【摘要】：細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)是生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、藥物研發(fā)等研究領(lǐng)域的重要技術(shù)。目前,國(guó)內(nèi)外細(xì)胞培養(yǎng)工作還普遍使用培養(yǎng)皿、培養(yǎng)板、培養(yǎng)瓶等裝置,不能重現(xiàn)體內(nèi)細(xì)胞外微環(huán)境實(shí)際狀況。微流控芯片流道尺寸屬于微米級(jí)別,在時(shí)間和空間上精確地控制細(xì)胞外微環(huán)境,還能快速精準(zhǔn)地進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn),為新一代細(xì)胞研究提供重要平臺(tái)。然而,現(xiàn)有微流控芯片細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程還存在細(xì)胞不均勻生長(zhǎng)問(wèn)題,而且培養(yǎng)液灌注控制方法單一,難以實(shí)現(xiàn)不同接種密度細(xì)胞以不同生長(zhǎng)速率自動(dòng)培養(yǎng)。細(xì)胞不均勻生長(zhǎng)和不同接種密度細(xì)胞以不同生長(zhǎng)速率生長(zhǎng)都會(huì)影響細(xì)胞生長(zhǎng)規(guī)律、細(xì)胞活性檢測(cè)、藥物誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡等后續(xù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確度。針對(duì)上述微流控芯片細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)缺陷,本文設(shè)計(jì)基于微流控芯片的細(xì)胞培養(yǎng)控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)細(xì)胞均勻生長(zhǎng)和不同接種密度細(xì)胞以不同生長(zhǎng)速率自動(dòng)培養(yǎng)。本文圍繞培養(yǎng)液流速均勻分布的微流控芯片設(shè)計(jì)和培養(yǎng)液灌注預(yù)測(cè)控制方法兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù),開(kāi)展以下研究工作:(1)針對(duì)細(xì)胞不均勻生長(zhǎng)問(wèn)題,設(shè)計(jì)一種培養(yǎng)液流速均勻分布的微流控芯片,并利用COMSOL仿真軟件和粒子測(cè)速實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析該微流控芯片和常用單流道微流控芯片培養(yǎng)室內(nèi)部培養(yǎng)液流速分布情況。(2)為了在不同細(xì)胞接種密度情況下,實(shí)現(xiàn)細(xì)胞以不同生長(zhǎng)速率自動(dòng)培養(yǎng),提出基于LS-SVM的培養(yǎng)液灌注預(yù)測(cè)控制方法,選取細(xì)胞接種密度和細(xì)胞增殖三代時(shí)間作為輸入量,培養(yǎng)液灌注間歇時(shí)間作為輸出量。(3)構(gòu)建微流控芯片細(xì)胞培養(yǎng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),完成現(xiàn)場(chǎng)控制裝置和上位機(jī)控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)。(4)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建完成后,進(jìn)行微流控芯片細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn),分析細(xì)胞增殖三代時(shí)間與間歇時(shí)間關(guān)系、細(xì)胞接種密度與間歇時(shí)間關(guān)系,再根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立基于LS-SVM的培養(yǎng)液灌注預(yù)測(cè)控制模型。(5)利用微流控芯片細(xì)胞培養(yǎng)控制系統(tǒng)進(jìn)行胃癌細(xì)胞培養(yǎng),并與常規(guī)培養(yǎng)皿胃癌細(xì)胞培養(yǎng)效果進(jìn)行對(duì)比分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該微流控芯片培養(yǎng)室內(nèi)部培養(yǎng)液流速分布比常用單流道微流控芯片培養(yǎng)室內(nèi)部培養(yǎng)液流速分布更加均勻;該微流控芯片細(xì)胞培養(yǎng)控制系統(tǒng)能夠按照不同細(xì)胞接種密度和不同細(xì)胞增殖三代時(shí)間自動(dòng)控制細(xì)胞生長(zhǎng),提高細(xì)胞培養(yǎng)自動(dòng)化程度,而且比培養(yǎng)皿中細(xì)胞生長(zhǎng)更加均勻。
【圖文】：

江 蘇 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文化、集成化、樣本需求量少等優(yōu)點(diǎn)，使得微流控芯片細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)迅速發(fā)展。微流控芯片在細(xì)胞培養(yǎng)領(lǐng)域具有極為廣闊的發(fā)展前景。在國(guó)外，細(xì)胞培養(yǎng)的很多研究工作已經(jīng)轉(zhuǎn)移到微流控芯片中進(jìn)行[17-21]。Paul J.Hung等人[17]提出一種微流控芯片細(xì)胞培養(yǎng)陣列，在微流控芯片內(nèi)培養(yǎng)人癌細(xì)胞（HeLa）至融合，然后使用胰蛋白酶處理，成功地實(shí)現(xiàn) HeLa 再生長(zhǎng)，為藥物篩選、生物信息學(xué)和定量細(xì)胞生物學(xué)的應(yīng)用提供測(cè)定平臺(tái)，如圖 1.2 所示。Elisa Figallo 等人[18]開(kāi)發(fā)軟光刻制造微生物反應(yīng)器陣列，實(shí)現(xiàn)小鼠成肌細(xì)胞、原代大鼠心肌細(xì)胞和人胚胎干細(xì)胞（hESC）的培養(yǎng)，并研究細(xì)胞密度和培養(yǎng)液流動(dòng)狀態(tài)對(duì) hESC 分化的影響，為未來(lái)進(jìn)一步研究hESC 奠定基礎(chǔ)。Hiroshi Kimura 等人[19]開(kāi)發(fā)了具有微型泵和熒光檢測(cè)功能的集成微流體裝置，實(shí)現(xiàn)人克隆結(jié)腸腺癌細(xì)胞的培養(yǎng)以及在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，為藥物篩選和毒性測(cè)試提供有用平臺(tái)。

（a）第 1 天 （b）第 2 天 （c）第 3 天圖 1.3 微流控芯片中培養(yǎng) ICR 小鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞Fig.1.3 Culture of ICR mouse bone marrow mesenchymal stem cells in a microfluidic chip1.2.2 微流控芯片細(xì)胞培養(yǎng)控制方法研究現(xiàn)狀細(xì)胞體外培養(yǎng)需要形成一個(gè)適宜穩(wěn)定的細(xì)胞生長(zhǎng)環(huán)境，為細(xì)胞提供模擬體內(nèi)的生長(zhǎng)環(huán)境。體外細(xì)胞培養(yǎng)需要控制的條件主要包括適宜的溫度、恒定的二氧化碳濃度（一般為 5%）、穩(wěn)定的 pH 值、適當(dāng)?shù)娜苎趿�、充足的營(yíng)養(yǎng)成分（氨基酸、維生素、碳水化合物、微量元素等）、較高的相對(duì)濕度（95%以上）等。傳統(tǒng)細(xì)胞培養(yǎng)是將細(xì)胞接種于培養(yǎng)瓶、培養(yǎng)皿或培養(yǎng)板中，加入適量的新鮮培養(yǎng)液再放入 CO2培養(yǎng)箱中進(jìn)行靜置培養(yǎng)，然后研究員通過(guò)觀察培養(yǎng)液的顏色變化情況進(jìn)行培養(yǎng)液更換。在細(xì)胞生長(zhǎng)繁殖過(guò)程中，營(yíng)養(yǎng)成分將被不斷消耗，并且代謝廢物不斷積累。如圖 1.4 所示，，當(dāng)新鮮培養(yǎng)液的顏色由紅色逐漸變成黃色時(shí)，說(shuō)明營(yíng)養(yǎng)成分過(guò)少和代謝
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TN492;Q813.11

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2678387