示意图??图１．２血液循环系统示意图??Ｆｉｇ．?１．２?Ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｂｌｏｏｄ?ｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ?ｓｙｓｔｅｍ??人体血液循环系统通过血管网络将富含氧气及各种因子的液体运送到身体的各个??器官细胞中，同时将其产生的代谢废物排出体外，维持稳定的人体细胞生长微环境以及??身体健康。人体血液循环系统可分为血液大循环和血液微循环（如图１．２所示）。血液??大循环路径为心脏－动脉－组织？静脉－心脏，主要作用是将血液输送至全身各处。血液依??靠心脏收缩的能量周流全身，心脏每搏动一次，血液会在全身循环一周，正常人每分钟??心跳约６０？１００次，因此血液循环时间约为３６ｓ？６０ｓ。血液微循环路径为小动脉－毛细血??管－小静脉，主要作用是提供血液与组织间进行物质交换的场所，为组织细胞供给氧和??养料，带走二氧化碳和代谢废物??－４?－??
?基于网状脉序仿生原理的细胞培养与药物分析微流控芯片???利于肿瘤细胞进出［５１，５２］。正常生理状态下，毛细血流的透壁滤失略高于再吸收，因而组??织液在组织内部缓慢的向一定方向流动（如图１．４所示）。间隙流动的动力来源主要有??血管壁内外的静水压引起的对流和可溶性因子浓度梯度引起的扩散。正常组织内的间隙??流速在〇．ｌ（＾ｍ／ｓ－２ｐｍ／ｓ［５３］，当组织发生病变时，间隙流速会增大。研究表明，间隙流动??对于肿瘤细胞迁移具有重要影响［５４，５５］。??，?ｒ?？?＞：一夢??▲?－?ｆｌｏｗ??Ｖ、?４?＊?■?ｉ；?＜?■?＾?＾￣￣－—＊??４?％＊?＾?－?＞．?＊??＊??？舞?＂???－?气??Ｃｏｌｌａｇｅ?ｆｉｂｅｒ?今＾?Ｉｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌ?ｃｅｌｌ?＾?Ｐｒｏｔｅｏｇｌｙｃａｎｓ?＊?Ｍａｔｒｉｘ－ｂｉｎｄｉｎｇ?ｍｏｌｅｃｕｌｅ??图１．４组织内间隙流动示意图［５３］??Ｆｉｇ．?１．４?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｉｎｔｅｒｓｔｉｔｉｔｉａｌ?ｆｌｏｗ?ｉｎ?ｔｉｓｓｕｅ??细胞在体内处于一个复杂的微环境中，其中由血流流动和组织内间隙流动引起的细??胞周围液体流动能够为其提供营养物质，带走代谢废物；同时液体流动产生的机械力作??用对细胞的增殖、分化及蛋白表达等有重要影响。细胞周围的流场具有小流速、液流稳??定均一的特点，因此，细胞体外研宄时应为细胞提供一个近似于在体的动态、均一和稳??定的液体环境。??（４）细胞体外研宂方法??细胞培养是细胞生物学研究的基石，是细胞体外研究的基矗目前进行细胞体外培??养的技术平台主要有培养皿（培养瓶或孔板）、Ｔｒａｎｓｗ
【参考文献】：
期刊论文
[1]微流控芯片细胞动态培养装置的设计与制作[J]. 江洋,刘冲,魏娟,尹树庆,丁来钱,李经民. 光学精密工程. 2019(09)
[2]微流控芯片的研究及产业化[J]. 林炳承. 分析化学. 2016(04)
[3]影响MG-63细胞黏附和蛋白质吸附的PDMS表面处理[J]. 施镠佳,谭映军,董景新,叶雄英,王春艳,李莹辉. 天津大学学报(自然科学与工程技术版). 2015(09)
[4]基于微流控芯片构建的肿瘤细胞三维共培养模型[J]. 赵毅,刘刚,蔡绍皙,陈斯佳,李博,邹米莎,吴泽志. 科学通报. 2014(Z2)
[5]叶脉网络功能性状及其生态学意义[J]. 李乐,曾辉,郭大立. 植物生态学报. 2013(07)
[6]基于叶脉分枝结构的飞机盖板结构仿生设计[J]. 刘良宝,陈五一. 北京航空航天大学学报. 2013(12)
[7]叶酸受体在肿瘤靶向诊断和治疗中的应用[J]. 黄英男,吴昊,沈锡中. 复旦学报(医学版). 2012(01)
[8]植物木质部导管梯状穿孔板流动阻力特性研究[J]. 艾青林,胥芳,陈琦,陈教料,王鹏. 农业机械学报. 2011(08)
[9]微流控芯片在细胞微环境研究中的应用[J]. 卢斯媛,蔡绍皙,蒋稼欢. 生物医学工程学杂志. 2010(03)
[10]风力机柔性叶片的仿生设计与性能[J]. 刘旺玉,张鑫,刘希凤,龚佳兴. 机械设计. 2010(05)
博士论文
[1]耐热型网状脉植物叶片多尺度热流结构与仿生均热板设计[D]. 罗远强.华南理工大学 2018
[2]基于微流控芯片的肿瘤细胞三维共培养模型的建立及应用[D]. 赵毅.重庆大学 2017
[3]用于微流控芯片液体驱动的仿叶结构微泵研究[D]. 王蕾.大连理工大学 2017
[4]叶酸靶向紫杉醇胶束对EMT-6乳腺癌细胞株及动物模型的抗肿瘤作用[D]. 吴迪.吉林大学 2016
[5]枣叶脉序及其功能性状研究[D]. 李晓鹏.西北农林科技大学 2016
[6]植物木质部导管与管胞微结构流场建模与流阻特性研究[D]. 陈琦.浙江工业大学 2016
[7]基于微流控平台的细胞共培养及生物微环境模拟的研究[D]. 张洁.清华大学 2016
[8]基于植物叶片结构的仿生均热板研究[D]. 彭毅.华南理工大学 2015
[9]叶酸靶向紫杉醇纳米胶束抑制小鼠H22肝癌肺转移的研究[D]. 张严.吉林大学 2014
[10]气动微流控三维微血管构建和细胞微图案化[D]. 王建春.西北农林科技大学 2014
硕士论文
[1]细胞三维动态培养微器件的设计与制作[D]. 刘涛.大连理工大学 2018
[2]大跨度斜拉桥的结构冗余度计算[D]. 沈阳.合肥工业大学 2017
[3]基于冗余度理论的连续斜交桥抗震鲁棒性分析[D]. 赵向凯.石家庄铁道大学 2017
[4]仿生稳定微环境细胞培养芯片的设计与制作[D]. 马亚会.大连理工大学 2016
[5]产业共生网络的冗余：案例研究[D]. 李成梁.兰州大学 2016
[6]基于多尺度心血管系统模型的脉搏波分析及其在中医脉诊中的应用[D]. 刘民胜.华东理工大学 2016
[7]叶酸壳聚糖/rAAV纳米粒的制备及其对肿瘤细胞的靶向作用[D]. 张维.华侨大学 2016
[8]叶酸受体靶向的多功能壳聚糖纳米载体用于抗肿瘤和成像研究[D]. 徐敏.电子科技大学 2015
[9]空间细胞培养及实时动态显微成像系统关键技术研究[D]. 兰天.北京理工大学 2015
[10]微流控浓度梯度芯片的研制及其在药物诱导细胞凋亡中的应用[D]. 仵颖璠.东北大学 2010
本文编号：2897500
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