一种利用微流体芯片研究固体粉末与生物试样之间相互作用的方法

1.本发明提出一种可实现固体粉末试样与生物细胞或组织相互作用的微流控芯片，这种芯片可以实现毫克级固体粉末试样与生物细胞或组织的相互作用实验及其实时观测。本发明结构明确，操作简单，可以应用于材料学与生物学相关的交叉领域，研究生物细胞或组织与固体粉末材料的相互作用关系等。


背景技术：

2.微流控芯片自发明以来，以其制作成本低、反应条件可控、耗材微量等优点，作为生物/化学实验的载体得到了广泛的应用。
3.然而，现有技术存在以下问题：
4.一方面，微流控芯片本身作为微小体积的反应载体，其反应对象往往为直径在微米级甚至纳米级的细胞、细菌等微小有机体，且基本为液相反应。而固体，特别是直径数十乃至数百微米的粉末与生物的相互作用一直以来研究较少，值得借助微流控芯片技术开展深入研究。一些固体粉末样本的获取或者制备十分困难，成本极其高昂，因此获得的量极为有限；但这些固体粉末样本对于生物细胞或组织的潜在影响，甚至可能的损害，都需要开展较为详尽的研究。
5.另一方面，现有的微流控芯片技术，由于其设计原理，绝大多数为液相反应，即通过溶液或者悬液的相互混合，产生可观测的反应结果；少部分微流控芯片可以实现细胞甚至组织级别的培养。但以上这些微流控芯片在研究固体粉末的化学或者生物学效应时，其采用的方法均为配置悬液或者制备纳米颗粒，其实质仍然是液相反应，而无法研究固体粉末的表面反应，一些由固体粉末本身物理性质(例如表面粗糙度、孔隙度)对生物细胞或组织的影响无法评判。


技术实现要素：

6.针对现有技术存在的以上问题，本发明一方面设计了微流体芯片来克服现有技术不存在可行的研究固体粉末样本对生物细胞或组织的潜在影响；另一方面，通过特殊设计的微流控芯片，解决了如何研究固体粉末表面对生物细胞或组织的潜在影响。
7.本发明的目的是构建一种利用微流体芯片研究固体粉末与细胞、生物组织之间相互作用的方法，该方法通过可实现固体粉末试样与生物细胞或组织相互作用的微流控芯片来实现，用于研究直径20μm至500μm的固体粉末与细胞乃至生物组织之间的相互作用。
8.其中，本发明的微流体芯片整体上包括底部的基底材料和顶部的盖玻片构成，其组成的微流体芯片从左至右包括出液口1，出液通道2，固体粉末试样装填区3，生物试样通道4，生物试样进口5，进液通道6，进液口7。其中，液体可以从进液口7灌注，经进液通道6、生物试样通道4、固体粉末试样装填区3、出液通道2，直至出液口1流出；在生物试样通道4和出液通道2之间设置固体粉末试样装填区3，固体粉末试样装填区3可以装填并封装微量直径
20μm至500μm的固体粉末；在生物试样通道4和进液通道6之间设置有生物试样进口5，生物试样例如细胞或生物组织可以从生物试样进口5注入或生长进入，经生物试样通道4进入固体粉末试样装填区3，与装填并封装完毕的固体粉末试样发生相互作用。生物组织包括植物的根、茎、叶的原始样本或经物理化学方式加工后的处理样本。
9.其中，生物试样通道4朝向固体粉末试样装填区3的方向设计收敛段，收敛段的宽度逐渐缩小；出液通道2的深度小于比固体粉末试样装填区3内填充的固体粉末试样的d1粒径，以尽可能避免在整个操作步骤中固体粉末试样随出液通道2流出，其中d1表示该粒度分布曲线中的自小粒径侧起体积累计1％的粒径。出液口1、生物试样进口5、进液口7均为直径200μm至2000μm的孔；出液通道2与进液通道6为宽度200μm至1000μm，长度5mm至20mm，深度20μm至100μm的管道。
10.固体粉末试样装填区3为一个边长1mm至5mm，深度50μm至500μm的四边形坑，在微流控芯片一次固化之后，可以将粒径不大于500μm的固体粉末试样装填入固体粉末试样装填区3中，再在盖玻片上进行二次固化，将固体粉末试样封装在固化芯片和盖玻片之间；固体粉末试样装填区在作为反应室的同时，可以作为显微观察室，用以在显微镜下观察固体粉末试样与生物的相互作用。
11.所述生物试样通道4为具有一个收敛段的特殊管道，生物试样通道4全长5mm至20mm，管道深度50μm至500μm，收敛段长度2mm至10mm，收敛段最窄处宽度50μm至500μm，并与固体粉末试样装填区3连通，收敛段最宽处宽度200μm至1000μm，与生物试样进口5以及进液通道6连通。
12.本专利的微流控芯片，能够用于研究直径20μm至500μm的固体粉末与细胞乃至生物组织之间的相互作用。由于对固体粉末用量极少，本发明适用于珍贵固体粉末试样的生物相互作用实验。同时，本发明还可实现对相互作用实验的实时显微观测。
13.本发明的优点在于：
14.1、本发明通过采用微流控芯片来研究固体粉末样本对于生物细胞或组织的潜在影响，能够利用极少量的样品开展多次实验，并获得可靠的实验数据，应用于价格昂贵、获取困难的固体粉末试样的生物相互作用实验上具有显著优势；
15.2、本发明通过构建盖玻片与芯片基材之间的空间，对固体粉末直接封装，能够避免传统液相反应无法研究固体粉末表面反应的缺陷，为研究固体粉末表面对生物细胞或组织的潜在影响提供了解决方案；
16.3、本发明的生物试样通道4上设计的收敛段能够保证一些细胞、微生物乃至生物组织能够单向通过生物试样通道不返回，进入固体粉末试样装填区3，与封装完毕的颗粒发生相互作用，实现对芯片内生物细胞或组织运动方向的操控；
17.4、本发明以盖玻片为玻封材料，能清楚地实时观测到微流控芯片内固体粉末试样与生物之间的相互作用；
18.5、本发明的出液通道2的深度小于固体粉末试样装填区3内填充的固体粉末试样的d1粒径，能够避免在整个操作步骤中固体粉末试样随出液通道2流出，提高了后续检测的准确性。
附图说明
19.图1为本发明的整体结构图；
20.图2为本发明的操作示意图
21.图中：
[0022]1‑
出液口
ꢀꢀ2‑
出液通道
ꢀꢀ3‑
固体粉末试样装填区
ꢀꢀ4‑
生物试样通道
ꢀꢀ5‑
生物试样进口 6
‑
进液通道
ꢀꢀ7‑
进液口
具体实施方式
[0023]
下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
[0024]
如附图2所示，本发明的操作步骤可以分为4个操作：装填固体粉末试样、封装固体粉末试样、注入生物试样反应、样品检测。
[0025]
由于本发明的特殊设计，需要开展“装填固体粉末试样”操作，将微量固体粉末装填入固体粉末试样装填区3中，如图2(a)所示。
[0026]
在实现“装填固体粉末试样”操作后，可以开展“封装固体粉末试样”的操作，具体为将溢出固体粉末试样装填区3的固体粉末轻轻除去，并用盖破片将芯片封装，此时固体粉末试样装填区3中的试样将被固定，如图2(b)所示。
[0027]
在实现“封装固体粉末试样”的操作后，可以开展“注入生物试样反应”的操作，具体为将生物细胞或组织从生物试样进口5注入，由于液体的定向流动，生物细胞或组织将经生物试样通道4最终流向固体粉末试样装填区3；图2(c)所示的为生物细胞在生物试样通道4内的流动情况，图2(d)所示的为生物组织(以某些种类植物的根为例)在生物通道4内的生长情况；由于出液通道2的深度比固体粉末试样的粒径要小，因此在整个操作步骤中，固体粉末试样将不会随出液通道2流出；生物试样进入到固体粉末试样装填区3后，与其中的固体粉末进行相互作用。
[0028]
在实现“注入生物试样反应”的操作后，可以开展“样品检测”的操作；由于采用了透明的盖玻片，可以采用光学显微镜进行观察固体粉末、生物试样的表面状态；此外，可以通过打开微流体芯片，将固体粉末和生物试样取出，进行固体粉末表面性质的检测，以及进行生物试样的后续分离培养、生长指标检测。