用于药物配伍筛选的集成化微流控芯片、制备方法及应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及微流控芯片技术领域，尤其涉及一种用于药物配伍筛选的集成化微流控芯片、制备方法及应用。
【背景技术】
[0002]面临着21世纪科技发展中提出的众多挑战，分析仪器和分析科学也正经历着带有革命性的重要转折时期，其中一个日益明显的发展趋势就是化学分析设备的微型化、集成化与便携化。于是，为了适应时代发展的需要，微全分析系统(Micro TotalAnalytical System, KTAS)的概念诞生了，这种以芯片为操作平台，以分析化学为理论基础，以微机电加工技术为依托，以微管道网络为结构特征的多学科交叉技术-微流控芯片(Microfluidics)又称芯片实验室(Lab-on_a-Chip，L0C)技术得到了迅猛的发展，它通过化学分析设备的微型化与集成化，可以把生物和化学实验室的一系列功能，如样品制备、反应、混合、分离、分析和检测以及细胞和微生物的培养、观测、分选等基本操作单元集成或基本集成在一块几平方厘米的芯片上，目前，它已成为目前分析仪器发展的重要方向与前沿，并在各研究领域逐步发挥着越来越重要的作用。
[0003]很长时间以来，成本过高、周期过长、成功率低下一直制约着现代药物的筛选和开发，如何迅速地从海量化合物库中筛选出先导化合物，快速地进行临床前毒理筛查，高效地检测临床疾病标记物，从而缩短新药研发周期，降低开发成本，已成为国际制药界一个令人关注的课题。高通量高内涵药物筛选、体外毒理实验等技术因此应运而生并不断发展，各种以全自动和高通量为标签的大型仪器设备也不断面市，但实践表明，这些基于传统新药研发技术体系的局部技术改良或优化并未能实质性地降低新药研发的成本和周期。要解决新药研发的关键技术瓶颈，实质性降低新药研发的周期和成本，需要向传统新药研发体系内引入新概念，从根本上对新药研发流程中的各个主要技术环节进行革新，实现对整个新药研发体系某种程度上的升级，而微流控芯片很可能就是这样一种能够“解决问题”的新兴科学技术。
[0004]得益于现代化的微加工技术(MEMS )和微通道内精细的流体控制技术，微流控芯片应用于药物筛选研究的技术也日趋成熟，并正在影响着整个新药研发的进程。由于具有快速检测分析、试剂消耗量少、灵活可控、信息量大、高通量等诸多优点，该技术可以克服传统药物筛选的限制，显著缩短整个药物筛选周期。
[0005]微流控芯片在解决创新药物研发成本过高、周期过长等关键问题，革新传统创新药物研发体系等方面，显示了极大的发展潜力。目前，微流控芯片技术用于药物研究方面已见诸报道，比如Andreas等制作了一种多参数具有微生理机能测试功能的芯片来检测人T98G脑瘤细胞的新陈代谢产物，该芯片包含有微型化学生物传感器，并集成有镀了铂和铱氧化物薄膜的微电极，整套系统能保持长期的稳定性，不仅可以对细胞进行长期培养，同时还能对细胞代谢产物的多种指标进行定量的检测；Wang等设计了多层次的24X24橡胶阵列式微流控高通量筛选芯片，培养并用荧光标记哺乳动物细胞，然后利用3种不同细胞(BALB/3T3细胞、HeLa细胞、牛内皮细胞)筛选了洋地黄皂苷、皂角苷、丙烯醛等毒性物质，在荧光显微镜下观察药物与细胞相互作用，测试了毒性物质对细胞的形态和生存能力的影响，实验提供了一种高密度平行的药物筛选方法。
[0006]目前，关于大规模集成微阀、通过操纵微阀进行药物筛选的微流控芯片的研究还并不多见，而这种能充分体现出集成化与灵活性优势的技术正是微流控芯片在细胞高通量药物筛选研究领域的一个十分热门的发展趋势，但由于其加工制作的复杂性、操作的繁琐性及需要多学科知识的交叉融合，又使得许多研究者对此类集成有微阀的药物筛选芯片望而却步，导致了集成有微阀的药物筛选微流控芯片一直无法大规模应用于细胞水平药物筛选。基于此现状，亟需开发一种加工难度相对较低、集成化、操作灵活且功能强大的药物配伍筛选微流控芯片，以解决该研究领域的一些关键和难点问题。
【发明内容】
[0007]针对上述问题，本发明提供一种集成化多功能的微流控芯片、制备方法及应用，通过气动微阀实现对细胞和微流体进行操控，并应用于高通量药物配伍关系研究。
[0008]为实现本发明的上述目的，本发明提供一种用于药物配伍筛选的集成化微流控芯片，从上至下依次包括:微阀控制通道层、流体通道层及玻璃基底层；所述流体通道层与微阀控制通道层通过PDMS热键合构成流体通道单元，所述流体通道单元与玻璃基底层通过等离子键合成一体。
[0009]所述流体通道单元包括两个功能区，分别为:药物混合生成区与阵列式细胞培养区。
[0010]所述药物混合生成区包括:混合腔、与混合腔连通的连接通道、与混合腔连通的药液注入通道、及与混合腔连通的第一废液排出通道；所述药液注入通道设有若干组进样孔，分别作为培养液入口、对照药物入口、待测药物入口。
[0011]所述阵列式细胞培养区包括:细胞注入主通道、若干并列排布的细胞培养单元、及第二废液排出通道；所述每一细胞培养单元通过支路微通道与细胞注入主通道相互并联连通，所述细胞培养单元由若干个细胞培养腔通过支路微通道相互串联组成一列，所述支路微通道的末端为弯曲流道，所述每一弯曲流道均与第二废液排出通道相互连通；所述细胞注入主通道的末端设有细胞入口与废液排出口。
[0012]所述药物混合生成区的药液注入通道与阵列式细胞培养区的细胞注入主通道相互连通。
[0013]所述流体通道单元包括三组控制微阀，分别为:第一微阀组、第二微阀组、及第三微阀组；所述第一微阀组、第二微阀组、及第三微阀组均为气动控制微阀组；所述三组控制微阀的结构均是由微阀控制通道层的PDMS与流体通道层的PDMS薄膜构成密闭的空腔，并分别与压力施加装置相连。
[0014]所述第一微阀组包括七个控制微阀，均为气动微阀；所述第二微阀组包括八个控制微阀，为五个气动微阀与由三个相邻的气动微阀组成的蠕动微阀组；所述第三微阀组包括九个控制微阀，均为气动微阀。
[0015]所述药液注入通道的宽为200 μπι，混合腔由四个3X2.4mm的倒角矩形组成，连接通道宽为200 μπι，第一废液排出通道宽为300 μπι;所述细胞培养腔为椭圆形，尺寸为I X 1.2mm，所述弯曲流道为“S”型，宽度为150 μ m，所述细胞注入主通道、第二废液排出通道的宽均为300 μ m，所述支路微通道的宽为200 μ m。
[0016]所述控制微阀的通道的宽窄不一致，在需要实现开关作用处宽为400 μπι，在不需要控制作用处80 μm，在其余连接处宽为200 μπι。
[0017]所述芯片的压力施加装置为注射器、微量注射栗或本实验室自行研制的气动微阀微栗控制装置。
[0018]本发明还提供一种用于药物配伍筛选的集成化微流控芯片的制备方法，包括如下步骤。
[0019]步骤一、单晶硅片的清洗:将切割的单晶硅片放入piranha溶液(浓H2S04:H202=3:1，体积比)浸泡过夜，取出，分别用丙酮、无水乙醇和去离子水清洗后，放在加热板上150°C烘干20min。
[0020]步骤二、AZ正胶硅片阳膜制作:取步骤I中清洗干净的硅片，放入匀胶机以3500rpm的速度在娃片上旋涂牺牲层(SU-8胶:环戊酮=1: 1，体积比)，95°C加热30min前烘，然后置于光刻机上曝光2min，冷却后，在牺牲层上以100rpm的速度旋涂AZ-XT50光刻胶，静置后置于烘胶台上，程序升温进行前烘，之后将硅片与掩膜接触，移至光刻机曝光6min，再浸入显影液中显影15min，即得到带有流体层通道图案的光刻胶阳膜；最后将光刻胶阳膜放置在加热板上程序升温至190°C并保持4h，即得。
[0021]步骤三、SU-8硅片阳模制作:取步骤I中清洗干净的硅片，置于匀胶机上以2800rpm的转速匀涂SU-8光刻胶40s，常温静置lOmin，然后置于烘胶台上加热至95°C，并在95°C下保持30min以进行前烘；缓慢降至室温后，将涂覆有光刻胶的硅片移至光刻机，与掩膜接触后曝光2min，曝光后的硅片95°C加热15min，对其进行热处理(中烘)，冷却至室温后将其浸入配套显影液中显影8min，得到带有阀控层图案结构且厚度约为90 μπι的光刻胶阳膜，最后将阳膜在115°C环境下加热30min以完成坚膜