干细胞微流控芯片的设计、制备、检测与应用研究

发布时间：2020-05-03 16:50

【摘要】：干细胞在细胞治疗、再生医学和癌症研究方面的临床应用前景和意义已被全世界所公知，但其在伦理道德、分化潜能、免疫排斥和安全性等方面尚存亟待解决的问题，而干细胞机理研究作为实现可控增殖与分化、降低免疫排斥和避免成瘤的基础研究，已引起越来越高的重视。微流控芯片以其所具备的独特优势，能够在几微米至几百微米尺度下实现对细胞的操纵控制，从而实现干细胞在可控微环境/小生境下的可控增殖与分化，是干细胞机理研究不可替代的手段之一。目前使用微流控芯片研究干细胞的工作刚刚起步，领域内的参考文献尚少，虽已取得了一些研究成果，但还未能形成统一、高效、稳定地在微流控芯片上操纵和培养干细胞的方法。本论文试图通过自行设计并制备的一种微流控芯片，，来探索在微流控芯片上操纵控制干细胞的方法，并探索干细胞在微流控芯片上的培养方法。本论文从设计、制备和应用等方面对干细胞微流控芯片进行了研究，并针对在微流控芯片中干细胞需要进行呼吸作用、剪切力会对干细胞产生影响、制备过程中芯片材料的选择、制备效率的提高和成本的降低、微流控芯片易用性的提高、干细胞注入微流控芯片、干细胞在微流控芯片中的培养等问题进行了探索。在设计方面，本论文详细分析了干细胞在非芯片条件下培养的7个基本条件，并探讨了这7个基本条件在微流控芯片培养条件下实现的方法；考虑到微流控芯片培养条件对干细胞的影响以及在微流控芯片上操纵干细胞和培养干细胞对芯片结构的要求等因素，对微流控芯片的芯片结构进行了总体设计，并利用有限元分析软件对气室区和培养区进行了优化设计。结果表明：当气室结构中入口和出口的距离越长时，气室中流速较小部分所占比例越小，流速相对较大部分所占比例越大，越有利于迅速换气并减少气体残留，并且这一规律与入口、出口和气室三者的位置关系无关；通过理论计算可以得出，在常用电动微量注射装置驱动的微流控芯片中，当培养室直径在1mm量级上时，干细胞所受剪切力在10-2dynes/cm2量级上，并且这一量级上的剪切力远远小于已有报道的会对干细胞产生影响的平均剪切力值。在制备方面，本论文简单介绍了制备微流控芯片的材料、方法和流程，并介绍了常见的加工、键合、封装和检测技术；对微流控芯片在制备过程中，在芯片材料的选择、制备效率和成本、易用性等方面存在的问题进行了分析，并针对这些问题进行了研究。在微结构的加工过程中，采用光盘压印的方法进行加工；在基板和盖片的键合过程中，采用热压键合的方法进行；在微流控芯片的封装过程中，采用微针连接微流控芯片和外部设备；并分别对加工效率、键合效率和封装效率进行了估算。结果表明：PC材料最适合作为干细胞微流控芯片的制备材料；通过再键合，可以提高键合效率，从而提高了微流控芯片的制备效率并降低了制备成本；通过微针连接微流控芯片和外部设备，可以实现微流控芯片中微观结构与外部设备中宏观结构的连接，解决微流控芯片微观结构与外部宏观接口不匹配、难于封装的问题，并提高微流控芯片的易用性。在应用方面，本论文选用ICR小鼠骨髓间充质干细胞作为实验细胞；并且选用低温湿法灭菌作为微流控芯片的灭菌处理方法；为方便实验操作，设计了一套手动微量注射装置。利用微量注射装置，将单细胞和多个细胞注入到微流控芯片中，并与非芯片条件下刚刚完成接种还未贴壁的细胞进行了对比。同时，为了验证微流控芯片气室区和培养区的优化结果与实际情况是否相符，选用单细胞作为微流控芯片中液体流速的标记物，对单细胞移动速度进行了测量，并将所得测量值与同等条件下液体流速的计算值进行了对比。此外，在将单细胞和多个细胞注入到微流控芯片中以后，还对单细胞和多个细胞进行了培养，并与非芯片条件下培养的细胞进行了对比。结果表明：注入后，微流控芯片中和非芯片条件下的细胞形态一致；单细胞移动速度的测量值与液体流速的计算值基本一致，验证了对微流控芯片气室区和培养区进行优化所得出的结果；培养中，微流控芯片中和非芯片条件下的细胞形态一致；微流控芯片中有限的培养面积可能抑制了ICR小鼠骨髓间充质干细胞的增殖，并且这种对细胞增殖的抑制或促进作用可能与细胞种类有关。
【图文】：

细胞内物质,光镊,微流,多细胞

细胞芯片这一领域内的研究众多，所涉及的细胞种类多种多样，所采取的芯片结构也不尽相同，但从芯片功能上看，大致可分为如下六种功能单元，如图 1-1 所示[50]：（1）培养培养单个或多个细胞例如：单细胞培养[69]、多细胞培养（如图1-1 a 和图 1-1 b 所示）、多细胞计数（如图 1-1 a 所示）、培养监控[70]、分化监控[71]、培养环境控制[72]和分化环境控制[73]等；（2）处理对细胞进行操作例如：层流对细胞的影响（如图 1-1 c 所示）、细胞的液体动力驱动（如图 1-1 d 所示）、光镊操纵[74]、电操纵[75]和磁操纵[76]等；（3）筛选取得所需的细胞例如：单细胞电泳（如图 1-1 e 所示）、微流式细胞仪（如图 1-1 f 所示）、光镊筛选[74]和电动力学筛选[77]等；（4）溶解将细胞内物质从细胞壁中释放出来例如：机械微刀（如图 1-1 g所示）和细胞电溶解（如图 1-1 h）等；（5）分离取得所需的细胞内物质例如：溶解产物中细胞器的等电点聚焦（如图 1-1 i 所示）、蛋白质分离（如图 1-1 j）、电泳分离[78]等；（6）分析对细胞或细胞内物质进行分析例如：免疫荧光检测（如图 1-1 k所示）、中空悬臂质谱检测（如图 1-1 1）和微流式细胞仪[79, 80]等。1.2 文献评述1.2.1 干细胞微阵列芯片干细胞微阵列芯片的结构形式主要分为有两种：点样式和微井式。点样式芯片相比微井式芯片具有基底表面为平面、实验中需要使用点样仪加样的特点

干细胞,示例,藻朊酸盐

点样式芯片中各种材料的选择需要考虑以下几方面的因素：细胞接触材料（图1-2 中的藻朊酸盐）对细胞的无毒性、相互接触材料间（图 1-2 中的藻朊酸盐与氯化钡/多聚赖氨酸、氯化钡/多聚赖氨酸与聚（苯乙烯-co-顺丁烯酸酐）、聚（苯乙烯-co-顺丁烯酸酐）与载玻片材料）需要较大的相亲性和细胞接触材料（图 1-2中的藻朊酸盐）与衬底材料（图 1-2 中的聚（苯乙烯-co-顺丁烯酸酐））间的相疏性等。图 1-3 展示了一个利用点样式芯片进行药物毒性研究的示例[37, 81]。在示例中，Moo-Yeal Lee 等人利用 9 种药物和细胞色素 P450 及其代谢产物的组合，对人类乳腺癌细胞的抑制作用进行了检测，得出了了 9 种药物对人类乳腺癌细胞的半抑制率（IC50）[81]。这 9 种药物是：乙酰水杨酸/阿司匹林、三苯氧胺/它莫西培养处理筛选溶解分离分析培养处理筛选溶解分离分析图 1-1 细胞芯片上的反应Fig. 1-1 Reactions on cell chips
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TN492;R329.2

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