一種細胞位姿調(diào)節(jié)芯片和裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種細胞位姿調(diào)節(jié)芯片，包括依次疊加的基底層、微通道層、電極層和微流體腔層，所述電極層上開設(shè)有至少一個微孔，每個微孔的四周繞設(shè)有一個可以產(chǎn)生負介電泳、行波介電泳和電旋轉(zhuǎn)介電泳的微電極，所述微通道層上形成有微流道，所述微流道的一端連通于所述微孔，另一端與真空吸附裝置連接，所述微流體腔層于所述微電極的對應(yīng)位置上形成有微槽。本實用新型還公開了一種細胞位姿調(diào)節(jié)裝置。本實用新型的細胞位姿調(diào)節(jié)芯片，利用行波介電泳實現(xiàn)細胞位置的快速調(diào)節(jié)，利用電旋轉(zhuǎn)介電泳實現(xiàn)細胞姿態(tài)的快速調(diào)節(jié)。利用負介電泳使細胞遠離電極平面，大大降低電場對細胞的影響。
【專利說明】—種細胞位姿調(diào)節(jié)芯片和裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于生物【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種細胞位姿調(diào)節(jié)芯片和裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]20世紀70年代興起的以基因(DNA)重組為核心的現(xiàn)代生物技術(shù)發(fā)展突飛猛進，已成為人類解決畜牧業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療保健等諸多問題的重要手段。細胞顯微注射技術(shù)是一種典型的生物微操作技術(shù)，廣泛應(yīng)用于卵胞漿內(nèi)單精子顯微注射、胚胎切割及移植、原核注射和克隆等領(lǐng)域。細胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)與其形態(tài)具有對應(yīng)關(guān)系，被操作細胞位置和姿態(tài)(合稱位姿)對實驗效率和結(jié)果具有重要影響，實驗人員要求第一極體遠離注射針和吸持針的操作位置，以減輕對紡錘體等細胞器的損傷。
[0003]細胞位置調(diào)節(jié)的方法主要通過吸持管，光鑷，磁場，超聲波，微流體來移動細胞到固定位置。其中，吸持管和光鑷需要在視覺下處理，而且激光對細胞有一定影響，不適合生物實驗。而磁場法操作較為復(fù)雜，且磁場對生物細胞的影響尚未明。超聲波對細胞的損傷較大，不適合生物實驗。而最常用的是微流體吸附平臺，通過微孔抽離液體，從而帶動微粒移動，最終吸附到微孔上。但是吸附到微孔上的細胞姿態(tài)是隨意的，且吸附后姿態(tài)難以調(diào)整。
[0004]細胞姿態(tài)調(diào)節(jié)方法分為機械接觸式位姿調(diào)節(jié)法和非接觸式位姿調(diào)節(jié)法。機械接觸式位姿調(diào)節(jié)法對于操作者的經(jīng)驗依賴度高，操作復(fù)雜且成功率低。非接觸式位姿調(diào)節(jié)法包括激光法、電場法、磁場法、超聲波法、微流控法等，上述非接觸式細胞微操作技術(shù)具有可實現(xiàn)細胞任意角度調(diào)節(jié)的優(yōu)越性，但存在一個共同不足，不能為微注射針穿刺細胞膜提供穩(wěn)定支撐。其中，激光法通常需要搭建專用的激光發(fā)生及其輔助裝置，造價非常高，而且激動對細胞有一定影響，因此難以推廣使用。電場法中，采用電場讓細胞在兩個正交面內(nèi)分別旋轉(zhuǎn)以此來實現(xiàn)細胞三維姿態(tài)調(diào)節(jié)，但在平臺的搭建和調(diào)試上將十分困難，限制了其實際的應(yīng)用。磁場法和超聲波法如上述所說，不適合生物實驗。微流體法細胞位姿調(diào)節(jié)技術(shù)是采用流體運動產(chǎn)生的壓力、粘性力等驅(qū)動細胞運動的原理來進行來操作。在水平面和豎直平面分別各有I對相互偏置的微管道，通過噴吐等速的流體推動細胞滾動，從而實現(xiàn)細胞姿態(tài)的調(diào)節(jié)，接著通過吸持管固定后注射。該方法缺點是如果細胞的尺寸、大小變化，溶液粘性有所不同的時候，需要對固定的兩根玻璃微管及其流量進行重新調(diào)整甚至重新設(shè)計，對此，華南理工大學對此進行了優(yōu)化，通過使用音圈馬達控制微管伸縮調(diào)整，從而滿足不同尺寸細胞的要求。但是，缺點仍然存在，位姿調(diào)節(jié)完成后，在進行后續(xù)操作前需要進行細胞的吸持操作，這極易再次改變細胞已經(jīng)調(diào)整好的方向，對后續(xù)操作較為不利。
實用新型內(nèi)容
[0005]本實用新型的目的在于提供一種細胞位姿調(diào)節(jié)芯片和裝置，以克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本實用新型提供如下技術(shù)方案:
[0007]本實用新型實施例公開了一種細胞位姿調(diào)節(jié)芯片，包括依次疊加的基底層、微通道層、電極層和微流體腔層，所述電極層上開設(shè)有至少一個微孔，每個微孔的四周繞設(shè)有一個可以產(chǎn)生負介電泳、行波介電泳和電旋轉(zhuǎn)介電泳的微電極，所述微通道層上形成有微流道，所述微流道的一端連通于所述微孔，另一端與真空吸附裝置連接，所述微流體腔層于所述微電極的對應(yīng)位置上形成有微槽。
[0008]優(yōu)選的，在上述的細胞位姿調(diào)節(jié)芯片中，所述每個微電極包括呈螺旋狀繞設(shè)于所述微孔四周的四個信號電極。
[0009]優(yōu)選的，在上述的細胞位姿調(diào)節(jié)芯片中，所述微電極的中部圍成一中空區(qū)域。
[0010]優(yōu)選的，在上述的細胞位姿調(diào)節(jié)芯片中，所述每個信號電極靠近所述微孔的一端分別與一半橢圓狀電極連接。
[0011 ] 優(yōu)選的，在上述的細胞位姿調(diào)節(jié)芯片中，所述每個信號電極的寬度為2(Γ40 μ m,所述相鄰兩個信號電極之間的間距為2(Γ40 μ m。
[0012]優(yōu)選的，在上述的細胞位姿調(diào)節(jié)芯片中，所述信號電極遠離所述微孔的一端與模擬開關(guān)連接。
[0013]優(yōu)選的，在上述的細胞位姿調(diào)節(jié)芯片中，所述電極層包括ITO玻璃以及形成于所述ITO玻璃側(cè)邊的PCB電路板，所述微電極形成于所述ITO玻璃的上表面，所述PCB電路板的邊緣設(shè)置有4個信號輸入端，該4個信號輸入端分別通過形成于所述PCB電路板上的導(dǎo)電線路連接于所述4個信號電極，所述模擬開關(guān)設(shè)置于所述PCB電路板上。
[0014]本實用新型實施例還公開了一種細胞位姿調(diào)節(jié)裝置，包括:
[0015]細胞位姿調(diào)節(jié)芯片；
[0016]雙通道可同步信號發(fā)生器；
[0017]反相器，接收來自雙通道可同步信號發(fā)生器的正弦波，并將其分成0°、90°、180°和270°的4路正弦波信號，然后輸送至細胞位姿調(diào)節(jié)芯片的微電極；
[0018]倒置的顯微鏡與(XD，采集細胞位姿調(diào)節(jié)芯片上細胞的圖像，并將該圖像通過視頻采集卡反饋給計算機；
[0019]計算機，連接于雙通道可同步信號發(fā)生器并控制其信號的輸出。
[0020]優(yōu)選的，在上述的細胞位姿調(diào)節(jié)裝置中，所述計算機還連接于模擬開關(guān)并控制其通斷。
[0021]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的優(yōu)點在于:
[0022]I)、利用行波介電泳實現(xiàn)細胞位置的快速調(diào)節(jié)(位置調(diào)節(jié)時間短，而且不需要視覺)，利用電旋轉(zhuǎn)介電泳實現(xiàn)細胞姿態(tài)的快速調(diào)節(jié)。
[0023]2 )、利用負介電泳時細胞遠離電極平面，大大降低電場對細胞的影響。
[0024]3)、細胞姿態(tài)調(diào)整時候與微孔接觸，因而吸附時候不易改變細胞已經(jīng)調(diào)整好的方向。
[0025]4 )、每個微槽中的電極組都是獨立的,可以同時獨立處理單個細胞,效率高。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]為了更清楚地說明本實用新型實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型中記載的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0027]圖1所示為本實用新型具體實施例中細胞位姿調(diào)節(jié)裝置的原理示意圖；
[0028]圖2所示為本實用新型具體實施例中細胞位姿調(diào)節(jié)芯片的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖3所示為本實用新型具體實施例中微流體腔層的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖4所示為本實用新型具體實施例中電極層的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖5所示為本實用新型具體實施例中微通道層的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖6所述為本實用新型具體實施例中微電極的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖7所示為本實用新型具體實施例中細胞運動的原理示意圖。

【具體實施方式】
[0034]術(shù)語解釋:
[0035]位姿:位置和姿態(tài)。
[0036]介電泳:也稱雙向電泳，是中性粒子在非勻強電場中受力的現(xiàn)象。包括，傳統(tǒng)介電泳，行波介電泳，電旋轉(zhuǎn)介電泳。
[0037]PDMS: (Polydimethylsiloxane)作為一種高分子有機娃化合物。具有光學透明，且在一般情況下，被認為是惰性，無毒，不易燃，具有良好的生物兼容性。廣泛運用于生物微機電中的微流道系統(tǒng)等。
[0038]ITO玻璃:即氧化銦錫(Indium-Tin Oxide)透明導(dǎo)電膜玻璃，在超薄玻璃上濺射氧化銦錫導(dǎo)電薄膜鍍層并經(jīng)高溫退火處理得到的高技術(shù)產(chǎn)品。
[0039]下面將結(jié)合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術(shù)方案進行詳細的描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒緦嵱眯滦椭械膶嵤├绢I(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。
[0040]參圖1所示，細胞位姿調(diào)節(jié)裝置包括計算機1、雙通道可同步信號發(fā)生器2、反相器3、細胞位姿調(diào)節(jié)芯片4、倒置顯微鏡與(XD5和視頻采集卡6。
[0041]計算機I連接雙通道可同步信號發(fā)生器2，控制信號輸出，輸出的正弦波經(jīng)過反相器3得到0°、90°、180°和270°的4路所需正弦波，細胞位姿調(diào)節(jié)芯片放置于倒置顯微鏡上，通過(XD5采集圖像，經(jīng)過視頻采集卡6，將數(shù)據(jù)反饋給計算機I。
[0042]參圖2所示，細胞位姿調(diào)節(jié)芯片4包括依次疊加設(shè)置的基底層46、微通道層45、電極層44和微流體腔層43，各層之間通過陽離子鍵合。
[0043]基底層46位于最底層,其材質(zhì)優(yōu)選為玻璃。
[0044]參圖5所示，微通道層45形成于基底層46上，微通道層45的材質(zhì)優(yōu)選為有機玻璃，其上表面上加工有微通道452，微通道452的數(shù)量優(yōu)選設(shè)有獨立的4個。
[0045]參圖3和圖4所不，電極層44形成于微通道層45的上表面,其包括ITO玻璃441以及形成于ITO玻璃兩側(cè)的PCB電路板442。
[0046]ITO玻璃441上分布有4個微孔432，ITO玻璃441的邊緣上還設(shè)置有4個微管道42，每個微通道452的兩端分別對應(yīng)連通于一個微孔432和一個微管道42之間。微管道452與真空吸附裝置41連接。
[0047]每個微孔432的四周分別繞設(shè)有一個可以產(chǎn)生負介電泳、行波介電泳和電旋轉(zhuǎn)介電泳的微電極443，微電極443通過在ITO玻璃441上刻蝕形成。
[0048]參圖6所示，每個微電極443包括呈螺旋狀繞設(shè)于微孔432四周的四個信號電極4431。微電極443的中部圍成一中空區(qū)域，該中空區(qū)域的直徑優(yōu)選為180 μ m，其直徑大小可以根據(jù)細胞直徑、電壓以及溶液等條件相應(yīng)改變。每個信號電極4431靠近微孔432的一端分別與一半橢圓狀電極4432連接，4個半橢圓狀電極4432圍成上述的中空區(qū)域。優(yōu)選的，每個信號電極的寬度為2(Γ40μπι，優(yōu)選為30μπι，相鄰兩個信號電極之間的間距為2(Γ40μπι，優(yōu)選為30 μ m。
[0049]PCB電路板442上設(shè)置有四個信號輸入端4451、4452、4453和4454，以及2個模擬開關(guān)444。該4個信號輸入端分別通過形成于PCB電路板上的導(dǎo)電線路對應(yīng)連接于4個信號電極。ITO玻璃441上電路與PCB電路板442通過導(dǎo)電膠鍵合。模擬開關(guān)444設(shè)置在信號輸入端與微電極之間的電路上，模擬開關(guān)的控制端與計算機I相連，由計算機I控制開關(guān)通斷。
[0050]四個微電極相互獨立，且每個微電極通過模擬開關(guān)與信號輸入端連接，因此每個微電極可以獨立實現(xiàn)對細胞的處理。
[0051]易于想到的是，微電極還可以僅設(shè)置有I個或其他數(shù)量，本實用新型并不進行限制，相應(yīng)地，微孔以及微流道的數(shù)量與微電極數(shù)量對應(yīng)改變。
[0052]微流體腔層43形成于ITO玻璃441的上表面，其材質(zhì)優(yōu)選為PDMS，微流體腔層43上對應(yīng)四個微孔432的位置分別開設(shè)有4個貫穿其上下表面的微槽431，微槽431的直徑優(yōu)選為2mm，其直徑大小隨細胞直徑而定，且每個微槽431分別與對應(yīng)的微孔432同心。
[0053]上述細胞位姿調(diào)節(jié)裝置的工作原理如下:
[0054]計算機I與雙通道可同步信號發(fā)生器2相連，控制其輸出2路同步的相位角分別為0°，90°的正弦信號；每路正弦信號通過同軸電纜線I分為2，分出來的I路接反相器3，反相得到180°和270°的正弦信號；把4路0°，90°，180°，270°的正弦信號分別按順序接到芯片信號輸入端445廣4454 ;模擬開關(guān)444與計算機I相連，可以通斷每一路的信號。如圖7所示，當微電極443通上信號后，細胞在負介電泳力作用下被排斥離電極平面，在一定高度處，負介電泳力與重力平衡，細胞懸??；同時，細胞在行波介電泳力作用下向著電極中心區(qū)域移動；當?shù)竭_中心區(qū)域后，由于中心區(qū)域間距較大(180μπι)，負介電泳力較小，細胞會沉降到微孔432處(如果細胞沒有沉降到微孔，則由CCD5采集圖像，并經(jīng)視頻采集卡6將數(shù)據(jù)反饋給計算機1，然后計算機I控制信號發(fā)生器2降低輸出電壓，使得細胞沉降)；接著，細胞在電旋轉(zhuǎn)介電泳作用下在水平面轉(zhuǎn)動，當細胞轉(zhuǎn)動到預(yù)定位置時候，控制模擬開關(guān)444關(guān)閉該電極組信號，通過計算機I檢查位姿是否符合要求，如果不符合，則繼續(xù)接通信號，如果符合要求，則開啟真空吸附轉(zhuǎn)置41吸附細胞。細胞固定，可以進行下一步的顯微注射。而其余還未完成姿態(tài)調(diào)整的可以獨立繼續(xù)操作。
[0055]綜上所述，本實用新型的細胞位姿調(diào)節(jié)芯片，利用行波介電泳實現(xiàn)細胞位置的快速調(diào)節(jié)，利用電旋轉(zhuǎn)介電泳實現(xiàn)細胞姿態(tài)的快速調(diào)節(jié)(細胞姿態(tài)調(diào)整時候與微孔接觸，因而吸附時候不易改變細胞已經(jīng)調(diào)整好的方向)。利用負介電泳時細胞遠離電極平面，大大降低電場對細胞的影響。而且，每個微腔中的微電極都是獨立的，可以同時獨立處理單個細胞，
效率高。
[0056]需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關(guān)系術(shù)語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區(qū)分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關(guān)系或者順序。而且，術(shù)語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設(shè)備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設(shè)備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“包括一個……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設(shè)備中還存在另外的相同要素。
[0057]以上所述僅是本實用新型的【具體實施方式】，應(yīng)當指出，對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本實用新型的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種細胞位姿調(diào)節(jié)芯片，其特征在于，包括依次疊加的基底層、微通道層、電極層和微流體腔層，所述電極層上開設(shè)有至少一個微孔，每個微孔的四周繞設(shè)有一個可以產(chǎn)生負介電泳、行波介電泳和電旋轉(zhuǎn)介電泳的微電極，所述微通道層上形成有微流道，所述微流道的一端連通于所述微孔，另一端與真空吸附裝置連接，所述微流體腔層于所述微電極的對應(yīng)位置上形成有微槽。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的細胞位姿調(diào)節(jié)芯片，其特征在于:所述每個微電極包括呈螺旋狀繞設(shè)于所述微孔四周的四個信號電極。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的細胞位姿調(diào)節(jié)芯片，其特征在于:所述微電極的中部圍成一中空區(qū)域。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所示的細胞位姿調(diào)節(jié)芯片，其特征在于:所述每個信號電極靠近所述微孔的一端分別與一半橢圓狀電極連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的細胞位姿調(diào)節(jié)芯片，其特征在于:所述每個信號電極的寬度為2(Γ40 μ m，所述相鄰兩個信號電極之間的間距為2(Γ40 μ m。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的細胞位姿調(diào)節(jié)芯片，其特征在于:所述信號電極遠離所述微孔的一端與模擬開關(guān)連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的細胞位姿調(diào)節(jié)芯片，其特征在于:所述電極層包括ITO玻璃以及形成于所述ITO玻璃側(cè)邊的PCB電路板，所述微電極形成于所述ITO玻璃的上表面，所述PCB電路板的邊緣設(shè)置有4個信號輸入端，該4個信號輸入端分別通過形成于所述PCB電路板上的導(dǎo)電線路連接于所述4個信號電極，所述模擬開關(guān)設(shè)置于所述PCB電路板上。
8.一種細胞位姿調(diào)節(jié)裝置，其特征在于，包括: 權(quán)利要求1至7任一所述的細胞位姿調(diào)節(jié)芯片； 雙通道可同步信號發(fā)生器； 反相器，接收來自雙通道可同步信號發(fā)生器的正弦波，并將其分成0°、90°、180°和270°的4路正弦波信號，然后輸送至細胞位姿調(diào)節(jié)芯片的微電極； 倒置的顯微鏡與CCD，采集細胞位姿調(diào)節(jié)芯片上細胞的圖像，并將該圖像通過視頻采集卡反饋給計算機； 計算機，連接于雙通道可同步信號發(fā)生器并控制其信號的輸出。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的細胞位姿調(diào)節(jié)裝置，其特征在于:所述計算機還連接于模擬開關(guān)并控制其通斷。
【文檔編號】C12M1/42GK204039383SQ201420426542
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年7月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月31日
【發(fā)明者】黃海波, 錢成, 陳立國, 李相鵬, 陳濤, 劉吉柱, 楊湛, 孫立寧 申請人:蘇州大學