基于三维环境中对细胞运动追踪的方法及微流控芯片

摘要

本申请涉及微流控芯片应用技术领域，提供了一种基于三维环境中对细胞运动追踪的方法，包括以下步骤：制作具有微型通道的载体；微型通道为三维通道，微型通道的高度在一定范围内；用制作好的载体对细胞进行运动追踪。一种微流控芯片，包括微型通道，微型通道的高度范围为40‑55μm，宽度范围为0.6‑2.5mm，长度范围为1‑2cm；微型通道具有进样口和出样口，进样口和出样口的孔径范围均为0.8‑1.5mm。本申请通过设计具有微型通道的载体，且微型通道的高度在一定范围内，不仅能够模拟细胞在三维立体空间中运动，同时还能够满足显微镜的焦距范围，使得用显微镜观察细胞运动时不会出现失焦现象，使得采集到的数据更具真实性。

说明书

技术领域

本申请属于微流控芯片应用技术领域，更具体地说，是涉及一种基于三维环境中对细胞运动追踪的方法及微流控芯片。

背景技术

生物科学研究的模式生物中，微生物细菌及真核细胞的运动研究都有一定科学意义。细菌的运动往往与其生长相偶联，在细菌生长的资源分配和代谢流的研究中，细菌的运动往往占据大部分能量和资源分配。近几年，在细菌介导的肿瘤治疗研究中，利用细菌趋化运动实现细菌定点靶向肿瘤区域成为一种新思路。

以往对于细菌或细胞的运动研究大多集中在均匀环境场景中进行，对细胞运动的追踪都是在二维环境中进行。通常是将培养好的微生物细胞用培养基以一定比例稀释，再取少量稀释后样品置于玻璃片上，形成单液层，以便在显微环境观察不至于失焦。但是细胞所处的真实环境都是立体三维环境，且是复杂多变的。在科学研究中，为了更真实模拟微生物所处的复杂环境，在三维环境中对细胞运动追踪的研究观测非常必要。

在三维立体环境中对细胞运动进行追踪的研究，现有的方法大多是利用细胞培养板或细菌培养板，将少量含有细胞的培养液平铺在培养板上，然后进行显微观察。由于显微镜的聚焦有一定范围，常规制样方式得到的样品在显微镜下观察时往往会出现失焦现象，从而采集不到理想数据。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种基于三维环境中对细胞运动追踪的方法，以解决现有技术中存在的利用细胞培养板或细菌培养板进行细胞三维环境追踪导致在显微镜下观察失焦的技术问题。

为实现上述目的，本申请采用的技术方案是：提供一种基于三维环境中对细胞运动追踪的方法，包括以下步骤：

制作具有微型通道的载体；其中，所述微型通道为三维通道，且所述微型通道的高度在一定范围内；

用制作好的载体对细胞进行运动追踪。

在一个实施例中，所述载体的制作过程包括以下步骤：

根据微生物大肠杆菌的特点来确定所述微型通道的三维尺寸；

根据确定的三维尺寸制作载体。

在一个实施例中，所述微型通道的高度范围为40-55μm。

在一个实施例中，所述微型通道的宽度范围为0.6-2.5mm，长度范围为1-2cm；

所述载体上具有与所述微型通道连通的进样口和出样口，所述进样口和出样口的孔径范围均为0.8-1.5mm。

在一个实施例中，所述微型通道呈长方体状、圆柱状或正方体状。

在一个实施例中，所述载体采用聚二甲基硅氧烷材料制成。

在一个实施例中，所述载体为微流控芯片。

在一个实施例中，利用载体进行细胞运动追踪的方法包括以下步骤：

将培养好的大肠杆菌稀释并注入所述微型通道中；

封住所述微型通道的进样口和出样口；

用显微镜实时观测大肠杆菌运动。

在一个实施例中，通过封片剂封住所述进样口和出样口；其中，所述封片剂由羊毛脂和凡士林按1:1混合配置而成。

本申请提供的基于三维环境中对细胞运动追踪的方法的有益效果在于：本申请实施例提供的基于三维环境中对细胞运动追踪的方法，通过载体中设置微型通道，微型通道为三维通道，且微型通道的高度在一定范围内，该微型通道更接近于生物体所生存的复杂的三维立体环境，能够为细胞的运动提供三维立体空间，从而能够使得细胞的运动追踪研究更具真实性，进而利于细胞的生长研究及细菌定点靶向肿瘤区域的研究。同时，由于微型通道能够一定高度范围的运动空间，相对于细胞培养板更能提供给细胞运动的三维空间，其立体感更强，细胞的运动不会受到束缚，细胞的运动更趋于真实性，同时在通过显微镜观察时，只要焦距调节合理，再配合一定高度范围的微型通道，在观察时就不会出现失焦现象，从而使得采集到的数据更具真实性，提高了研究价值和研究意义。

本申请还提供了一种微流控芯片，包括微型通道，所述微型通道的高度范围为40-55μm，宽度范围为0.6-2.5mm，长度范围为1-2cm；所述微流控芯片还具有与所述微型通道连通的进样口和出样口，所述进样口和出样口的孔径范围均为0.8-1.5mm。

本申请提供的微流控芯片的有益效果在于：本申请实施例提供的微流控芯片通过将微型通道的长度、宽度和高度分别设定在一定范围内，不仅能够模拟细胞在三维立体空间中运动，同时还能够满足显微镜的焦距范围，使得用显微镜观察细胞运动时不会出现失焦现象，使得显微镜的观察视野足够大，从而使得采集到的数据更具真实性。此外，还能够防止微流控芯片出现塌陷现象。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的基于三维环境中对细胞运动追踪的方法的流程示意图；

图2为图1中载体的制作流程示意图；

图3为图1中利用载体进行细胞运动追踪的流程示意图；

图4为本申请实施例提供的微流控芯片的微型通道示意图；

图5为10倍显微镜下观察到的大肠杆菌的分布图；

图6为10倍显微镜下大肠杆菌运动的轨迹图。

具体实施方式

为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

现对本申请实施例提供的基于三维环境中对细胞运动追踪的方法进行说明。该基于三维环境中对细胞运动追踪的方法能够模拟在立体三维环境中对单细胞运动的追踪，更能真实模拟及反映生物体所处的复杂环境，为细胞的研究及实现细菌定点靶向肿瘤区域技术做出贡献。可以理解地，在本申请的其他实施例中，该方法也可以用于对真核细胞的运动观测，如免疫细胞的运动观测，此处不做唯一限定。

请参阅图1，具体的，一种基于三维环境中对细胞运动追踪的方法包括以下步骤：

S10：制作具有微型通道10的载体；其中，载体为任意具有该微型通道10的载体，当然，载体的材料应当是利于细胞存活，且不会对细胞造成污染或伤害的材料。微型通道10为三维通道，且微型通道10的高度在一定范围内，也即是微型通道10的高度可以根据实际需求进行限定。

S20：用制作好的载体对细胞进行运动追踪。

具体是通过显微镜对载体中的细胞进行运动追踪。

本实施例中的基于三维环境中对细胞运动追踪的方法，通过载体中设置微型通道10，微型通道10为三维通道，且微型通道10的高度在一定范围内，该微型通道10更接近于生物体所生存的复杂的三维立体环境，能够为细胞的运动提供三维立体空间，从而能够使得细胞的运动追踪研究更具真实性，进而利于细胞的生长研究及细菌定点靶向肿瘤区域的研究。同时，由于微型通道10能够一定高度范围的运动空间，相对于细胞培养板更能提供给细胞运动的三维空间，其立体感更强，细胞的运动不会受到束缚，细胞的运动更趋于真实性，同时在通过显微镜观察时，只要焦距调节合理，再配合一定高度范围的微型通道10，在观察时就不会出现失焦现象，从而使得采集到的数据更具真实性，提高了研究价值和研究意义。

在具体的实施例中，请参阅图2，载体的制作过程包括以下步骤：

S11：根据微生物大肠杆菌的特点来确定微型通道10的三维尺寸；

微生物大肠杆菌是肠杆菌科的一员，经常作为细菌的模式生物广泛用于科学研究。此外，大肠杆菌周身具有鞭毛，其鞭毛分布利于运动，且大肠杆菌获取方便，且体积小，因此通过大肠杆菌来作为细胞运动追踪分析是一个不错的选择。可以理解地，在本申请的其他实施例中，根据具体研究方向，当需要对其他类型的细胞或细菌的运动进行研究时，也可以将大肠杆菌换做其他细菌，例如海洋菌、山门菌等，此处不做唯一限定。

S12：根据确定的三维尺寸制作载体。

微型通道10的三维尺寸均确定，然后确定每个载体上设置微型通道10的数量，例如每个载体上设置一个微型通道10，或者每个载体上设置两个或两个以上微型通道10；最后根据微型通道10的尺寸及数量确定载体的大致尺寸。

在具体的实施例中，大肠杆菌为杆状细菌，由大量实验获得大肠杆菌的宽度在0.2-0.5μm范围内，长度在1.3-2μm范围内，那么大肠杆菌在无环境尺寸限制时，其活动范围至少是自身尺寸的10倍以上，以保证大肠杆菌的运动不受限制，使得细胞在三维立体环境的运动模拟更加真实。此外，显微镜在观察时，为了扩大观察视野，显微镜的放大倍数一般是10倍及以下，例如当显微镜的放大倍数为10倍时，则选定微型通道10的高度H范围在40-55μm之间，才能使得大肠杆菌的运动范围在显微镜的聚集范围内，从而不会出现显微镜观察失焦的现象，进而使得显微镜采集到精准的数量，利于细胞趋势化运动的精准研究，利于细菌定点靶向肿瘤技术的研究。

具体的实际试验中，微型通道10的高度H可以为40μm、45μm、50μm或55μm。可以理解地，在本申请的其他实施例中，例如当显微镜的放大倍数为4倍或6倍时，根据显微镜的聚焦要求，微型通道10的高度H的范围也可以适当改变，此处不做唯一限定。

在具体的实施例中，为了能够清晰的拍摄大肠杆菌的运动轨迹，则需要保证显微镜的拍摄视野足够大，因此微型通道10的长度和宽度设计得越长越好，但是如果微型通道10的长度过长，则会使得微流控芯片的结构强度减小，导致微型通道10容易出现塌陷。综合上述两种因素，经过多次试验证明，当微型通道10的宽度W的范围在0.6-2.5mm之间，且微型通道10的长度L的范围在1-2cm之间时，微型通道10基本不会出现塌陷现象，且显微镜在观察大肠杆菌的运动轨迹时，观察视野也足够大，观察清晰，采集到精准的数据。

具体的实际试验中，微型通道10的宽度W可以为0.6mm、1.0mm、1.5mm、2mm或2.5mm，微型通道10的长度L可以为1cm、1.3cm、1.5cm或2cm。可以理解地，在本申请的其他实施例中，当显微镜的载物台大小允许时，微型通道10的长度L也可达到3mm、4mm等，此处不做唯一限定。

请参阅图4，载体上具有进样口20和出样口30，进样口20和出样口30分别设于微型通道10沿长度方向上的两端，进样口20和出样口30分别与微型通道10连通，并用于供稀释后的大肠杆菌注入微型通道10中。

具体的，进样口20和出样口30的孔径在0.8-1.5mm之间。一般情况下，进样口20和出样口30的孔径由选择的打孔器决定，同时，进样口20和出样口30的孔径如果太大容易有气泡进入微型通道10中，而进样口20和出样口30的孔径如果太小则会导致大肠杆菌不好注入微型通道10中。此外，进样口20和出样口30的孔径应略小于微型通道10的宽度及高度，综合上述几个因素，本申请中进样口20和出样口30的孔径设置为1mm，而在本申请的其他实施例中，进样口20和出样口30的孔径也可以是0.8mm、1.2mm或1.5mm等，此处不做唯一限定。

在具体的实施例中，请参阅图4，微型通道10呈长方体状，结构简单，且制作方便。可以理解地，在本申请的其他实施例中，根据实际设计情况及具体要求，上述微型通道10也可以设置呈圆柱状或正方体状，甚至可以是其他尺寸相适配的任意三维形状，此处不做唯一限定。

在具体的实施例中，载体采用聚二甲基硅氧烷材料制成，聚二甲基硅氧烷具有良好的生物相容性，且透气性好，便于大肠杆菌吸收氧气，材料干净，不会对大肠杆菌产生污染或危害，则当大肠杆菌溶液注入微型通道10后，载体不会对大肠杆菌本身以及大肠杆菌的活动产生影响或干涉，从而保证大肠杆菌能够在微型通道10中存活，且可以无阻碍运动。

在具体的实施例中，载体为微流控芯片，微流控芯片技术是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析全过程，由微型通道10形成网络来控制整个系统，从而取代常规生物或化学实验室的各种功能的一种技术。本申请将载体设置为微流控芯片，则能够提供微小环境，使得大肠杆菌样品使用量少，简单稳定可靠，重复性好。可以理解地，在本申请的其他实施例中，根据实际设计情况及具体要求，上述载体也可以其他简单的采用聚二甲基硅氧烷材料制成的结构，且结构内具有一定高度、一定宽度及一定长度的微型通道10均可，此处不做唯一限定。

本申请中微流控芯片的制作方法与普通微流控芯片的制作方法大致相同，本申请中微流控芯片的制作方法包括以下步骤：

根据三维尺寸画出微型通道10的CAD图纸；具体的，当根据大肠杆菌的结构选定好微型通道10的三维尺寸后，然后通过CAD图纸画出微型通道10的结构图纸。

根据CAD图纸制作掩模；具体的，将CAD图纸交给第三方公司，由第三方公司通过CAD图纸制作掩模，具体是用菲林制作成具有三维结构的掩模。

通过掩模在硅片上通过光刻的方式形成微型通道10结构；具体的，根据掩模的大小，配对相应的硅片做膜基底，用匀胶机把光刻胶(SU-8)甩到想要的微型通道10结构高度后，利用掩模与紫外光刻原理把光刻胶暴光后，形成具有微型通道10结构的硅片模具。

将液体聚二甲基硅氧烷材料平铺于硅片上，并置于80℃烘箱中烘至凝固；

待聚二甲基硅氧烷块凝固后，将聚二甲基硅氧烷块从硅片中取下，并将根据微型通道10的尺寸将硅片进行切割；

通过等离子键合将聚二甲基硅氧烷结构键合于洁净的玻片上形成微流控芯片。

在具体的实施例中，请参阅图3，利用载体进行细胞运动追踪的方法包括以下步骤：

S21：将培养好的大肠杆菌稀释并注入微型通道10中；

具体的，可以通过细菌培养板培养一定量的大肠杆菌，然后将大肠杆菌用于培养基稀释，其稀释的目的是为了降低大肠杆菌的密度，从而使得大肠杆菌之间的运动相互之间不会产生干涉，利于大肠杆菌做趋势化运动，便于显微镜下观察大肠杆菌的运动，且利于细菌定点靶向肿瘤区域的研发。

在更具体的实施例中，大肠杆菌在培养基稀释后的细胞密度为10

S22：封住微型通道10的进样口20和出样口30；

具体的，是通过封片剂将进样口20和出样口30封住，目的是为了防止微型通道10中的培养基的水分快速蒸发，导致大肠杆菌干枯死亡，细胞运动追踪失败。

具体的，封片剂由羊毛脂和凡士林按1:1混合配置而成，封片剂在50℃以上为液体，在温度在50℃以下时，封片剂凝固，从而将进样口20和出样口30封住。

S23：用显微镜实时观测大肠杆菌运动。

具体的，在将大肠杆菌注入微型通道10之前，先将大肠杆菌用荧光进行标记，例如用绿色荧光进行标记，然后将载体置于显微镜下进行实时观测，且将显微镜调整至放大10倍拍摄大肠杆菌的运动轨迹。请参阅图5，为在10倍显微镜下对荧光细菌做单细胞追踪识别，图中绿色的点为荧光细菌。图6为在显微镜下得到的大肠杆菌运动的轨迹图，其中，每条线代表一个大肠杆菌在15秒内的轨迹图，从而达到研究目的。

请参阅图4，本申请还提供了一种微流控芯片，包括微型通道10，微型通道10的高度范围为40-55μm，宽度范围为0.6-2.5mm，长度范围为1-2cm；微流控芯片还具有与所微型通道10连通的进样口20和出样口30，进样口20和出样口30的孔径范围均为0.8-1.5mm。本申请实施例提供的微流控芯片通过将微型通道10的长度、宽度和高度分别设定在一定范围内，不仅能够模拟细胞在三维立体空间中运动，同时还能够满足显微镜的焦距范围，使得用显微镜观察细胞运动时不会出现失焦现象，使得显微镜的观察视野足够大，从而使得采集到的数据更具真实性。此外，还能够防止微流控芯片出现塌陷现象。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。