细胞间接共培养微流控系统的设计与制作

摘要

肿瘤靶向药物是一类能够特异性识别肿瘤细胞，使其凋亡但不破坏周围正常细胞的新型药物。构建近似于细胞在体微环境的体外共培养系统对于肿瘤靶向药物的细胞毒性研究具有重要意义。微流控芯片的通道网络与细胞在体时所处的脉管体系非常相似，可为细胞体外培养提供一个动态、稳定、均一的体外微环境。微流控芯片与微量注射泵、密闭无菌培养装置共同组成细胞体外动态培养微流控系统，对于开展肿瘤靶向药物细胞作用机制研究具有重要意义。针对上述内容，本文开展了如下研究： （1）具有等级分岔通道网络的细胞间接共培养微流控芯片设计与制作。依据Murray定律，设计了细胞培养单元，采用串并联结合的方式将其集成，得到用于细胞间接共培养的结构。对该结构内的流场进行有限元仿真分析，表明该结构上6个培养腔内流速相同，且流速具有均一性和稳定性。以上述结构为基础，设计了细胞间接共培养微流控芯片。以聚二甲基硅氧烷（Polydimethyl siloxane，PDMS）为材料，利用光刻、干刻等工艺及模塑法制作各层芯片，在可视化对准设备上完成芯片的氧等离子体键合。 （2）用于微流控芯片的分体式细胞动态培养装置设计与制作。细胞动态培养装置采用分体式设计，由载泵箱、控制箱和培养箱组成。培养装置设计的关键在于培养箱内温度执行器的设计。利用光刻及湿法腐蚀工艺制备含有23条电阻阵列的ITO导电玻璃，将其作为培养箱内的温度执行器，并对培养箱内的温度场进行热力学仿真分析，表明了该温度执行器表面温度分布较均一，且加热460s后中心温度可达37℃。以聚甲基丙烯酸甲酯（Polydimethyl methacrylate，PMMA）为箱体材料，搭建了培养装置框架，并根据所需功能为其配备相关硬件及控制系统，最后使用保温材料对其进行封装。 （3）芯片培养腔内流场特性研究、培养装置稳定性测试及微流控系统应用。通过粒子图像测速实验，得到了芯片上各细胞培养腔内的流场分布特性，证明了该微流控器件各细胞培养腔内可以形成相同流体流动速度，且该速度具有均一性与稳定性；通过稳定性测试实验得到了培养箱内温湿度变化情况以及芯片内气泡出现次数，证明了该培养装置可以长期提供细胞培养所需的温湿度环境，并能使气泡产生几率下降53%；以Hela细胞和L-929细胞为研究对象，通过细胞间接共培养实验得到了两种细胞在培养腔内的生长曲线，与标准“S”型生长曲线保持一致，且细胞存活率可达95%以上，证明了该微流控系统具有实用价值。

目录

声明

1 绪论

1.1 本文研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 在体微环境模拟微流控芯片

1.2.2 多细胞培养微流控芯片

1.2.3 用于微流控芯片的细胞培养装置

1.3 本文主要研究内容

2 细胞间接共培养微流控器件的设计与制作

2.1 细胞间接共培养微流控器件的设计

2.1.1 培养层结构的设计

2.1.2 微通道内的流场仿真分析

2.1.3 微器件的整体设计

2.2 细胞间接共培养微流控器件的制作

2.2.1 芯片材料及成型工艺

2.2.2 各芯片层模具制作

2.2.3 微流控芯片和柱塞制作

2.2.4 微器件夹具制作

2.3 本章小结

3 分体式细胞动态培养装置的设计与制作

3.1 分体式细胞动态培养装置的设计

3.1.1 细胞培养条件及装置设计要求

3.1.2 培养装置的箱体结构设计

3.1.3 培养装置的控制系统设计

3.2 ITO温度执行器设计及热力学仿真

3.2.1 ITO温度执行器的设计

3.2.2 基于ITO温度执行器的热力学仿真

3.3 分体式细胞动态培养装置的制作

3.3.1 ITO温度执行器制作

3.3.2 培养装置各组件选型

3.3.3 培养装置搭建

3.4 本章小结

4 细胞间接共培养微流控系统的性能测试及应用

4.1 微流控器件的流场性能测试

4.1.1 细胞接种及动态培养过程的流体模拟

4.1.2 细胞培养腔内流场特性测试

4.2 分体式细胞动态培养装置的稳定性测试

4.3 微流控系统的细胞间接共培养实验

4.3.1 实验材料

4.3.2 细胞间接共培养

4.4 本章小结

结论

参 考 文 献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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