[发明专利]一种微流体细胞药物浓度梯度生成器

说明书

本发明公开了一种微流体细胞药物浓度梯度生成器，包括四组进液孔，通过微通道相连通，以在微通道中构成不同体积比例的药物与培养基层流组合；一组具有微混合功能的微通道，保证不同体积比例的药物与培养基层流组合能够充分混合，最终形成不同浓度，与直接从进液孔引出的两个通道中的液体浓度，共同构成九个浓度梯度；一组腔室与上述微混合通道相连，用于细胞培养以及与药物相互作用研究，九个腔室相互独立。本发明浓度梯度生成器在浓度梯度的生成过程中几乎不受进液速度的影响，可形成良好的线性浓度梯度，结构简单，为细胞药物的筛选、检测提供了全新的平台。

技术领域

本发明涉及设计微流控芯片领域，尤其涉及一种用于细胞药物浓度梯度生成器。

背景技术

药物筛选，作为新药研究的最初过程和关键步骤，是从天然或合成的化合物中筛选出高效的新药或先导化合物，对可能作为药物使用的物质进行生物活性、药理作用及药用价值的评估过程[1]。随着细胞生物学技术的迅速发展，其具有的微量化、超高通量化的优点，使其为基于细胞水平的高通量新药筛选提供了途径[2]。基于细胞模型的高通量筛选，能够在群体细胞水平或单细胞水平[3]，通过单次实验，监测和定量分析多种细胞事件，为药物的初步筛选提供可靠信息。传统高通量筛选利用光学仪器，在微量滴定板小孔内分析群体细胞的荧光信号。这类方法需要繁琐的样品预处理过程和机械化的溶液交换操作，且成本昂贵，不能适应大规模样品的同时筛选[4]。微流控芯片凭借其样品及试剂消耗少、分析速度快、效率高、操作模式灵活多变、集成化优势明显等特点，为细胞水平高通量药物筛选提供了一个优秀的实验技术平台[5]。

浓度梯度微流控芯片由于可以在内部建立起稳定的浓度梯度，且可以与细胞培养技术相结合，因此越来越受到关注，被广泛地用于细胞水平的药物筛选[6]。最经典的微流体浓度梯度生成器是在2000年由Whiteside课题组提出的“圣诞树”模型[7]，该模型基于控制低雷诺数层流流动的溶液的扩散混合，从而在微流体通道网络中形成组分梯度。基于该模型的微流体梯度生成器一直沿用至今。Wang等人[8]构建了单个微流体装置用于生成了氧气和药物的浓度梯度，并用于研究肿瘤细胞-药物在动态缺氧微环境下的相互作用。基于该装置，成功地进行了低氧肿瘤细胞治疗的靶向生物学研究，以及研究了低氧特异性和常氧依赖性抗肿瘤药物对不同类型的肿瘤细胞的抗肿瘤作用。类似地，Chang等人[9]开发了一种PDMS-PC材料结合的氧气和药物浓度梯度生成器微流体芯片，并基于该装置演示了基于细胞的药物测试以及细胞迁移实验。Xu等人[10]开发了一种新型的具有稳定浓度梯度的微流体平台进行芯片上细胞培养与筛选测定。该芯片在梯度生成器的基础上，将静态的细胞培养区域与动态的细胞营养物质供给结构相结合，细胞可以稳定地与外部液体环境发生交换。Hong等人[11]设计制备了基于纸张的浓度梯度发生器，通过纸纤维内的扩散和混合产生药物阿霉素的梯度浓度，并结合3D细胞培养阵列，用于监测药物阿霉素对肿瘤细胞的毒性反应，降低了分析成本。

此外，同样地基于扩散混合的原理，许多新颖的微流体浓度梯度生成器被报道。Wu等人[12]开发了一种简单且通用的微流体细胞密度梯度生成器用量子点细胞毒性测定。该微流体密度梯度发生器由八个平行通道构成，每个通道分别含有1-8个微孔，细胞通过重力落入微孔中，细胞密度取决于微孔数。Kilinc等人[13]构建了一种微流体双梯度发生器，进行基于细胞的药物组合测定。该发生器能够产生彼此正交地对准的多种溶质的线性浓度梯度，能够对组合药物对细胞的作用效果进行监测。为了研究细胞梯度的主动控制对生物系统和组织重建的影响。Li等人[14]提出了一种由多个细胞梯度组装而成的三维微流体通道。将同源细胞悬浮液装载到3D阶梯形PDMS微通道中，在10分钟内通过沉降以产生细胞梯度。细胞梯度可以通过精确控制制造过程中每层的高度来实现。Li等人[15]还开发了一种多功能梯度发生器的微流体装置用于高通量的单细胞多药耐药性分析。梯度曲线可以由分配微通道的长度确定，而不受流速和压力的影响，且具有良好的稳定性以及能显着减少冗余的微流体通道结构。