基于微流控芯片的微井及液滴阵列细胞捕获方法研究

论文摘要

本文以微流控芯片技术为基础，以细胞为研究对象，研究了两种用于细胞捕获与分析的的方法。通过设计微结构阵列实现了单细胞或者包裹有细胞的液滴的高通量阵列捕获，进而实现对固定的细胞的研究。基于软光刻工艺的基本原理，结合微球的二维自组装现象，制作出PDMS微井阵列并实现了单细胞的固定及酶反应动力学的研究。首先在玻璃基底表面让聚苯乙烯微球发生自组装，在加热的条件下使微球发生轻微熔化并固定在玻璃基底表面。熔化的微球表面尚能保持半球形，在表面疏水处理后可以用于PDMS复制而不发生脱落。在PDMS阵列上捕获了两种细胞，细胞被固定在微井阵列中而不发生明显位移，利用固定的单细胞阵列，完成了细胞酶反应动力学的研究。这种细胞捕获阵列加工方便快捷，可选择不同尺寸的微球制作软光刻模板，微井底部为半球形，非常适合于细胞的固定后的实时分析。利用微液控芯片液滴技术包裹细胞并通过加工阵列微结构实现液滴的阵列捕获，将液滴的生成与捕获集成到同一芯片中，极大的发挥了液滴作为微容器研究细胞的优势。使用T型通道产生单分散的液滴，芯片键合基底以PDMS覆盖，避免液滴与界面的润湿，提高了液滴的稳定性。在液滴单元下游使用捕获阵列微结构固定液滴，在流动相的驱动下，液滴遂渐进入各捕获单元，当压力逐渐达到平衡时，形成自稳定的液滴阵列，液滴的捕获效率达90%以上。同时该结构不受高流阻限制，适合于高粘度样品液滴的捕获。由于分散相粘度越大液滴生成越缓慢，容易导致样品的偏析，我们提出“高流速模式”进样，液滴能够快速生成,血细胞经过自稳定过程被捕获，整个过程可以在10min以内完成。微流控芯片技术的出现极大提高了人们控操微量液体的能力，大大降低了生化试剂的消耗，同时芯片上反应更加迅速，这些都有利于进行高通量细胞阵列研究。两种细胞捕获方法的建立，将可能在基础生物学研究，药物筛选，细胞间信息传递方面找到应用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 主要符号对照表
• 第1章 引言
• 1.1 概述
• 1.2 微流控芯片
• 1.2.1 发展概况
• 1.2.2 芯片加工工艺
• 1.2.3 芯片加工材料
• 1.2.4 典型应用
• 1.3 微流控芯片细胞捕获及分析
• 1.3.1 贴壁细胞的捕获及分析
• 1.3.2 非贴壁细胞的捕获及分析
• 1.4 微流控芯片液滴细胞分析
• 1.4.1 微流控芯片液滴技术
• 1.4.2 液滴生成方法
• 1.4.3 液滴的在线操控
• 1.4.4 液滴单细胞分析
• 第2章 微球自组装微井模板制作
• 2.1 本章前言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验试剂与仪器
• 2.2.2 微球模板制作
• 2.3 实验结果与讨论
• 2.3.1 微球自组装
• 2.3.2 加热熔化微球制作模板
• 2.3.3 PDMS 微井阵列
• 2.4 本章小结
• 第3章 单细胞酶反应动力学研究
• 3.1 本章前言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 细胞培养及准备
• 3.2.2 微井阵列上细胞固定
• 3.2.3 单细胞酶反应动力学
• 3.2.4 显微镜及数据处理
• 3.3 实验结果与讨论
• 3.3.1 单细胞阵列
• 3.3.2 单细胞酶反应动力学
• 3.4 本章小结
• 第4章 阵列液滴捕获芯片制作
• 4.1 本章前言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验试剂
• 4.2.2 实验仪器
• 4.2.3 实验步骤
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 芯片结构
• 4.3.2 液滴的形成
• 4.3.3 液滴的捕获效率
• 4.4 本章小结
• 第5章 全血样品液滴生成与捕获
• 5.1 本章前言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 实验试剂与材料
• 5.2.2 实验仪器
• 5.2.3 血细胞液滴捕获
• 5.3 结果与讨论
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果