可左右滑动选省市

用于电阻抗监测的微流控装置及检测细胞电阻抗的方法

更新时间:2024-07-01
用于电阻抗监测的微流控装置及检测细胞电阻抗的方法 专利申请类型:发明专利;
源自:法国高价值专利检索信息库;

专利名称:用于电阻抗监测的微流控装置及检测细胞电阻抗的方法

专利类型:发明专利

专利申请号:CN202110849147.8

专利申请(专利权)人:法国介观生物技术有限公司
权利人地址:法国巴黎贝尔维尔街19号

专利发明(设计)人:梁烽,罗浩月,毛政,汪丽,石剑,陈勇

专利摘要:本发明提供用于电阻抗监测的微流控装置及检测细胞电阻抗的方法。包括:芯片本体,芯片本体由上盖体和下盖体组成、上盖体底部及下盖体顶部均设有微流沟道和与微流沟道相通的腔室;细胞培养腔室,培养腔室设于芯片本体的内部,培养腔室包括置于腔室内底部的叉指电极、叉指电极之间的隔条,置于腔室细胞培养载体以及置于腔室内顶部的辅助电极;细胞培养载体可被固定在叉指电极隔条的上部,也可是单独的插件,细胞培养载体可为人工细胞基底膜。本发明的有益效果在于:可对基底膜上培养的细胞进行实时电阻抗检测,通过对电阻抗数据分析细胞的生长情况和药物的反应;制作工艺简单,可用于药物筛选,装置的制作简单,结构紧凑,成本低,可批量生产。

主权利要求:
1.一种用于电阻抗监测的微流控装置,其特征在于,包括:
芯片本体,所述芯片本体的表面设置有进口与出口;
与所述出口及与所述进口连通的培养腔室,所述培养腔室设于所述芯片本体的内部,所述培养腔室包括培养腔室内底面且与所述培养腔室内底面相对设置的培养腔室内上面;
设于所述芯片本体内部的叉指电极,所述叉指电极包括叉指电极测试部及叉指电极连接部,所述叉指电极测试部与所述培养腔室的内部空间接触;
设于所述培养腔室内部的辅助电极;
设于所述培养腔室内部的隔层,所述隔层由若干根设于所述叉指电极与所述辅助电极之间的隔条组成,所述隔条的一端插入所述叉指电极的相邻的正极与负极之间,所述隔条的另一端与所述辅助电极之间存在空间;
设于所述培养腔室内部的细胞培养载体,所述细胞培养载体设于所述隔层与所述辅助电极之间,所述细胞培养载体与所述隔条的另一端连接;
所述芯片本体包括可拆卸拼接的上盖体与下盖体,所述上盖体包括所述培养腔室内上面,所述下盖体包括所述培养腔室内底面;所述培养腔室还包括上盖体空腔槽与下盖体空腔槽,所述上盖体空腔槽与所述下盖体空腔槽可拼接成所述培养腔室;所述上盖体空腔槽开设在所述培养腔室内上面,所述下盖体空腔槽开设在所述培养腔室内底面;所述进口包括第一进口与第二进口,所述出口包括第一出口与第二出口,所述第一进口与第一出口通过微流通道连通所述上盖体空腔槽,所述第二进口与所述第二出口通过微流通道连通所述下盖体空腔槽;
所述辅助电极设置于所述上盖体空腔槽的内部;所述叉指电极设置于所述下盖体空腔槽的内部。
2.根据权利要求1所述的用于电阻抗监测的微流控装置,其特征在于,所述细胞培养载体为多孔材料。
3.根据权利要求1所述的用于电阻抗监测的微流控装置,其特征在于,所述细胞培养载体为细胞培养膜。
4.根据权利要求1所述的用于电阻抗监测的微流控装置,其特征在于,所述细胞培养载体为渗透膜或含渗透膜的物质。
5.根据权利要求1所述的用于电阻抗监测的微流控装置,其特征在于,所述细胞培养载体与所述辅助电极之间存在空间。
6.根据权利要求1所述的用于电阻抗监测的微流控装置,其特征在于,所述细胞培养载体设于所述上盖体与所述下盖体之间。
7.根据权利要求1所述的用于电阻抗监测的微流控装置,其特征在于,还包括与所述芯片本体连接的外接部,所述外接部设置在靠近所述叉指电极的位置,所述叉指电极连接部与所述外接部连接;所述芯片本体表面靠近所述辅助电极的位置还开设辅助电极连接口,所述辅助电极连接口与所述辅助电极通过连接通道连接。
8.根据权利要求1 6任一项所述的用于电阻抗监测的微流控装置,其特征在于,所述下~盖体包括可拆卸连接的基底与下盖体本体,所述基底包括所述培养腔室内底面;所述用于电阻抗监测的微流控装置还包括与基底连接的外接部,所述叉指电极连接部与所述外接部连接。
9.一种利用权利要求1 8任一项所述的微流控装置测试细胞电阻抗的方法,其特征在~于,将细胞种植在所述细胞培养载体,连通叉指电极的相邻正极与负极,测量电阻抗;和/或连通叉指电极的正极与辅助电极,测量电阻抗;或连通叉指电极的负极与辅助电极,测量电阻抗。 说明书 : 用于电阻抗监测的微流控装置及检测细胞电阻抗的方法技术领域[0001] 本发明属于生物检测技术领域,具体涉及用于电阻抗监测的微流控装置及检测细胞电阻抗的方法。背景技术[0002] 膜培养细胞或分子对于仿生,药物筛选试验有着不可替代的作用。基于生物方法的检测,如采用标记,都是基于终点的检测,并且会对细胞产生一定影响。电生理研究电学方法研究细胞或分子其中很重要的一种方法是细胞电阻抗传感。[0003] 电阻抗测量技术是基于系统对交变电场相应检测被测量对象物理、化学和生物特性,其关键与不同物质接触面上所发生的电荷转移有关。典型的电阻抗测量采用叉指电极。通常叉指电极制作在一个平面上,然后对在电极上及电极间区域的细胞检测。由于叉指电极的间隙较窄,采用此设计富集的分子有限,如果用于细胞生产,其细胞生产量也会受限制。为解决该问题,后续研究者采用培养腔室与叉指电极连接,使细胞在培养腔室中进行培养,但该种设计依旧只能测试腔室中贴壁培养的细胞。两种设计都无法进行在膜培养细胞或分子时进行电阻抗测量,且该设计电场强度在两个电极之间的平面为最强、其余空间分布电场强度次之,由于电场分布的不均匀,而细胞生长的平面也不相同,会导致在使用时,会对不在叉指电极平面测量灵敏度较低。与此同时,传统的设计是将辅助电极插入体系中,由于无法固定位置,其测试结果也会因为操作误差,降低准确度。发明内容[0004] 为解决上述技术问题,本发明提供用于电阻抗监测的微流控装置及检测细胞电阻抗的方法。[0005] 具体技术方案如下:[0006] 一种用于电阻抗监测的微流控装置,其不同之处在于,包括:[0007] 芯片本体,所述芯片本体的表面设置有进口与出口;[0008] 与所述开口及与所述进口连通的培养腔室,所述培养腔室设于所述芯片本体的内部,所述培养腔室包括培养腔室内底面且与所述培养腔室底面相对设置的培养腔室内上面;[0009] 设于所述芯片本体内部的叉指电极,所述叉指电极包括叉指电极测试部及叉指电极连接部,所述叉指电极测试部与所述培养腔室的内部空间接触;[0010] 设于所述培养腔室内部的辅助电极;[0011] 设于所述培养腔室内部的隔层,所述隔层由若干根设于所述叉指电极与所述辅助电极之间的隔条组成,所述隔条的一端插入所述叉指电极的相邻的正极与负极之间,所述隔条的另一端与所述辅助电极之间存在空间;[0012] 设于所述培养腔室内部的细胞培养载体,所述细胞培养载体设于所述隔层与所述辅助电极之间。[0013] 进一步,所述细胞培养载体为多孔材料或细胞培养膜或渗透膜或含渗透膜的物质。[0014] 进一步,所述细胞培养载体与所述隔条的另一端连接。[0015] 进一步,所述细胞培养载体为多孔材料或渗透膜或含渗透膜的物质,所述细胞培养载体与所述辅助电极存在空间。[0016] 进一步,所述芯片本体包括可拆卸拼接的上盖体与下盖体,所述上盖体包括所述所述培养腔室内上面,所述下盖体所述包括空腔内底面;所述培养腔室还包括上盖体空腔槽与下盖体空腔槽,所述上盖体空腔槽与所述下盖体空腔槽可拼接成所述培养腔室;所述上盖体空腔槽开设在所述空腔内底面,所述下盖体空腔槽开设在所述空腔内底面;所述进口包括第一进口与第二进口,所述出口包括第一出口与第二出口,所述第一进口与第一出口通过微流通道连通所述上盖体空腔槽,所述第二进口与所述第二出口通过微流通道连通所述下盖体空腔槽。[0017] 进一步,所述辅助电极设置于所述下盖体空腔槽的内部或设置于所述上盖体空腔槽的内部;所述叉指电极设置于所述上盖体空腔槽的内部或设置于所述下盖体空腔槽的内部;所述辅助电极或所述叉指电极不同时设置于所述上盖体空腔槽的内部或者不同时设置于所述下盖体空腔槽的内部。[0018] 进一步,所述细胞培养载体设于所述上盖体与所述下盖体之间。[0019] 进一步,所述进口及所述出口与所述培养腔室均通过微流通道连接;所述电阻抗检测的微流控装置还包括与所述芯片本体连接的鲁道进口与鲁道出口,所述鲁道进口与所述芯片本体连接在开设进口的位置,所述鲁道出口与所述芯片本体连接在所述开设出口的位置。[0020] 进一步,所述培养腔室内上面除开设所述上盖体空腔槽的位置连接有上盖体密封层,所述培养腔室内底面除开设所述下盖体空腔槽的位置连接有下盖体密封层。[0021] 进一步,还包括与所述芯片本体连接的外接部,所述外接部设置在靠近所述叉指电极的位置,所述叉指电极连接部与所述外接部连接;所述芯片本体表面靠近所述辅助电极的位置还开设辅助电极连接口,所述辅助电极连接口与所述辅助电极通过连接通道连接。[0022] 进一步,所述下盖体包括可拆卸连接的基底与下盖体本体,所述基底包括所述空腔内底面;所述用于电阻抗监测的微流控装置还包括与基底连接的外接部,所述叉指电极连接部与所述外接部连接。[0023] 进一步,所述进口包括第一进口与第二进口,所述出口包括第一出口与第二出口,所述第一进口与第一出口通过微流通道连接,所述第二出口与所述第二出口通过微流通道连接。[0024] 一种利用上述的微孔流装置测试细胞电阻抗的方法,其不同之处在于,将细胞种植在所述细胞培养载体,连通叉指电极的相邻正极与负极,测量电阻抗;和/或连通叉指电极的正极与辅助电极,测量电阻抗;或连通叉指电极的负极与辅助电极,测量电阻抗。[0025] 与现有技术相比,本发明的有益效果在于:[0026] (1)采用带有隔条的隔层将叉指电极与细胞培养载体隔离,可在膜培养细胞时进行电阻抗检测,且不影响细胞的生长,可以使细胞在整片细胞培养载体上进行培养,提高细胞生产量,通过电阻抗数据实时监测细胞生长情况;叉指电极产生的电场通过隔条上方可以无障碍的到达细胞培养载体,均匀分布在细胞培养载体的区间,获取生长在细胞培养载体上的细胞数据,提高检测的灵敏度;将辅助电极也集成在芯片本体内,则可以避免后续因为移动测量位置而带来的操作误差,提高准确度;不仅可以获得细胞整体生长的电阻抗,还可以检测到细胞沿细胞培养载体的纵向生长及穿透细胞载体的电阻抗数据,实现三维立体检测;通过对电阻抗数据分析细胞的生长情况和药物的反应。[0027] (2)本发明采用上盖体、下盖体分体式结构,方便拆卸操作。[0028] (3)将辅助电极与叉指电极分别集成在上盖体与下盖体上,便可以采用不同的材料制备,降低工艺难度。[0029] (4)将辅助电极、叉指电极分别安装在上盖体和基底上,不仅后续方便替换、拼接,同时进一步降低了工艺难度,便于批量生产。[0030] (5)将上盖体空腔槽与下盖体空腔槽采用不同微流通道连接,细胞培养载体便可完全将培养腔室隔离出两个不同的空间,通过设计可双面种植细胞或集成分子的细胞培养载体,便可以进行更为复杂的实验。[0031] (6)细胞培养载体为多孔材料或细胞培养膜或渗透膜或含渗透膜的物质,置于上盖体与下盖体之间,便可利用电阻抗测试检测渗透作用。附图说明[0032] 图1为微流控装置的剖视图;[0033] 图2为细胞培养载体、隔层与叉指电极连接后的微观俯视图;[0034] 图3为图2中A的微观剖视图;[0035] 图4为实施例2的微流控装置剖视图;[0036] 图5为实施例3膜细胞培养的电阻抗测试原理图;[0037] 图6为实施例3膜细胞培养的电阻抗测试结果图。[0038] 其中,芯片本体‑1,进口‑101,出口‑102,上盖体‑103,下盖体‑104,辅助电极连接口‑105,基底‑1041,下盖体本体‑1042,培养腔室‑2,空腔内底面‑2a,培养腔室内上面‑2b,上盖体空腔槽‑201,下盖体空腔槽‑202,叉指电极‑3,叉指电极测试部‑301,叉指电极连接部‑302,隔层‑4,隔条‑401,细胞培养载体‑5,外接部‑6,微流通道‑7,辅助电极‑8,连接通道‑9,鲁道进口‑10,鲁道出口‑11,上盖体密封层‑12,下盖体密封层‑13。具体实施方式[0039] 下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明,以使本领域的技术人员更加清楚地理解本发明。[0040] 以下各实施例,仅用于说明本发明,但不止用来限制本发明的范围。基于本发明中的具体实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的情况下,所获得的其他所有实施例,都属于本发明的保护范围。[0041] 在本发明实施例中,若无特殊说明,所有原料组分均为本领域技术人员熟知的市售产品;在本发明实施例中,若未具体指明,所用的技术手段均为本领域技术人员所熟知的常规手段。[0042] 实施例1[0043] 本实施例提供一种用于电阻抗监测的微流控装置,具体结构如图1所示,包括:[0044] 芯片本体1,芯片本体1的表面设置有进口101与出口102。用来放置样品或培养液的培养腔室2,培养腔室2设于芯片本体1的内部,与进口101及出口102连通,培养腔室2包括培养腔室内底面2a且与培养腔室内底面2a相对设置的培养腔室内上面2b。[0045] 叉指电极3,叉指电极3包括叉指电极测试部301及叉指电极连接部302,叉指电极测试部301与培养腔室2的内部空间接触,用来后续检测培养腔室2内的样品,而叉指电极连接部301则是与外部测试仪器连接,在本实施例中,叉指电极3采用本领域常见的正负极交叉的周期性结构进行设计,其相邻正极与负极之间的宽度为10~100μm,每个正极与负极的宽度为10~100μm,为Au电极。[0046] 在培养腔室2的内部的隔层4及细胞培养载体5,隔层4包括若干条隔条401,隔条401的一端置于叉指电极3的缝隙中,另一端与细胞培养载体5连接,在本实施例中,隔条401采用SU8制备,隔条401的高度(隔层的厚度)为10~50μm。[0047] 为降低重复试验的误差,将辅助电极8设置在培养空间内部且细胞培养载体之间存在空间。[0048] 为方便后续操作,在靠近叉指电极连接部302的位置设置于芯片本体1连接的外接部6,然后与叉指电极连接部302连接。[0049] 细胞培养载体5为多孔材料或细胞培养膜或为渗透膜或含渗透膜的物质,若为细胞培养膜或可进行细胞培养的多孔材料时,可为细胞后续进行贴壁培养,在本实施例中,细胞培养载体5为明胶制备的纳米丝网,叉指电极3、隔层4与细胞培养载体4的微观测试图如图2~图3所示。[0050] 为降低微流控芯片的工艺一体制造的难度,本实施例将芯片本体1设计成分体结构,具体包括可拆卸拼接的上盖体103与下盖体104,上盖体104包括所述培养腔室内上面2b,下盖体104包括空腔内底面2a;培养腔室2包括上盖体空腔槽201及下盖体空腔槽201,上盖体空腔槽201与下盖体空腔槽202可拼接成培养腔室;上盖体空腔槽201开设在空腔内上面2b,下盖体空腔槽202开设在空腔内底面2a。[0051] 同时,为满足双面种植或研究渗透交换作用的实验需求,细胞培养载体本实施例的装置还可以在芯片本体1上表面同时开设两个进口101别为第一进口与第二进口;及两个出口102,分别为第一出口及第二出口。第一进口101上盖体空腔槽201及第一出口102通过微流通道连通;第二进口101、下盖体空腔槽202与第二开口102通过微流通道7连通。上盖体空腔槽201的两端各开设一个开口,与微流通道7连接;下盖体空腔槽202的两端各开设一个开口,与微流通道7连接,若只在细胞培养载体的一面进行细胞培养时或集成分子时,便可只需用上盖体空腔槽201填充培养液;若在细胞培养载体5进行双面细胞培养或集成分子时,便可在上盖体空腔槽201与下盖体空腔槽202上通入不同的培养液,此时细胞培养载体5若为均有渗透性的可双面进行种植细胞的培养膜,便可进行复杂的具有渗透的相互作用的研究,如血脑屏障的构建等。[0052] 为便于将辅助电极8与叉指电极3依据使用的实际情况进行不同材料进行替换或化学修饰等处理,将辅助电极8与叉指电极3不同时设计在上盖体空腔槽201与下盖体空腔槽202的内部,而是将分开设计。在本实施例中,辅助电极为Pt电极,将辅助电极8设置于所述上盖体空腔槽201的内部,在本实施例中,辅助电极8与培养腔室内上面2b连接,同时在芯片本体1表面开设与之对应的辅助电极连接口105,辅助电极连接口105与辅助电极8之间由连接通道9连通;将叉指电极测试部3、隔层4及细胞培养载体4均设置下盖体空腔槽202的内部,具体地,叉指电极测试部301与培养腔室内底面2a连接,叉指电极外接部302贯穿芯片本体,其尾端与外接部6连接。[0053] 为进一步方便替换与降低工艺难度,本发明将下盖体104进行进一步的拆分,具体地,下盖体104拆分成依次叠加的基底1041与下盖体本体1042,空腔内底面2a则在基底上,叉指电极测试部301与空腔内底面2a连接;在本实施例中,外接部6与基底1041一体设计,在基底1041相对于下盖体本体1042延伸的位置。[0054] 在本实施例中,芯片本体1连接有鲁道进口10与鲁道出口11,鲁道进口10与芯片本体1连接在开设进口101的位置,鲁道出口11与芯片本体1连接在开设出口102的位置。[0055] 在本实施例中,为提高上盖体103与下盖体104的密封性,培养腔室内上面2b除开设上盖体空腔槽201的位置连接有上盖体密封层12,培养腔室内底面2a除开设下盖体空腔槽202的位置连接有下盖体密封层13,上盖体密封层12与下盖体密封层13均采用软性材料制备。[0056] 实施例2[0057] 本实施例提供一种用于电阻抗监测的微流控装置,具体结构如图4所示,包括:[0058] 芯片本体,芯片本体包括可拆卸拼接的上盖体103与下盖体104,上盖体104包括培养腔室内上面2b,下盖体104包括依次叠加的基底1041与下盖体本体1042,基底包括上空腔内底面2a,培养腔室内上面开设有上盖体空腔槽201,空腔内底面2a开设有下盖体空腔槽202,上盖体空腔槽201与下盖体空腔槽202可拼接成培养腔室,培养腔室内上面2b除开设上盖体空腔槽201的位置连接有上盖体密封层12,培养腔室内底面2a除开设下盖体空腔槽202的位置连接有下盖体密封层13,上盖体密封层12与下盖体密封层13均采用软性材料制备。[0059] 与芯片本体连接的外接部6,外接部6与基底1041一体设计,在基底1041相对于下盖体本体1042延伸的位置。[0060] 芯片本体1上表面同时开设两个进口101别为第一进口与第二进口;及两个出口102,分别为第一出口及第二出口。第一进口101、上盖体空腔槽201及第一出口102通过微流通道7连通;第二进口101、下盖体空腔槽202与第二开口102通过微流通道7连通。具体地,上盖体空腔槽201的两端各开设一个开口,与微流通道7连接;下盖体空腔槽202的两端各开设一个开口,与微流通道7连接。[0061] 与芯片本体连接的叉指电极3,叉指电极包括叉指电极测试部301与叉指电极外接部302,叉指电极测试部301与下盖体空腔槽202处的空腔内底面2a连接,叉指电极外接部302贯穿芯片本体,其尾端与外接部连接。[0062] 隔层4,隔层由若干根隔条401组成,隔条的一端插入叉指电极3的相邻的正极与负极空隙之间,隔条的另一端在下盖体空腔槽202内,整个隔层的高度不超过下盖体空腔槽202的深度。[0063] 设置在上盖体103与下盖体104之间的细胞培养载体5,细胞培养载体为多孔材料或渗透膜或含渗透膜的物质,上盖体103与下盖体104连接后,可固定细胞培养载体5。[0064] 辅助电极8与上盖体空腔槽202处的培养腔室内上面2b连接,同时在芯片本体1表面开设与之对应的辅助电极连接口105,辅助电极连接口105与辅助电极8之间由连接通道9连通。[0065] 实施例3[0066] 本实施例为进一步验证实施例1芯片在细胞生长监测方面的可行性,分别进行以下操作的验证试验:[0067] (1)在未进行nanofibers(纳米丝网)铺设的时,芯片中加入medium(细胞培养液),TM利用美国AnalogDevices公司的第二代模拟发现分析仪(AnalogDiscovery2 )对medium2 6进行了阻抗谱的测试,测试电压设为200mV,频率为10~10Hz,在阻抗谱的测试中连通叉指电极相邻正极与负极,进行三次平行的相邻正负极的电阻抗(IDE),如图5所示,此时电场为叉指电极的正极与相邻的之间的电场;再连通叉指电极正极与辅助电极或连通叉指电极负极与辅助电极进行三次平行的叉指电极相邻正负极之间缝隙的电阻抗(ICE)测试,如图5所示,电场为从正极与辅助电极之间的电场,或者从辅助电极与负极之间的电场。得到图6中medium,ICEwithoutnanofibers与medium,IDEwithoutnanofibers曲线。[0068] (2)测试完毕后将叉指电极清洗干净,再利用静电纺丝技术在叉指电极上沉积了一层纳米丝网。与上述操作一样对表面沉积有纳米纤维的叉指电极进行了medium的IDE和ICE测试,得到图6中medium,ICEwithnanofibers与medium,IDEwithnanofibers曲线。[0069] (3)测试完毕后将SK‑OV‑3细胞种植在纳米纤维上,在培养箱中培养一小时之后,与上述操作一样对表面沉积有纳米纤维和种植有细胞的叉指电极进行了IDE和ICE测试,得到图6中cells,ICEwithnanofibers与cells,IDEwithnanofibers曲线。[0070] 结果显示有纳米纤维的叉指电极的阻抗比没有纳米纤维的阻抗高,但比有细胞的阻抗低。在纳米纤维(或细胞)存在的情况下,IDE测试的阻抗通常高于ICE测试的阻抗,因为进行IDE测试时,叉指电极之间的电流必须跨越正极上方的纳米纤维(或细胞层)与负极上方的纳米纤维(或细胞层),而进行ICE测试时,叉指电极的正极或负极与辅助电极之间的电流只需跨越正极上方的一层纳米纤维(或细胞层)或负极上方的一层纳米纤维(或细胞层)。如果没有纳米纤维(或细胞)存在,IDE测试的阻抗可能比ICE测试的阻抗低,这取决于参与电极之间的有效距离和溶液‑电极的界面性质。[0071] 基于上述,IDE数据可以反应细胞生长的整体情况,而ICE数据不仅一定程度上可以反应细胞整体生长情况,还可以反馈细胞沿细胞培养载体纵向生长的数据,该数据对后续屏障构建,渗透性等研究提供了很好的依据。[0072] 在此有必要指出的是,以上实施例仅限于对本发明的技术方案做进一步的阐述和说明,并不是对本发明的技术方案的进一步的限制,本发明的方法仅为较佳的实施方案,并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

专利地区:法国

专利申请日期:2021-07-26

专利公开日期:2024-06-18

专利公告号:CN113652355B

电话咨询
读内容
搜本页
回顶部