仿生穩(wěn)定微環(huán)境細(xì)胞培養(yǎng)芯片的設(shè)計(jì)與制作.pdf

1、細(xì)胞體外培養(yǎng)是細(xì)胞研究的重要內(nèi)容之一。微流控芯片通過對(duì)微通道網(wǎng)絡(luò)中流體的控制可以模擬細(xì)胞在體環(huán)境，目前已經(jīng)成為重要的細(xì)胞體外培養(yǎng)平臺(tái)。芯片內(nèi)的微環(huán)境對(duì)細(xì)胞的生長具有關(guān)鍵性的影響。利用微流控芯片進(jìn)行細(xì)胞實(shí)驗(yàn)時(shí)需要向培養(yǎng)腔中注入培養(yǎng)液、藥物溶液等，但是在進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)、藥性分析、胞間作用分析等操作中，注入液體的擾動(dòng)會(huì)使芯片培養(yǎng)腔內(nèi)細(xì)胞生存微環(huán)境發(fā)生改變，進(jìn)而影響藥物分析的結(jié)果。設(shè)計(jì)一種能夠抵抗外部液流擾動(dòng)的微流控芯片在細(xì)胞藥物分析上具有重要意

2、義。對(duì)此，本文開展了如下研究:
　　(1)研究雙子葉植物網(wǎng)狀脈序水分輸運(yùn)過程。雙子葉植物的葉脈具有網(wǎng)狀脈序結(jié)構(gòu)，其葉脈水分輸運(yùn)系統(tǒng)遵循Murray定律。由于網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的存在，葉肉細(xì)胞生長在一個(gè)濃度均一、壓力平穩(wěn)、液流穩(wěn)定的微環(huán)境中。葉肉細(xì)胞生活在細(xì)脈包圍的網(wǎng)孔中，水分和無機(jī)鹽通過網(wǎng)孔導(dǎo)管側(cè)壁上的紋孔進(jìn)入葉肉細(xì)胞組織。當(dāng)葉片表面受到傷害或者產(chǎn)生流量波動(dòng)時(shí)，網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)抵抗外部擾動(dòng)的能力與網(wǎng)孔的形狀有關(guān)。本文通過改變邊數(shù)來改變網(wǎng)孔的形狀，隨

3、著網(wǎng)孔邊數(shù)的增多，葉脈冗余度增大，葉片抵抗外部流量波動(dòng)的能力逐漸增強(qiáng)，在邊數(shù)n=8時(shí)，葉脈抵抗導(dǎo)管中流量波動(dòng)的能力達(dá)到最強(qiáng)。
　　(2)仿生芯片的設(shè)計(jì)與制作。仿生芯片包括流體通道層、蓋片層和細(xì)胞進(jìn)樣層三部分。根據(jù)網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的冗余輸運(yùn)過程和細(xì)胞體外培養(yǎng)的要求，設(shè)計(jì)出正四邊形、正五邊形、正六邊形、正七邊形和正八邊形5種不同形狀的細(xì)胞培養(yǎng)腔結(jié)構(gòu)。對(duì)芯片細(xì)胞培養(yǎng)腔內(nèi)的微流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，證明仿生結(jié)構(gòu)模型培養(yǎng)腔內(nèi)具有小且均勻的液體流速，且能

4、有效抵抗外部液流擾動(dòng)。利用MEMS工藝制作出所設(shè)計(jì)的仿生芯片。
　　(3)利用粒子速度測(cè)量的方法研究培養(yǎng)腔內(nèi)微流體的運(yùn)動(dòng)特性。以聚苯乙烯微球作為示蹤粒子，利用粒子測(cè)速技術(shù)測(cè)量簡單的單通道結(jié)構(gòu)和仿生結(jié)構(gòu)培養(yǎng)腔內(nèi)微流體的速度，并研究其速度分布規(guī)律。通過調(diào)整入口流速的方法模擬外部液流的擾動(dòng)，研究不同形狀培養(yǎng)腔內(nèi)的微流體運(yùn)動(dòng)情況及抵抗干擾的能力，以此優(yōu)化細(xì)胞培養(yǎng)腔的形狀。利用所設(shè)計(jì)芯片進(jìn)行PC12細(xì)胞的培養(yǎng)，觀察細(xì)胞在普通培養(yǎng)瓶和仿生芯片