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用于细胞微环境研究的多参数微流控芯片初探

作　者: 卢斯媛
导　师: 蔡绍皙
学　校: 重庆大学
专　业: 生物力学工程
关键词: 微流控芯片微环境细胞三维培养浓度梯度间隙渗流
分类号: TN492
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

细胞所处的微环境是一个众多因素经过精细整合的复杂的动态生境,对细胞行为有着重要的影响。微环境中任一因素的变化都可能会对细胞行为和功能的发挥产生重要的影响。然而传统的细胞体外培养,只能提供一种静态的、宏观的、二维的细胞生长环境,不足以模拟相对真实的发生生物学或生理学事件的环境。20世纪90年代初发展起来的微流控芯片技术,为细胞研究提供了新的方法和思路。微流控芯片具有微型化、集成化、自动化以及可精确操控等特点,将其和细胞培养技术相结合,可以很好地模拟细胞体内微环境。本研究在前人工作基础上,构建了一种灌胶简便的微流控芯片,用于细胞的三维培养,并可实现多参数调控细胞微环境,用于研究细胞不同的应激反应。全文主要包括一下三个方面的研究工作:①微流控芯片的设计和构建:采用光刻成型技术、模塑法以及等离子键合工艺,以聚合物聚二甲基硅氧烷(PDMS)为材料,制作一种三通道结构的微流控细胞培养芯片,其中中间通道用于细胞的培养,旁通道用于培养基的更新以及浓度和压力梯度的加载,为后期实验提供了载体。并利用CFX软件对不同构型的微流控芯片进行了流场分析,结果发现对称结构的构型设计更有利于灌胶和后期的实验操作。同时对PDMS与玻片得键合工艺进行了探讨,证明了在等离子处理后,需要将芯片迅速封接以避免漏液。②微流控芯片化学浓度梯度的建立:利用浓度梯度引起的生化因子由高浓度向低浓度扩散的效应,在微流控芯片内建立了化学浓度梯度,并利用荧光染料为指示剂,对生成的浓度梯度进行了表征和定量分析。通过微注射泵控制旁通道的液体流动,在微流控芯片的中间通道中形成了介于两个旁通道浓度之间的化学浓度梯度,该浓度梯度在3h后达到稳定,并在6h内保持相对恒定。③微流控芯片内压力梯度的建立:通过调整四个出入口处液面高度差的办法,在中间通道中形成压力梯度,驱动胶原水凝胶支架内液体的间隙渗流,从而用于对细胞施加机械力的刺激。利用视在压力梯度,对100Pa的压力差在通道内形成的间隙渗流进行表征。④流控芯片内细胞的三维培养:选用Ⅰ型胶原水凝胶作为细胞三维培养支架,通过在中间通道中灌注细胞-Ⅰ型胶原混合液,在微流控芯片内实现脐静脉内皮细胞稳定的三维培养。实验对胶原水凝胶进行了电镜扫描,发现其呈现处生物多孔网络结构,该结构具有较好的液体输运性质,有利于生化因子的交换与间隙渗流的生成。通过利用鬼笔环肽对细胞骨架进行染色,发现三维培养条件下的细胞与细胞在体内的生长情况更为接近,有利于在实验中保留细胞本身的功能和特性。根据各项实验,本论文发现该三通道结构的微流控芯片结构简单,制作方便,操作简易且可实现实时观察。同时该芯片实现了细胞微环境中以下几个重要参数的在时空上的可调性:(1)细胞生长环境中的生化因子及生化因子浓度梯度;(2)细胞所受的压力刺激以及由此产生的间隙渗流作用;(3)细胞与胞外基质的相互作用。该芯片在功能上有良好的扩展性,可通过变化不同的生化因子及其浓度和浓度梯度、不同大小的压力刺激和不同硬度和孔隙度的胞外基质,从而灵活调控细胞生长所处的微环境,可进一步用于研究不同的微环境参数对细胞行为的影响。

全文目录

中文摘要  3-5
英文摘要  5-9
1 绪论  9-17
  1.1 问题的提出及研究意义  9-10
  1.2 国内外研究现状  10-15
    1.2.1 微流控技术  10-11
    1.2.2 微流控技术在细胞培养中的应用  11-13
    1.2.3 微流控技术在细胞微环境研究中的应用  13-15
  1.3 研究目的和内容  15-16
    1.3.1 研究目的  15
    1.3.2 研究内容  15-16
  1.4 技术路线  16-17
2 微流控芯片的设计及制作  17-27
  2.1 引言  17-19
  2.2 微流控芯片的构型设计  19-20
  2.3 微流控芯片的制作  20-22
    2.3.1 实验材料  20-21
    2.3.2 实验方法  21-22
  2.4 微流控芯片的流场分析  22-23
    2.4.1 理论分析  22
    2.4.2 流场分析的具体步骤  22-23
  2.5 结果与讨论  23-27
    2.5.1 微流控芯片  23-24
    2.5.2 微流控芯片的构型  24-25
    2.5.3 微流控芯片的键合工艺  25-27
3 微流控芯片的化学浓度梯度的生成与表征  27-32
  3.1 引言  27-29
  3.2 微流控芯片内浓度梯度的生成与表征  29
    3.2.1 实验材料  29
    3.2.2 实验方法  29
  3.3 结果与讨论  29-32
4 微流控芯片的压力梯度的生成与表征  32-35
  4.1 引言  32-33
  4.2 微流控芯片内压力梯度的生成与表征  33-34
    4.2.1 实验材料  33
    4.2.2 实验方法  33-34
  4.3 结果与讨论  34-35
5 微流控芯片内细胞的三维培养与形态学分析  35-41
  5.1 引言  35-36
  5.2 微流控芯片细胞的三维培养  36-37
    5.2.1 实验材料  36-37
    5.2.2 实验方法  37
  5.3 微流控芯片内细胞骨架染色  37-38
    5.3.1 实验材料  37
    5.3.2 实验方法  37-38
  5.4 结果与讨论  38-41
    5.4.1 细胞在胶原水凝胶三维支架结构中的培养  38-39
    5.4.2 二维和三维培养条件下细胞形态学比较  39-41
6 结论及后续工作建议  41-43
  6.1 结论  41-42
  6.2 后续工作建议  42-43
致谢  43-44
参考文献  44-50
附录  50
  A. 作者在攻读硕士学位期间取得的科研成果目录  50
   B. 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目  50

用于细胞微环境研究的多参数微流控芯片初探

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