發(fā)布時(shí)間：2020-10-02 06:59

　　 細(xì)胞通過(guò)離子的跨膜流動(dòng)可進(jìn)行細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞間的信號(hào)傳導(dǎo),膜片鉗技術(shù)通常用于測(cè)量離子通道電流和膜電位,在電生理學(xué)和生命科學(xué)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用,但傳統(tǒng)玻璃微電極在膜片鉗實(shí)驗(yàn)中存在制作與操作難度高、效率低且易發(fā)生移動(dòng)導(dǎo)致與目標(biāo)細(xì)胞封接效果不好的問(wèn)題。近年來(lái),微流控芯片以其精確控制流體、便于操作單細(xì)胞和良好的生物兼容性等獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在膜片鉗研究方面得到廣泛應(yīng)用。然而,常規(guī)的微流控膜片鉗細(xì)胞吸附芯片存在吸附難度高、細(xì)胞利用率低、工藝制作繁瑣等問(wèn)題,因此,一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便且高通量的膜片鉗細(xì)胞吸附芯片將為細(xì)胞膜電位測(cè)量實(shí)驗(yàn)提供極大便利。本文基于流體動(dòng)力學(xué)原理設(shè)計(jì)了一種微型、簡(jiǎn)單且高效的用于膜片鉗實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的細(xì)胞吸附芯片,具體研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下:(1)理論分析:結(jié)合細(xì)胞尺寸及膜片鉗實(shí)驗(yàn)對(duì)細(xì)胞吸附的需求設(shè)計(jì)了芯片結(jié)構(gòu),并使用泊肅葉定律對(duì)微通道內(nèi)流體流速、流阻及壓降進(jìn)行分析,確定吸附通道所需負(fù)壓對(duì)流速的依賴關(guān)系。通過(guò)理論分析本文確定了主通道采用弧線與直線結(jié)合的“蛇形通道”及膜片鉗捕獲通道采用由細(xì)到粗過(guò)渡結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案。計(jì)算結(jié)果表明完成細(xì)胞吸附需在膜片鉗捕獲端口施加負(fù)壓;輸入流量(流速)與所需施加最小負(fù)壓值之間存在線性關(guān)系;隨著捕獲單元與主通道入口距離變近,其線性系數(shù)逐漸變小(分別為-1611、-1724、-1551、-1349、-1118、-868);距離主通道入口最近與最遠(yuǎn)的捕獲單元其線性系數(shù)相差一半。(2)數(shù)值模擬:利用有限元多物理場(chǎng)分析軟件comsol建立微流控芯片捕獲細(xì)胞的仿真模型,模擬了通道內(nèi)流速、壓降及粒子運(yùn)動(dòng)軌跡。結(jié)果顯示,在芯片的細(xì)胞捕獲通道端口附近,流體的壓力急劇降低、流速顯著增大,其影響區(qū)域占主通道的1/3左右;仿真中粒子運(yùn)動(dòng)的軌跡進(jìn)一步驗(yàn)證了此區(qū)域內(nèi)細(xì)胞容易被吸附的現(xiàn)象。在流速為3mm/s、隨機(jī)置入20個(gè)微粒子的仿真中,可以觀察到,細(xì)胞的捕獲對(duì)施加的負(fù)壓存在依賴關(guān)系,最佳負(fù)壓值為-1000 pa。(3)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證:利用制備的微流控芯片搭建了細(xì)胞吸附實(shí)驗(yàn)平臺(tái),并通過(guò)聚苯乙烯微球捕獲實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該芯片對(duì)于不同粒徑微球吸附的有效性,通過(guò)細(xì)胞吸附實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了流動(dòng)干擾下細(xì)胞的穩(wěn)定吸附,且所施加負(fù)壓值與理論計(jì)算值相符。本論文設(shè)計(jì)的用于膜片鉗實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的細(xì)胞吸附芯片在理論分析、模擬仿真和細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中都成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)單細(xì)胞的穩(wěn)定吸附,且一些關(guān)鍵結(jié)果參數(shù)互相符合,表現(xiàn)出了較好的可行性,為細(xì)胞膜電位測(cè)量與控制等膜片鉗實(shí)驗(yàn)提供了潛在可用的方便平臺(tái)。
【學(xué)位單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：Q25
【文章目錄】：
摘要
Abstract
1 緒論
    1.1 研究背景及意義
    1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
    1.3 本文主要研究?jī)?nèi)容
    1.4 本文組織架構(gòu)
2 基于微流控芯片的單細(xì)胞捕獲理論分析與設(shè)計(jì)
    2.1 微通道的流阻
    2.2 微通道的流阻、壓降和流量的關(guān)系
    2.3 粒子受力分析
        2.3.1 斯托克斯拖曳力
        2.3.2 重力和浮力
        2.3.3 布朗力
    2.4 微流控芯片的設(shè)計(jì)
        2.4.1 細(xì)胞吸附的實(shí)現(xiàn)
        2.4.2 微流控芯片具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    2.5 小結(jié)
3 基于COMSOL對(duì)細(xì)胞吸附芯片的數(shù)值模擬
    3.1 網(wǎng)格剖分方式選擇
    3.2 微流控芯片內(nèi)的流速分布
    3.3 微流控芯片捕獲單元的壓降
    3.4 微流控芯片內(nèi)的粒子軌跡
    3.5 所施加負(fù)壓值與捕獲率關(guān)系
    3.6 小結(jié)
4微流控芯片制作及單細(xì)胞吸附實(shí)驗(yàn)
    4.1 細(xì)胞吸附實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建
        4.1.1 設(shè)備與材料
        4.1.2 細(xì)胞吸附芯片的制作過(guò)程
    4.2 細(xì)胞培養(yǎng)
        4.2.1 試劑與設(shè)備
        4.2.2 細(xì)胞培養(yǎng)與傳代
        4.2.3 細(xì)胞的凍存與復(fù)蘇
    4.3 實(shí)驗(yàn)與分析
        4.3.1 聚苯乙烯微球?qū)嶒?yàn)
        4.3.2 細(xì)胞吸附實(shí)驗(yàn)
    4.4 小結(jié)
結(jié)論
參考文獻(xiàn)
攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文情況
致謝

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本文編號(hào)：2832077