气动微流控三维微血管构建和细胞微图案化

【摘要】细胞构成了生物体结构、功能及其生命活动的基础；同时，细胞亦存在于多种细胞-细胞、细胞-基质和细胞-可溶性因子相互作用的三维微环境中。这一微环境动态表现出了明显的时间与空间特异性以及特定地物理、化学属性。诸多因素和细胞外信号赋予了生物体内不同种类细胞的细胞外微环境的独特性，并通过影响细胞结构、功能及行为，最终调节机体组织的生长、发育和修复。因此，开展对组织细胞及其微环境的高度精确调控与模拟研究，对于了解生物有机体的生理和病理发生、发展进程具有极其重要的意义。微流控芯片，作为一种本世纪极具代表性的微操作与分析平台，已大量应用与细胞操控、细胞外微环境重构等方面的研究。其主要原因在于，微流控芯片技术可以实现对微流体和生物样品（如细胞、细胞外基质等）的精确时间与空间控制；可以实现组织仿生及相关微环境模拟，并能够实现微流体及生物样品的序列化操作。本研究以微流控芯片技术为支撑，结合芯片气动操作的独特优势，构建了两种细胞及其微环境操作相关的气动式微流控芯片，包括基于气动微管道网络的三维微血管构建微流控系统和基于气动微结构的蛋白和细胞微图案化微流控系统。这种基于气动可逆性控制的微流控芯片平台为实现高度控制性的细胞操作及组织仿生研究提供了新的思路和方法。本论文所取得结果如下：1.本研究通过对模具制备中曝光时间、显影时间的优化，以及对芯片制备过程中PDMS预聚物混合比例和固化时间的优化，制备出了具有良好机械性能、结构完整的气动式三维微血管构建微流控芯片，该芯片由四层构成，从上至下依次为：流动层、控制层（即气动微管道网络层）、支撑层和玻片层。同时，气动微管道网络的各级微管道系统表征测试证明，不同气压作用下气动微管道网络各级微管道均能呈现均匀的空间构型。本研究为完成芯片内气动式工程化微血管网络系统模拟构建奠定了基础。2.通过对气动微管道网络原位操作以及对胶原凝胶的控制性聚合，通过气动模塑的方式，在微流控芯片内构建了以三维凝胶支架为基础的、具有血管结构相关性的微管道网络。进一步，在该微管道网络中接种和动态培养人脐静脉内皮细胞，成功构建了具有体内微血管典型生理结构和功能的工程化微血管网络系统。3.基于构建的工程化微血管网络，定量化研究乳腺癌细胞与血管内皮细胞间的粘附相互作用。结果显示，当内皮细胞没有经过乳腺癌细胞条件培养基处理时，仅有极少数乳腺癌细胞粘附于内皮表面；而经过乳腺癌细胞条件培养基处理的内皮细胞，将会显著增加乳腺细胞在其表面的粘附，并呈现物理区域偏好性粘附行为。4.构建了一种具有气动微结构的气动式微流控芯片。该气动式微流控芯片可以以一种高通量、几何结构可变的方式，实现芯片内单种蛋白和细胞的高度可控性定位与微图案化。此外，对基于PluronicF127表面钝化修饰进行系统表征，结果显示使用PluronicF127处理PDMS表面可以降低PDMS表面的接触角，并使PDMS具有抗蛋白吸附和抗细胞粘附的能力。对气动微结构与形成的蛋白和细胞微图案之间的空间动态和几何相关性进行了定量研究，结果表明蛋白和细胞的微图案呈现出与气动微结构形成的封闭区域相一致的轮廓分明的几何形状。5.通过使用气动微结构阵列及其多样化设计，并基于芯片内不同位点气动微结构的有序操控，分别实现了不同种类的蛋白（牛血清白蛋白和卵清蛋白）和细胞（肝癌细胞和内皮细胞）在单个芯片微室内的精确定位与微图案化。
【作者】王建春；
【导师】王进义；
【作者基本信息】西北农林科技大学，化学生物学，2014，博士
【关键词】气动控制；微流控芯片；微血管；蛋白微图案化；细胞微图案化；

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