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干细胞微流控芯片的设计、制备、检测与应用研究

作　者: 王桐
导　师: 左铁钏; 陈涛
学　校: 北京工业大学
专　业: 光学工程
关键词: 微流控生物芯片干细胞培养微注入
分类号: TN492
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

干细胞在细胞治疗、再生医学和癌症研究方面的临床应用前景和意义已被全世界所公知，但其在伦理道德、分化潜能、免疫排斥和安全性等方面尚存亟待解决的问题，而干细胞机理研究作为实现可控增殖与分化、降低免疫排斥和避免成瘤的基础研究，已引起越来越高的重视。微流控芯片以其所具备的独特优势，能够在几微米至几百微米尺度下实现对细胞的操纵控制，从而实现干细胞在可控微环境/小生境下的可控增殖与分化，是干细胞机理研究不可替代的手段之一。目前使用微流控芯片研究干细胞的工作刚刚起步，领域内的参考文献尚少，虽已取得了一些研究成果，但还未能形成统一、高效、稳定地在微流控芯片上操纵和培养干细胞的方法。本论文试图通过自行设计并制备的一种微流控芯片，来探索在微流控芯片上操纵控制干细胞的方法，并探索干细胞在微流控芯片上的培养方法。本论文从设计、制备和应用等方面对干细胞微流控芯片进行了研究，并针对在微流控芯片中干细胞需要进行呼吸作用、剪切力会对干细胞产生影响、制备过程中芯片材料的选择、制备效率的提高和成本的降低、微流控芯片易用性的提高、干细胞注入微流控芯片、干细胞在微流控芯片中的培养等问题进行了探索。在设计方面，本论文详细分析了干细胞在非芯片条件下培养的7个基本条件，并探讨了这7个基本条件在微流控芯片培养条件下实现的方法；考虑到微流控芯片培养条件对干细胞的影响以及在微流控芯片上操纵干细胞和培养干细胞对芯片结构的要求等因素，对微流控芯片的芯片结构进行了总体设计，并利用有限元分析软件对气室区和培养区进行了优化设计。结果表明：当气室结构中入口和出口的距离越长时，气室中流速较小部分所占比例越小，流速相对较大部分所占比例越大，越有利于迅速换气并减少气体残留，并且这一规律与入口、出口和气室三者的位置关系无关；通过理论计算可以得出，在常用电动微量注射装置驱动的微流控芯片中，当培养室直径在1mm量级上时，干细胞所受剪切力在10-2dynes/cm2量级上，并且这一量级上的剪切力远远小于已有报道的会对干细胞产生影响的平均剪切力值。在制备方面，本论文简单介绍了制备微流控芯片的材料、方法和流程，并介绍了常见的加工、键合、封装和检测技术；对微流控芯片在制备过程中，在芯片材料的选择、制备效率和成本、易用性等方面存在的问题进行了分析，并针对这些问题进行了研究。在微结构的加工过程中，采用光盘压印的方法进行加工；在基板和盖片的键合过程中，采用热压键合的方法进行；在微流控芯片的封装过程中，采用微针连接微流控芯片和外部设备；并分别对加工效率、键合效率和封装效率进行了估算。结果表明：PC材料最适合作为干细胞微流控芯片的制备材料；通过再键合，可以提高键合效率，从而提高了微流控芯片的制备效率并降低了制备成本；通过微针连接微流控芯片和外部设备，可以实现微流控芯片中微观结构与外部设备中宏观结构的连接，解决微流控芯片微观结构与外部宏观接口不匹配、难于封装的问题，并提高微流控芯片的易用性。在应用方面，本论文选用ICR小鼠骨髓间充质干细胞作为实验细胞；并且选用低温湿法灭菌作为微流控芯片的灭菌处理方法；为方便实验操作，设计了一套手动微量注射装置。利用微量注射装置，将单细胞和多个细胞注入到微流控芯片中，并与非芯片条件下刚刚完成接种还未贴壁的细胞进行了对比。同时，为了验证微流控芯片气室区和培养区的优化结果与实际情况是否相符，选用单细胞作为微流控芯片中液体流速的标记物，对单细胞移动速度进行了测量，并将所得测量值与同等条件下液体流速的计算值进行了对比。此外，在将单细胞和多个细胞注入到微流控芯片中以后，还对单细胞和多个细胞进行了培养，并与非芯片条件下培养的细胞进行了对比。结果表明：注入后，微流控芯片中和非芯片条件下的细胞形态一致；单细胞移动速度的测量值与液体流速的计算值基本一致，验证了对微流控芯片气室区和培养区进行优化所得出的结果；培养中，微流控芯片中和非芯片条件下的细胞形态一致；微流控芯片中有限的培养面积可能抑制了ICR小鼠骨髓间充质干细胞的增殖，并且这种对细胞增殖的抑制或促进作用可能与细胞种类有关。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
第1章绪论  11-29
  1.1 研究背景  11-16
    1.1.1 干细胞  11-13
    1.1.2 生物芯片  13-15
    1.1.3 细胞芯片  15-16
  1.2 文献评述  16-25
    1.2.1 干细胞微阵列芯片  16-20
    1.2.2 干细胞微流控芯片  20-25
  1.3 论文研究的内容与意义及课题来源  25-29
    1.3.1 论文研究的内容与意义  25-27
    1.3.3 课题的来源  27-29
第2章干细胞微流控芯片的设计  29-51
  2.1 引言  29-33
    2.1.1 干细胞的培养条件及其在微流控芯片上的实现  29-32
    2.1.2 在微流控芯片培养条件下对培养干细胞有影响的其它因素  32
    2.1.3 操纵细胞对芯片结构的要求  32-33
    2.1.4 培养细胞对芯片结构的要求  33
  2.2 芯片结构的总体设计  33-35
  2.3 气室区的设计  35-42
    2.3.1 模型简化与 17 种气室结构  35-37
    2.3.2 有限元模型与仿真条件  37-38
    2.3.3 仿真结果与分析  38-41
    2.3.4 设计的改进  41-42
  2.4 培养区的设计  42-49
    2.4.1 剪切力对干细胞的影响及阈值  42-43
    2.4.2 剪切力在微流控芯片上的计算方法  43-44
    2.4.3 模型简化与 8 种培养室结构  44
    2.4.4 有限元模型与仿真条件  44-46
    2.4.5 仿真结果与分析  46-49
  2.5 小结  49-51
第3章微流控芯片的加工、键合、封装与检测  51-83
  3.1 引言  51-58
    3.1.0 微流控芯片的材料与制备方法  51-52
    3.1.1 微流控芯片的制备流程  52-53
    3.1.2 芯片的常见加工技术及准分子加工技术  53-54
    3.1.3 芯片的常见键合技术  54-56
    3.1.4 芯片的常见封装技术  56-57
    3.1.5 芯片的常见检测技术  57
    3.1.6 微流控芯片制备过程中存在的主要问题及其分析  57-58
  3.2 芯片材料的选择  58-65
    3.2.1 需要考虑的因素  58-59
    3.2.2 光学性能  59-61
    3.2.3 生物兼容性  61-63
    3.2.4 耐高温和耐高压性能  63-64
    3.2.5 材料的最终确定  64-65
  3.3 微结构的加工与检测  65-73
    3.3.1 加工方法与工序流程以及加工效率的估算  65-67
    3.3.2 光刻掩膜版的图形放置与加工结果  67-68
    3.3.3 表面粗糙度检测方法  68-69
    3.3.4 模具、Ni 板和 PC 板的加工结果与表面粗糙度检测  69-73
  3.4 基板和盖片的键合与检测  73-77
    3.4.1 键合方法与工序流程  73-74
    3.4.2 键合结果与检测  74-75
    3.4.3 再键合以及键合效率的估算  75-77
  3.5 微流控芯片的封装与检测  77-80
    3.5.1 工艺流程以及封装效率的估算  77-79
    3.5.2 封装结果与检测  79-80
  3.6 小结  80-83
第4章在微流控芯片上对干细胞进行的操纵实验  83-103
  4.1 引言  83-85
    4.1.1 间充质干细胞简介  83-84
    4.1.2 ICR 小鼠骨髓间充质干细胞  84-85
  4.2 微流控芯片的灭菌处理  85-87
    4.2.1 常见的灭菌处理方法  85-86
    4.2.2 细胞芯片的常见灭菌处理方法  86-87
    4.2.3 微流控芯片的灭菌处理  87
  4.3 细胞注入微流控芯片的操纵实验  87-100
    4.3.1 微量注射装置  87-89
    4.3.2 单细胞注入微流控芯片的操纵实验  89-93
    4.3.3 多个细胞注入微流控芯片的操纵实验  93-97
    4.3.4 微流控芯片中液体流速的测试  97-100
  4.4 小结  100-103
第5章微流控芯片上的细胞培养实验  103-113
  5.1 引言  103-105
    5.1.1 非芯片条件下细胞的获取、培养与传代方法  103-104
    5.1.2 非芯片条件下细胞的冻存与复苏方法  104-105
  5.2 细胞在微流控芯片上的培养  105-110
    5.2.1 单细胞的培养  105-107
    5.2.2 多个细胞的培养  107-110
  5.3 小结  110-113
结论  113-115
参考文献  115-125
攻读博士学位期间所发表的学术论文和所获得的专利  125-127
致谢  127

干细胞微流控芯片的设计、制备、检测与应用研究

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