专利名称：能利用机械刺激检测干细胞分化最优条件的细胞芯片和自动控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种能够测试将千细胞，特别是间充质千细胞分化成骨和软骨的机械刺激条件的细胞芯片，以及所述细胞芯片可以可分离地固定到及应用到的自动细胞芯片控制系统。更具体地说，本发明涉及一种细胞芯片及其控制系统，它们能够通过在单次实验中反映不同的实验条件而快速并准确地检测干细胞分化的最优条件。
背景技术：
随着对使未分化的干细胞增殖并生长以获得足够数量的细胞的研究的推进，已进行了各种尝试以分化特定的细胞从而再生并取代各种受伤的组织或器官。特别地，已经提出了各种方法用于开发使用未分化的干细胞，如间充质干细胞而不受伦理争议及免疫应答影响的成年干细胞分化技术。
在特定的分化环境下，骨髓中的间充质干细胞具有优秀的增殖能力以及分化成不同的组织，例如分化为骨、软骨、肌肉、脂肪、腱、韧带以及神经组织的潜力。骨/软骨分化是使用干细胞的组织工程和分化研究的最先进的领域。
为了将干细胞分化为骨/软骨，已使用了生化分化诱导方法，在该方法中改变培养基的组分及/或使用不同的分化诱导物，例如转化生长因子
(TGF)、骨形态发生蛋白(bone morphogenic protein, BMP )、成纤维细胞生长因子(FGF)、胰岛素样生长因子(IGF)，细胞因子以及类似分化诱导物。最近，几个研究组已经开始研究由于各种机械因素，例如体液(bodilyfluid)所施加的剪切力、各种负荷(load)或外力所施加的压力、张力、外力所施加的变形力、细胞外基质的弹性变化等引起的干细胞分化。尽管与使用机械刺激将干细胞分化成骨/软骨细胞的过程的精确途径有关的理论还没有建立，但最近的研究已显示在使干细胞经受不同的刺激，例如经受静水压、动态压力、细胞变形、张力、液压压力与流动、电
动力、对流、超声波等后，骨/软骨细胞分化标记，例如Sox9、胶原、GAGs和聚集蛋白聚糖的蛋白质合成与表达增加，而抗分化因子(anti-differentiation factor ) IL-1的表达^皮抑制。
由于使用机械刺激的常规干细胞分化实验涉及细胞在培养皿中重复的培养与分化，这是昂贵的且很费力。也就是说，为了观测干细胞在不同机械条件下的变化，需要有大量的细胞、重复的细胞培养、用于每次实验的新的培养基、大的实验室以及昂贵的试剂和培养基。
因此，为了改善人工细胞培养与机械刺激实验，需要一种使用不同的机构和微加工(micromachining)技术的新的装置和系统。特别地，最近提出的用于利用机械刺激的干细胞分化实验的基于气动压力的细胞芯片使用微机电系统(MEMS )技术以减少污染的相克率，实现超细且轻质的结构，并使用透明材料而允许目测。
然而，用于利用机械刺激的干细胞分化实验的常规仪器仍需要单独的实验用于每次的机械刺激，这增加了成本及工作量。另外，这些仪器仍需要人工施加机械刺激以及更换培养基以操作单个的芯片
发明内容
技术问题
为了解决前述问题及/或其他问题，本发明的一个目的是提供一种细胞芯片，其能够用不同的机械刺激同时进行实验以检测干细胞分化的最优条件。
另外，本发明的另一个目的是提供一种细胞芯片控制系统，其能够自动施加机械刺激并更换培养基，以检测干细胞分化的最优条件，并且使用集成在各细胞芯片内的压力传感器和安装在系统中的荧光显微镜实时测量刺激的大小和干细胞的分化步骤。技术方案
为实现上面的目的，根据本发明的一个方面，提供了一种用于细胞分
化实验的细胞芯片，所述细胞芯片包括用于储存细胞和培养基的多个细胞室；用于将细胞和培养基传送到相应的细胞室的细胞和培养基注入口 ；用于将注入到所述细胞和培养基注入口的细胞和培养基移动到所述细胞室的细道(fine passage );用于注入施加到所述细胞室的气动压力的气动注入口 ( pneumatic injection port );以及用于将通过所述气动注入口注入的气动压力传送到相应的细胞室的具有圓形膜的孔，其中，所述孔中的至少两个孔具有不同的面积，以使施加到相应的细胞室的气动压力的大小不同。
优选地，所述多个细胞室设置在围绕气动注入口的多个同心圓上。
优选地，所述细胞芯片进一步包括设置在所述细胞室的下表面并感测所述细胞室的压力的压力传感器，其中所述细胞室的下表面是与设置在气动压力被施加到所述细胞室的方向上的表面相对的表面。
优选地，压力传感器可包括由氧化铟锡(ITO)形成的第一电极，该第一电极以与细胞室相同的布置(arrangement)进行设置，并安装在相应的细胞室的下表面上；由ITO形成并与相应的第一电极相对设置的第二电极；以及设置在所述第 一 电极和第二电极之间的间隙。
优选地，所述孔可依赖于相应的细胞室距气动注入口的距离而具有不同的面,只。
优选地，所述细胞芯片可进一步包括用于调整所述细道和所述细胞室之间的流体流动的微阀装置(micro-valve device )。这里，所述微阀装置可包括用于注入微阀气动压力的微阀气动注入口 ；设置成与相应的细胞室之间的细道接触并响应于微阀气动压力而收缩或扩张的气动室；以及设置在各相应的细胞室和细道之间并连接到相应的气动室以响应于相应气动室的收缩或扩张而^皮打开或关闭的阀突起部分(valve boss )。
优选地，所述细胞芯片可进一步包括用于注入标记或染料以观测细胞室中的细胞状态和分化过程的标记和染料注入口 ( marker and dye injectionport);以及连接在标记和染料注入口之间并且起所述标记或染料到细胞室的移动通道(movingpassage )作用的细道。这里，所述微阀装置可包括用于注入被用来调整细胞室和细道之间的培养基的流量的第一微阀气动压力的第 一孩i阀气动注入口 ；用于注入^^皮用来调整细l包室和细道之间的标记或染料的流量的第二微阀气动压力的第二微阀气动注入口 ；设置成与相应的细胞室之间的细道4妾触并响应于第 一《鼓阀气动压力而收缩和扩张的第一气动室；设置成与用于标记或染料的各相应细道接触并响应于第二微阀气动压力而收缩和扩张的第二气动室；设置在各相应的细胞室和细道之间并连接到相应的第 一 气动室以响应于相应的第 一气动室的收缩或扩张而被打开或关闭的第一阀突起部分；以及设置在各相应的细胞室和用于标记或染料的细道之间并连4妄到相应的第二气动室以响应于相应的第二气动室的收缩或扩张而被打开或关闭的第二阀突起部分。
根据本发明的另 一个方面，提供了 一种用于细胞分化实验的细胞芯片，所述细胞芯片包括上基片，其由玻璃形成并包括气动注入口、细胞和培养基注入口以及标记和染料注入口 ，所述气动注入口用于通过其注入对细胞施加机械刺激的气动压力，所述细胞和培养基注入口用于通过其注入细胞和培养基，而所述标记和染料注入口用于通过其注入目测细胞状态的标记或染料；衬垫(gasket)，其设置成与所述上基片接触并形成储存从气动注入口引入的空气的气室；聚合物基片，其包括细胞室、第一细道、第二细道以及微阀装置，所述细胞室用于培养细胞，所述第一细道用于将通过细胞和培养基注入口注入的细胞和培养基移动到细胞室，所述第二细道用于将通过标记和染料注入口注入的标记或染料移动到细胞室，而所述微阀装置用于控制所述细道和所述细胞室之间的流体流动；多孔基片，其设置在所述村垫和所述聚合物基片之间，并具有不同的面积以使施加到相应的细胞室的气动压力的大小不同；聚合物薄膜，其由弹性聚合物材料形成，并设置在所述多孔基片和所述聚合物基片之间以隔开所述气室和所述细胞室，并对所述细胞室施加气动压力；玻璃薄膜，其具有与聚合物基片接触的一个表面以及上面设置了第 一 电极的另 一个表面，位于细胞室的下部以感测细^9包室的压力；下基片，其具有在与相应的第一电^i目对的一个表面上安装的第二电极；以及支撑结构，其设置在所述玻璃薄膜和所述下基片之间，并提供第一电极和第二电极之间的间隙。根据本发明的又一方面，提供了一种细胞芯片控制系统，其用于向细胞芯片提供气动压力、细胞、培养基或类似物，以及观测并测量所述细胞芯片中细胞的状态和分化。
优选地，所述细胞芯片控制系统可包括X-Y台(X-Y stage),所述X-Y台具有其上安装细胞芯片的安装部分，并响应于第一位置信号而在第一方向上移动或旋转所述安装部分；Z台，所述Z台依赖于第二位置信号而在第二方向上移动，并将用于向细胞芯片提供气动压力、细胞和培养基的连接管连接到相应于细胞芯片的注入口 ；气动阀，所述气动阀用于响应于第一控制信号而改变向相应的连接管提供的气动压力的大小和提供时间(supply duration);注射泵，所述注射泵用于响应于第二控制信号而向相应的连接管提供细胞和培养基；测量电路，所述测量电路用于向所述细胞芯片提供细胞、培养基和气动压力，并在任意时间之后测量所述细胞芯片的细胞室的压力；以及微机，所述微机用于产生所述第一位置信号、所述第二位置信号和所述控制信号，并从所述测量电鴻"接收测量值以将该值通过输入/输出装置传输乡会使用者。
优选地，所述细胞芯片控制系统可进一步包括荧光显微镜，所述菱光显微镜设置在安装部分的上部或下部，并允许利用标记或染料来目测细胞芯片的细胞室中的细胞。
有益效果
从前述内容可以看出，依据本发明的示例性的实施方式的细胞芯片及其控制系统使不同刺激条件下，例如施加具有不同大小、周期、频率、间隔以及占空比的机械刺激的条件下的干细胞分化实验能够在单一的气动压力下同时进行。因此，所述细胞芯片和控制系统能节约千细胞，并减少实-验时间。
另外，本发明提供能够使用集成的微阀系统自动注入并更换细胞和培养基的细胞芯片及其控制系统。
另外，可使用集成在各细胞芯片内的压力传感器和安装在系统中的荧光显微镜来测量刺激的大小，并可实时地观测细胞分化的步骤。
才艮据下列结合附图的详细的描述，本发明的上述以及其他目的、特征
以及优点将变得更加明显，附图中
图1是依据本发明的示例性的实施方式的细胞芯片的透视图； 图2是图1的细胞芯片的透视图，细胞芯片的一半已被去除； 图3是沿图2的线A-A'截取的截面图4是显示用于控制依据本发明的示例性的实施方式的细胞芯片中的 流体的《敬阀系统的平面图5显示了示出图1的细胞芯片的制造过程的截面图6和图7是依据本发明的示例性的实施方式的细胞芯片控制系统的 透视图及放大的视图，其中图1的细胞芯片可分离地固定以自动注入细胞， 提供培养基，施加机械刺激，控制微阀系统，并注入标记/染料；
图8是显示图6和图7的系统的内部结构以及操作的方块图；以及
图9是显示图8的测量与信号处理电路的结构与操作的视图。
发明模式
为了充分地理解本发明操作上的优点以及由本发明实现的目标，读者 应参考描绘了本发明的示例性的实施方式的附图。
现将参考附图详细描述本发明的示例性的实施方式。所有附图及描述 中的同样的参考数字标示同样的元件。
图1是依据本发明的示例性的实施方式的细胞芯片的透视图。
参考图1，依据本发明的示例性的实施方式的细胞芯片30包括气动注 入口 9、细胞和培养基注入口 16a、细道11和细胞室12。依据本发明的示 例性的实施方式的细胞芯片30将通过细胞和培养基注入口 16a注入的细胞 和培养基通过细道11传送到细胞室12中，并通过气动注入口 9对设置于细胞室12中的干细胞施加刺激，以纟企测干细胞的分化条件。为了观测细
胞室中由刺激引起的干细胞分化，细胞芯片30可进一步包括标记/染料注 入口 16b,标记或染料通过该注入口 16b注入。
依据本发明的示例性的实施方式的细胞芯片30包括多个细胞室。图1 显示细胞芯片30所具有的结构中设置了尺寸相等且距气动注入口 9的中 心的同心距离相等的二十四个细胞室12。另外，图1显示细胞芯片30具 有八个单独的单元UNIT，所述单元中的每一个都包括共用细道11的三个 细胞室12。
然而，单独的单元UNIT中包含的细胞室12的数量不受限制。依赖于 机械刺激条件及实验环境，细胞室12的数量可以不同于图1的细胞芯片 30的细胞室12的数量。
可对单独的单元UNIT中包含的三个细胞室施加不同的压力。这可通 过改变用于将注入到气动注入口 9中的空气传送到细胞室的孔17的尺寸 或距气动注入口 9的距离而实现，如将在下面所描述的。
图1的细胞芯片30可包括1至8八层，且各层可由光学上可观测的 (optically-observable)、生物相容性玻璃或聚合物形成。依据本发明的示例 性的实施方式的细胞芯片30中使用的聚合物一般可以是聚二甲基硅氧烷 (PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚酰亚胺等。
图2是图1的细胞芯片的透视图，细胞芯片的一半已被去除，而图3 是沿图2的线A-A，截取的截面图。依据本发明的示例性的实施方式的细胞 芯片30的层的结构与功能将参考图1、图2和图3来描述。
含有气动注入口 9的上基片1由玻璃材料形成。上基片1也起细胞芯 片30的覆盖层的作用。
聚合物村垫2具有用于储存从气动注入口 9 (沿实线箭头)引入的空 气的气室10。本发明中，细胞芯片30的衬垫2可以是具有圓形腔的几毫 米的聚合物层，以使得用于刺激细胞的气动压力可以均匀地传播。
多孔基片3包括尺寸不同的孔17以便从单独的气动源9对不同的细 胞室12施加不同的压力。特别地，图3显示的孔17a、 17b和17c直径不同，以便在具有某一厚度的薄膜4上产生弹力差异，从而对细胞室施加不 同的压力。
这里，为了使对干细胞13施加的机械刺激条件的差异最大化，与图3 中显示的孔不同，气动注入口 9附近的孔17a可具有较大的直径。
聚合物薄膜4隔开气室10与细胞室。这里，聚合物薄膜4可由柔性 聚合物材料形成以对细胞室12施加压力。
聚合物基片5包括作为培养细胞的空间的细胞室12、用于在实验的开 始注入干细胞并周期性地改变培养基的细道11,以及微阀(18a和18e) 系统。
图4是显示用于控制依据本发明的示例性的实施方式的细胞芯片中的 流体的微阀系统的平面图。
参考图1至4，依据本发明的示例性的实施方式的细胞芯片30中包含 的微阀系统可包括微阀，所述微阀始终是关闭的。将描述依据本发明的示 例性的实施方式的细胞芯片30中包含的微阀系统的操作。
在细胞或流体注入后，反压(backpressure)(真空压力)被施加到微 阀气动室18a和18c。在这种情况下，由于收缩的微阀而使用气动室18a 和18c封闭细道11的阀突起部分18e被升高以允许细道11中的流体流过 细胞室12。
同时，在对千细胞施加机械刺激的实验中，气动压力被注入到微阀室 18a和18c中，以扩张4鼓阀气动室18a和18c。因此，当对细胞室12施加 压力以在细胞室12关闭的状态下进行刺激实验时，可借助扩张的微阀气 动室18a和18c防止细道11与细月包室12之间的流体流动。
这里，微阀气动室18a和18c分类成用于将细胞或培养基注入到细胞 室12中的第一气动室18a，以及用于将标记或染料注入到细胞室12中的 第二气动室18c。另外，依据本发明的示例性的实施方式的微阀系统可分 别包括用于对第一气动室18a施加气动压力或反压的第一微阀气动注入口 18b，以及用于对第二气动室18c施加气动压力或反压的第二微阀气动注入 口 18c。接下来将描述集成在本发明的细胞芯片30内以测量依赖于孔17的尺 寸而施加到细胞室12的压力的压力传感器的结构与操作。
参考图1、图2及图3,压力传感器包括玻璃薄膜6、下基片8以及设 置在玻璃薄膜6与下基片8之间的支撑结构7。玻璃薄膜6的一个表面与 细胞室12接触，而另一表面包括压力传感器的上电极15a。压力传感器的 下电极15b可安装在下基片8上，如图3中所示。
支撑结构7保持下电极15b与上电极15a之间几微米的间隔，以使得 压力传感器可被操作。下电极15b和上电极15a的孔隙(pore ) 14之间的 间隙可根据施加到细胞室的压力而变化。因此，上电极与下电极之间的感 测间隙的电容可依赖于细胞室的压力。
依据本发明的示例性的实施方式的压力传感器的电极是透明氧化铟 锡电极，且可具有与细胞室12相同的布置。透明电极的使用使得光学观 测很容易。
如上所述，依据本发明的示例性的实施方式的细胞芯片可对单一的气 动压力下的多个细胞室施加不同大小的机械刺激，以同时进行不同的刺激 条件下的干细胞分化实验。这能节约干细胞并减少实验时间。另外，依据 本发明的示例性的实施方式的细胞芯片包括与之集成作为单一体(single body)的压力传感器，以便能够精确且方便地测量依赖于孔的尺寸而施加在 细胞室中的压力。
图5显示了图1的细胞芯片的制造过程的截面图。将参考图1、图2、 图3及图5描述利用微加工过程制造依据本发明的示例性的实施方式的细 胞芯片30的方法。
上基片1包括气动注入口 9、细胞和培养基注入口 16a、标记和染料注 入口 16b、第一微阀气动注入口 i8b以及第二微阀气动注入口 i8d。多孔 基片3具有不同的孔17。通过使用喷砂法(sand blasting method)加工玻 璃基片来制造上基片1和多孔基片3 (见图5 (a)和(c))。
包括村垫2、细胞室12和微阀系统18的聚合物基片5可通过使用光 刻胶例如厚的负性光刻胶(例如SU-8、 JSR等)的PDMS标准成型过程
14(b )、 (d)及(e))。
压力传感器的上电极和下电极15a和15b通过使用溅射方法(sputter) 在3皮璃基片6和8上沉积透明氧化铟锡(ITO)，并通过4吏用光刻胶例如 AZ1512的光刻以及金属蚀刻进行图案化来制造(见图5 (f)和(g) -1 ))。 支撑结构7通过使用适于间隙形成的光刻胶(例如AZ4620)旋涂(spin coating)并图案化来制造(见图5 (g) -2))。接下来，压力传感器通过电 极结合(electrode bonding)而制造(见图5 (h))。
按照上面的描述而制造的层通过氧等离子体处理而表面活化，随后结 合到一起。在等离子体结合(plasma bonding)后，所述层在烘炉中75°C 下，烘烤24小时以永久地相互结合(见图5(i)及(j))。在结合所有层后， 细胞芯片30的侧面用粘合剂，例如环氧树脂(epoxy)来加固，并随后干 燥以加强各层的粘附，由此防止水和气动压力从结合较差的部分渗漏。
依据本发明的示例性的实施方式的细胞芯片可选地通过结合固体玻 璃与柔性聚合物基片来制造，以最小化由于气动压力引起的变形。因为图 5的细胞芯片制造过程中使用的材料和制造方法对于本领域技术人员来说 是公知的，所以省略了对其的描述。
图6和图7是依据本发明的示例性的实施方式的细胞芯片控制系统的 透视图及放大的视图，其中图1的细胞芯片被可分离地固定以自动注入细 胞，提供培养基，施加机械刺激，控制微阀系统，和注入标记/染料。图8 是显示图6和图7的系统的内部结构以及操作的方块图。将参考图6、图 7及图8描述依据本发明的示例性的实施方式的细胞芯片控制系统500的 结构与操作。
首先，图1的细胞芯片30安装在安装部分21a上。所安装的细胞芯片 30被定位在已在X-Y台21中程序化的初始位置，所述X-Y台21能够在 X-Y轴方向上移动或旋转安装部分21a (见图4 )。细胞芯片所安装的初始 位置应该精确地设置，以用于将几十个连接管耦合到超小的细胞芯片及用 于观测多个细胞室中细胞的状态。在安装细胞芯片30时，为了最小化来自外界的污染或感染，可放低 透明滑动盖23以使细胞芯片30与外界密封。
在所安装的细胞芯片30的上方，用于提供细胞和培养基或操作微阀 系统的连接管20b以及用于向细胞提供气动压力的连接管20a在Z轴方向 上移动通过Z轴台，以连4妻到细胞芯片30的注入口 9、 16a、 18b和18d (见图1至4)。
接下来，当将反压(真空)施加到第一微阀气动注入口 18b时，封闭 细胞室12的阀突起部分18e (见图3 )被打开，而与培养基混合的干细胞 12 (见图3)通过注射泵630而注入。然后，细胞芯片的状态如上所述被 保持一段特定的时间，以使得干细胞沉淀在细胞室12的底部上。实验上 发现，注入到细胞室中的千细胞在约12小时后沉淀在底部上。
在检查完细胞是否已经沉淀后，可通过触摸屏22来输入期望的机械 刺激大小、间隔、频率、周期以及占空比。如图8所示，微机660依赖于 输入值将控制信号XCON传输到高速电磁气动阀(solenoid pneumatic valve )620。电磁气动阀620响应于控制信号XCON来执行开/关(ON/OFF) 操作，以使得使用者可以对细胞芯片30的气室10施加具有期望的周期、 间隔、频率以及占空比的气动压力。
此时，用于机械刺激的气动压力PRE1和用于微阀的气动压力PRE2 可通过使用相应的调节器REG1或REG2 (例如，降低氮气压力)来调节 从氮气储罐610排出的氮气而被提供给电磁气动阀620。
图8的组件可安装在图6的框架24中。然而，几个组件例如氮气储 罐610由于其体积庞大而可安装在框架24的外部。
当气动压力如上所述被传送到细胞芯片时，压力传感器感测相应细胞 室的压力，而测量与信号处理电路670接收所测量到的阀(valve )，并将 该阀转换成数字阀以将其传输给微机660。微机660可以将各细胞室的压 力输出到触摸屏22。
图9是显示图8的测量与信号处理电路的结构与操作的视图。参考图8和9,由压力传感器的上电极和下电极形成的可变电容器的 电容可称为C。图9的电荷耦合器AMP将电容C的变化转换为电压的变 化。此时，转换灵敏度依赖于反馈电容器的电容Cf。当Cf的大小小于C 的变化量时，由于电容器可以容易地饱和而不能适当地使用， 一般可选择 并使用电容比C的变化量大几十到几百倍的电容器。反馈电阻Rf产生偏 压电流，并在低频下高于传感器阻抗。
当电容变化转换成电压时，由于信号很小，緩沖器/放大器672起作用 以放大信号。载波以及转换的测量信号在要补偿的乘法器678中叠加以保 留变化值，最后只通过滤波器674和放大器676来检测需要的信号。
然而，因为压力传感器的电极15a和15b(见图3)具有几毫米的直径， 且由于细胞室的压力的微小变化引起的电容变化小于几飞法到几十飞法 fF，由压力传感器感测到的信号SVAL对于噪声十分敏感。因此，本发明 使用载波信号，通过滤波器674过滤，并通过放大器676的放大来进行振 幅调制(AM)和解调制，以最小化噪声并精确地;险测细胞室中压力的测 量值DTA2。这里，载波信号可由波形发生电路680来提供。
回到图8，依据本发明的示例性的实施方式的细胞芯片控制系统可在 一周到一个月内进行刺激实验，并每天或每周储存细胞增殖和分化图像。 必要时，细胞的分化可通过打开或关闭各细胞室的单独的微阀，并随后使 用注射泵注入荧光标记例如CD90、 CD105、 CD29或肌动蛋白以及染料例 如碱性磷酸酶(ALP)或茜素红，以便染色骨分化的特征成分Ca来观测。
细胞芯片30中的细胞状态和变化可使用安装在图6的X-Y台21的下 部上的显微镜640来观测。为了每次都观测各细胞室的细胞状态，X-Y台 21可将细胞芯片移动至由微机660程序化的X-Y位置，并精确地旋转细 胞芯片 一特定的角度以在同心的角间隔处观测细胞。
通过荧光显微镜640所观测的实验数据DTA1可传输到微机660。如 上所述，微机660可进行各种实验控制，通过外部显示装置22显示实验 结果，或从使用者接收实验条件等等。微机660可从电源650接收电能并 操作。使用者可分析实验期间测量到的压力和细胞分化的图像数据以确定 机械刺激的大小、间隔、频率、周期、占空比、干细胞的骨分化与钙生成 之间的关系，由此找到最优刺激条件。
尽管已经参考本发明的示例性的实施方式对其进行了描述，但是对发 明所属的领域中的普通技术人员来说明显的是，可对描述的实施方式作出 更改而不偏离如所附的权利要求及其等效的权利要求所界定的本发明的 精神及范围。
权利要求
1.一种用于细胞分化实验的细胞芯片，所述细胞芯片包括多个细胞室，其用于储存细胞和培养基；细胞和培养基注入口，其用于将所述细胞和所述培养基传送到相应的细胞室；细道，其用于将注入到所述细胞和培养基注入口的细胞和培养基移动到所述细胞室；气动注入口，其用于注入施加到所述细胞室的气动压力；以及孔，其具有圆形膜，用于将通过所述气动注入口注入的气动压力传送到相应的细胞室，其中，所述孔中的至少两个孔具有不同的面积，以使施加到相应的细胞室的气动压力的大小不同。
2. 如权利要求1所述的细胞芯片，其中所述多个细胞室设置在围绕所 述气动注入口的多个同心圓上。
3. 如权利要求1所述的细胞芯片，其进一步包括压力传感器，其设置在所述细胞室的下表面，并感测所述细胞室的压力，其中，所述细胞室的所述下表面是与设置在气动压力被施加到所述细 胞室的方向上的表面相对的表面。
4. 如权利要求3所述的细胞芯片，其中所述压力传感器包括第一电极，其由氧化铟锡(ITO)形成，以与所述细胞室相同的布置 进行设置，并安装在相应的细胞室的下表面上；第二电极，其由ITO形成，并与相应的第一电极相对设置；以及间隙，其设置在所述第一电极和所述第二电极之间。
5. 如权利要求1所述的细胞芯片，其中，所述孔根据所述相应的细胞室距气动注入口的距离而具有不同 的面积。
6. 如权利要求1所述的细胞芯片，其进一步包括 微阀装置，其用于调整所述细道和所述细胞室之间的流体流动。
7. 如权利要求6所述的细胞芯片，其中所述微阀装置包括 微阀气动注入口，其用于注入微阀气动压力；气动室，其设置成与相应的细胞室之间的细道接触，并响应于所述微 阀气动压力而收缩或扩张；以及阀突起部分，其设置在各相应的细胞室和细道之间，并连接到相应的 气动室以响应于所述相应的气动室的收缩或扩张而纟皮打开或关闭。
8. 如权利要求1所述的细胞芯片，其进一步包括标记和染料注入口 ，其用于注入标记或染料以观测所述细胞室中的细 胞状态和分化过程；以及细道，其连接在所述标记和染料注入口之间，并起标记或染料到所述 细胞室的移动通道的作用。
9. 如权利要求8所述的细胞芯片，其进一步包括微阀装置，其用于调整所述细道和所述细胞室之间的流体流动， 其中，所述微阀装置包括第一微阀气动注入口 ，其用于注入被用来调整所述细胞室和所述细道 之间的培养基的流量的第 一微阀气动压力；第二微阀气动注入口 ，其用于注入被用来调整所述细胞室和所述细道 之间的标记或染料的流量的第二微阀气动压力；第一气动室，其设置成与相应的细胞室之间的细道接触，并响应于所 述第 一微阀气动压力而收缩和扩张；第二气动室，其设置成与用于标记或染料的各相应的细道接触，并响应于所述第二微阀气动压力而收缩和扩张；第一阀突起部分，其设置在各相应的细胞室和细道之间，并连接到相 应的第 一气动室，以响应于所述相应的第 一气动室的收缩或扩张而^f皮打开或关闭；以及第二阀突起部分，其设置在各相应的细胞室和用于标记或染料的细道 之间，并连接到相应的第二气动室，以响应于所述相应的第二气动室的收 缩或扩张而纟皮打开或关闭。
10. —种细胞芯片控制系统，在所述细胞芯片控制系统上安装有根据 权利要求1所迷的细胞芯片，所述细胞芯片控制系统用于向所述细胞芯片 提供气动压力、细胞或培养基，以及观测并测量所述细胞芯片中细胞的状 态和分化。
11. 如权利要求10所述的细胞芯片控制系统，其包括X-Y台，其具有上面安装了细胞芯片的安装部分，并响应于第一位置 信号而在第一方向上移动或旋转所述安装部分；Z台，其依赖于第二位置信号而在第二方向上移动，并将用于向所述 细胞芯片提供气动压力、细胞和培养基的连接管连接到相应于所迷细胞芯 片的注入口；气动阀，其用于响应于第一控制信号而改变向相应的连接管提供的气 动压力的大小和提供时间；注射泵，其用于响应于第二控制信号而向所述相应的连接管提供细胞和培养基；测量电路，其用于向所述细胞芯片提供细胞、培养基和气动压力，并在任意时间之后测量所述细胞芯片的所述细胞室的压力；以及微机，其用于产生所述第一位置信号、所述第二位置信号和控制信号， 并从所述测量电路接收测量值以将该值通过输入/输出装置传输给使用者。
12. 如权利要求11所述的细胞芯片控制系统，其进一步包括荧光显微镜，其设置在所述安装部分的上部或下部，并允许利用标记 或染料来目测细胞芯片的细胞室中的细胞。
13. —种用于细胞分化实验的细胞芯片，所述细胞芯片包括上基片，其由玻璃材料形成，并包括气动注入口、细胞和培养基注入 口以及标记和染料注入口 ，所述气动注入口用于通过其注入对细胞施加机 械刺激的气动压力，所述细胞和培养基注入口用于通过其注入细胞和培养 基，而所述标记和染料注入口用于通过其注入目测细胞状态的标记或染料；衬垫，其设置成与所述上基片接触，并形成储存从所述气动注入口引 入的空气的气室；聚合物基片，其包括细胞室、第一细道、第二细道以及微阀装置，所 述细胞室用于培养细胞，所述第一细道用于将通过所述细胞和培养基注入 口注入的细胞和培养基移动到所述细胞室，所述第二细道用于将通过所述 标记和染料注入口注入的标记或染料移动到所述细胞室，而所述微阀装置 用于控制所述细道和所述细胞室之间的流体流动；多孔基片，其设置在所述衬垫和所述聚合物基片之间，并具有不同的 面积以使施加到相应的细胞室的气动压力的大小不同；聚合物薄膜，其由柔性聚合物材料形成，并设置在所述多孔基片和所 述聚合物基片之间以隔开所述气室和所述细胞室，并对所迷细胞室施加气 动压力；玻璃薄膜，其具有与所述聚合物基片接触的一个表面以及上面设置了 第一电极的另一个表面，位于所述细胞室的下部以感测所述细胞室的压 力；下基片，其具有在与相应的第一电极相对的一个表面上安装的第二电 极；以及支撑结构，其设置在所述玻璃薄膜和所述下基片之间，并提供所述第 一电极和所述第二电极之间的间隙。
全文摘要
提供了一种细胞芯片及其系统，它们能够通过机械刺激检测干细胞分化的最优条件。用于细胞分化实验的细胞芯片包括用于储存细胞和培养基的多个细胞室、用于将所述细胞和培养基传送到相应细胞室的细胞和培养基注入口、用于将注入到细胞和培养基注入口的细胞和培养基移动到所述细胞室的细道、用于注入施加到所述细胞室的气动压力的气动注入口，以及用于将通过所述气动注入口注入的气动压力传送到相应的细胞室的具有圆形膜的孔。这里，所述孔中的至少两个孔具有不同的面积以使施加到相应细胞室的气动压力的大小不同。因此，所述细胞芯片及其控制系统使不同刺激条件，例如施加具有不同大小、周期、频率、间隔以及占空比的机械刺激下的干细胞分化实验能够在单一的气动压力下同时进行。因此所述细胞芯片和控制系统能节约干细胞并减少实验时间。另外，所述细胞芯片可使用集成的微阀系统和电容压力传感器自动注入并更换细胞和培养基，并可实时地测量刺激的大小。进一步地，所述干细胞可被染色并放置在安装在系统中的荧光显微镜下以在单独的芯片状态中实时地观测分化步骤及细胞状态。
文档编号G01N35/00GK101663585SQ200880000613
公开日2010年3月3日 申请日期2008年9月24日 优先权日2008年2月29日
发明者梁翔植, 沈愚英 申请人:亚州大学校产学协力团