本文選題：微流控芯片 + 細(xì)胞培養(yǎng)　； 參考：《北京理工大學(xué)》2015年博士論文

【摘要】：隨著航天科技的不斷發(fā)展及載人航天等一系列空間搭載任務(wù)的成功,我國已經(jīng)進(jìn)入了太空研究探索階段。由于空間環(huán)境的復(fù)雜性,對所需的科學(xué)搭載儀器也提出了特殊需求,而地面生物學(xué)實驗方法因缺少有效的搭載儀器,很難在真正的空間生命科學(xué)研究中發(fā)揮作用。因此,在973、863、科技支撐計劃等國家重大科研項目的多方支持下,開展了多項對小體積、低功耗、自動化科學(xué)儀器的研發(fā)。微流控芯片因具有微尺度、集成化和高通量的特點,打破了傳統(tǒng)生物學(xué)研究的限制,十分符合空間搭載的實驗需求,而其提供可控的閥路控制及靈活多變的微設(shè)計結(jié)構(gòu)有利于構(gòu)建多種空間生物學(xué)效應(yīng)模型。研究表明,微重力及輻射暴露等模擬空間環(huán)境會造成機體神經(jīng)與免疫功能的改變,以微流控芯片為基礎(chǔ)建立神經(jīng)與免疫細(xì)胞培養(yǎng)模型,對幫助探究空間生物學(xué)效應(yīng)機制具有十分重要的意義。不僅如此,該模型的建立也可以使其在藥物篩選、細(xì)胞代謝分析及細(xì)胞間相互作用等相關(guān)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。本論文以微流控芯片為基礎(chǔ)進(jìn)行神經(jīng)與免疫細(xì)胞的培養(yǎng)并同時搭建了一套微流控細(xì)胞培養(yǎng)裝置及氣動微閥驅(qū)動系統(tǒng)。以此為基礎(chǔ)展開了如下關(guān)鍵性技術(shù)研究:(1)以神經(jīng)細(xì)胞培養(yǎng)為基礎(chǔ),在微流控芯片內(nèi)部建立多種藥物刺激實驗;(2)設(shè)計了一款可用于長時間灌流免疫懸浮細(xì)胞培養(yǎng)的微流控芯片并考察了細(xì)胞在其內(nèi)部的生長狀態(tài);(3)提出了一種無模具的微流控芯片加工方法,并以此芯片建立多種細(xì)胞灌流培養(yǎng)模式;(4)搭建了一套可適用于空間搭載的微流控細(xì)胞培養(yǎng)的小型化裝置,包含溫度控制,泵驅(qū)動及可用于動態(tài)成像檢測的顯微觀測系統(tǒng);(5)設(shè)計研制了含有氣動微閥的微流控芯片及氣動驅(qū)動裝置,并在其上建立了多種細(xì)胞培養(yǎng)及共培養(yǎng)模型。論文的研究內(nèi)容主要包括以下幾個方面:1)設(shè)計加工了無模具紫外光照固化膠(NOA 81)細(xì)胞培養(yǎng)微流控芯片,并在其上成功實現(xiàn)了多種貼壁細(xì)胞的培養(yǎng)。該微流控芯片因具有無模板的加工工藝,可提高前期結(jié)構(gòu)探索時期的加工效率;通過加工嵌入聚二甲基硅氧烷(PDMS)-NOA 81交聯(lián)的微閥,可以有效控制流體流路并防止交叉污染;將SH-SY5Y,U87,HCT 116,Hela,Hek298t細(xì)胞分別接種到芯片內(nèi)部,在穩(wěn)定的灌流培養(yǎng)條件下,細(xì)胞可維持一周以上的存活率;以SH-SY5Y細(xì)胞為模型考察不同濃度多巴胺(DA)對其生長狀態(tài)的影響,實驗結(jié)果顯示出了濃度梯度依賴關(guān)系的不同細(xì)胞表型現(xiàn)象;表明這種高生物相容性快速加工的NOA 81芯片在空間及多種生物分析領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值;2)設(shè)計制作了一款可有效截留細(xì)胞并避免流體剪切力的,可用于長期灌流培養(yǎng)懸浮細(xì)胞的微流控芯片。在前期的芯片材料及細(xì)胞系的摸索與選取后,首先采用NOA81快速加工方法對芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了前期的摸索,結(jié)果顯示在灌流條件下,需有有效的截留結(jié)構(gòu)以維持其在芯片內(nèi)部的生長;后續(xù)的PDMS芯片設(shè)計及實驗表明,由流體產(chǎn)生的剪切力對懸浮細(xì)胞的影響極其明顯;最終,用聚氯乙烯材料鍵合聚酯網(wǎng)的芯片結(jié)構(gòu),成功實現(xiàn)了對免疫懸浮細(xì)胞的截留捕獲及長期灌流培養(yǎng),為進(jìn)一步探究空間環(huán)境下細(xì)胞生長條件提供了有力支持;3)搭建了一套具有空間適應(yīng)性的,含有精確溫度控制、可控灌流體系及實時顯微成像系統(tǒng)的小型自動化的微流控細(xì)胞培養(yǎng)裝置。溫度控制體系采用MSP 430單片機結(jié)合PID控制算法將微流控細(xì)胞培養(yǎng)芯片溫度穩(wěn)定在37°C±0.5°C;考察了壓電隔膜微泵和注射泵兩種不同泵驅(qū)動系統(tǒng)對芯片內(nèi)灌流細(xì)胞培養(yǎng)的影響;顯微成像系統(tǒng)可將視頻數(shù)據(jù)上傳到搖控平臺,對細(xì)胞的生長、增值及遷移等多指標(biāo)現(xiàn)象進(jìn)行實時監(jiān)測;以神經(jīng)細(xì)胞SH-SY5Y為模型,考察了不同芯片材質(zhì)及設(shè)計對培養(yǎng)結(jié)果的影響。該微流控細(xì)胞培養(yǎng)灌流系統(tǒng)具有小型化、低功耗、集成化和自動化的特點并能夠進(jìn)行實時動態(tài)可見光顯微成像,具備了空間環(huán)境適應(yīng)性;4)研發(fā)了一套完整的氣體驅(qū)動裝置并設(shè)計制作了一款含有氣動微閥嵌入的多功能細(xì)胞培養(yǎng)微流控芯片。提出了標(biāo)準(zhǔn)的氣動微閥PDMS芯片加工流程并考察了其工藝;采用染料實驗證明三個帶有微閥的獨立腔室可以通過外部接入的氣動微閥裝置實現(xiàn)獨立與聯(lián)通的轉(zhuǎn)換;為了能夠更好的完成后續(xù)的細(xì)胞實驗,對PDMS基底進(jìn)行了不同處理方法的考察,選取合適的處理方法以提高細(xì)胞在芯片內(nèi)部的生物相容性;不同的細(xì)胞系SH-SY5Y、HCT 116和Hela分別接種于一個芯片內(nèi)的三個腔室中,細(xì)胞在96h內(nèi)呈現(xiàn)出不同的生長增值速率;三種轉(zhuǎn)染的SH-SY5Y熒光細(xì)胞分別接種于腔室內(nèi)部,并對神經(jīng)毒素1-甲基-4-苯基-2,3-二氫吡啶(1-methyl-4-phenyl-2,3-dihydropyridiumion,MPP+)顯示出不同程度的α-syn聚集效應(yīng);SH-SY5Y分別與SH-SY5Y、U87和Hela共培養(yǎng)接種到三個獨立腔室內(nèi)部并進(jìn)行MPP+藥物刺激,可以觀察到神經(jīng)保護(hù)及相互作用;多組實驗結(jié)果證實了這種多功能芯片在多種研究領(lǐng)域包括疾病診斷、藥物篩選及臨床檢測等的潛在應(yīng)用價值。本課題采用微流控芯片技術(shù)同時建立了神經(jīng)與免疫細(xì)胞灌流培養(yǎng)模式,并以此為基礎(chǔ)搭建了可應(yīng)用于空間細(xì)胞培養(yǎng)的小型一體化裝置,為空間生命科學(xué)研究的開展及空間搭載任務(wù)的實現(xiàn)提供了有利的支持;同時氣動微閥芯片及氣體驅(qū)動裝置的研發(fā),提高了微流控芯片在多領(lǐng)域的實際應(yīng)用價值。
[Abstract]:A microflow control chip with micro - flow control chip and a pneumatic micro - valve drive system have been designed and developed . The effects of different chip materials and design on the culture results were investigated . The micro - fluidic cell culture and perfusion system has the characteristics of miniaturization , low power consumption , integration and automation , and is able to perform real - time dynamic visible light microscopy .

【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：Q813

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本文編號：1734119