[发明专利]一种集成化微流控细胞培养芯片及其制备方法

说明书

技术领域本发明涉及一种集成化微流控细胞培养芯片及其制备方法，该芯片特别适用于空间在轨细胞学研究等特殊领域的细胞培养，属于微流控芯片技术领域。

背景技术空间在轨细胞学研究已逐渐成为空间生命科学研究的重要组成部分，而有无适用的研究仪器设备是此项研究能否顺利进行的关键因素。目前已有一些可用于空间环境下细胞培养和形态观察的装置及技术，能满足细胞换液、加药、录像及固定等功能。但这些设备操作复杂、费时；多数装置的体积比较大；只能获得细胞某一静态时刻的响应信息，无法在空间环境下实时动态地进行细胞学效应研究。

随着微流控技术的进步，微流控细胞培养芯片为空间细胞学研究提供了新的平台。但是目前已有的微流控细胞培养芯片研究成果仍存在一些不适用于空间在轨细胞学研究的局限：细胞培养相关液体储存池和微流体驱动控制器件如微泵、微阀等多独立于微流控芯片主体之外，导致整个芯片系统较离散、且芯片系统整体体积较大；芯片主体与外部配套设备之间的宏微接口可能为细胞培养引入污染；细胞培养液更换等操作需要人为干预，不适用于载人航天这类缺少专业人员参与的特殊工作环境；培养芯片内部流道结构与外界有直接的气体接触，或细胞培养区为开放结构，因而空间失重因素导致的气液共存可能导致气泡进入细胞培养池而影响细胞的正常生长；芯片加工工艺复杂、成本较高，芯片部组件不易组装更换，不利于一次性使用等。

发明内容本发明的目的是提供一种集成化微流控细胞培养芯片及其制备方法，加工出的微流控细胞培养芯片具有集成化、小型化、自动化、微流体通道内腔密闭、芯片部组件易组装更换、适宜一次性使用等特点，特别适用于空间在轨细胞学研究等特殊领域的细胞培养，制备方法工艺简单、成本较低。

本发明提供的集成化微流控细胞培养芯片，包括依次键合在一起的柔性聚合物主结构层、底膜和支承基底，以及温度控制组件、微泵、微阀和控制电路板等；所述柔性聚合物主结构层包括至少1个培养液/药液储存池、细胞培养池、废液池、微流体通道、微泵安装区等；所述微泵安装区内安装有所述微泵；所述支承基底上有温控组件安装卡槽；所述温控组件安装卡槽内安装有所述温度控制组件；所述控制电路板上布置有所述微阀和芯片控制电路；所述微阀的组装同时实现了芯片的整合。

本发明提供的集成化微流控细胞培养芯片，其加工步骤包括：

(1)用CNC数控机床精密加工制得所述柔性聚合物主结构层模塑成型用的模具，包括与所述主结构层内部流道结构一致的凸模，以及与所述主结构层外型一致的凹模；

(2)组装所述凸模和凹模，将柔性聚合物预固物注入所述凸模和凹模确定的模塑空间，固化柔性聚合物预固物，脱去所述凹模和凸模，得到所述柔性聚合物主结构层；

(3)硅片上旋涂柔性聚合物预固物、固化后得到所述底膜，键合所述底膜与所述柔性聚合物主结构层；

(4)安装所述微泵于所述微泵安装区，安装所述温度控制组件于所述温控组件安装卡槽；

(5)键合所述支承基底与底膜；

(6)焊接或连接所述芯片控制电路相关导线，组装所述微阀；

(7)对所述细胞培养池底面进行表面处理。

所述细胞培养池顶壁厚度与所述培养液/药液储存池壁厚按照一定比例设计加工，培养液/药液进入所述细胞培养池基于细胞培养池顶壁的弹性形变回复。

所述底膜是一层柔性聚合物薄膜。

所述支承基底可以是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)板或玻纤板。

所述柔性聚合物主结构层、底膜和支承基底在对应位置处带有相同形状和尺寸的螺栓安装孔和导线穿出孔。

所述微泵进出口分别插于所述微泵安装区的微泵进出口安装槽后需将进出口安装槽密封。

所述温度控制组件包括发热元件ITO导电玻璃和粘在其上的温度敏感元件铂电阻Pt100或Pt1000，所述铂电阻的管脚引出温敏元件连接导线，所述ITO导电玻璃两侧镀有金电极，所述金电极引出ITO玻璃供电导线。

所述微阀为电磁常闭微阀，主要包括微阀开闭控制微通道、电磁驱动机构和微阀调节螺母，所述微阀开闭控制微通道为前述微流体通道中位于需要控制其内部流体通断的任意2个储液池之间的一段，所述电磁驱动机构位于所述微阀开闭控制微通道下下方，固定于所述控制电路板上，一对所述微阀调节螺母对称于所述电磁驱动机构固定于所述控制电路板上。

所述培养液/药液储存池体积与所述细胞培养池体积之比大于所需更换培养液/药液次数，池壁厚度为0mm-0.3mm，但不为0。