一种微流控单细胞捕获及生化信号加载装置

作     者：于苗 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：覃开蓉

授予年度：2016年

学科分类：1001[医学-基础医学(可授医学、理学学位)] 100101[医学-人体解剖与组织胚胎学] 10[医学] 

主      题：微流控 单细胞捕获 边界效应 驻点流 动态生化信号 传输特性 

摘      要：细胞微环境与细胞相互作用日益成为细胞生物学领域的研究热点之一。对离体培养的单细胞进行操控、观察、检测是探究细胞生物学行为常用的手段。微流控装置不仅是捕获、操控离体培养细胞的理想实验平台,也是构建用于离体培养细胞的微环境的重要实验工具,在细胞生物学研究工作中得到了广泛使用。现有的研究多数利用流体驻点或通道的边界效应对单细胞进行捕获。利用通道的边界效应捕获单细胞简单、成本低廉,且易形成阵列结构来高效捕获大量单细胞,但不便于对捕获单细胞定量加载动态生化刺激信号。另一种利用流体驻点捕获单细胞的方法则可以对捕获的单细胞有效地加载动态生化信号,但因驻点位置不稳定使得捕获不稳定,不利于长时间观察、检测和分析;尽管可以通过外加反馈控制系统来增大捕获的稳定性,但需要更多的外部控制装置,增加了装置的复杂性。因此迫切需要一种简单低价的、能实现单细胞稳定捕获且便于定量加载动态生化信号的微流控装置。利用流体力学原理和微流控技术,结合通道边界效应与驻点流理论,本文设计了一种可用于单细胞自动捕获并能对捕获单细胞定量加载动态生化信号的微流控装置。该微流控装置与可编程注射泵、荧光倒置显微镜、计算机等组合,构成了用于自动捕获单细胞及加载、检测和分析动态生化信号的实验系统。一方面,通过数值方法求解微通道内的Navier-Stokes方程和Taylor-Aris弥散方程,分析了捕获微通道内的流场分布及动态生化信号传输规律,2D和3D数值仿真结果均验证了该微流控装置捕获单细胞和对被捕获单细胞精确加载动态生化刺激信号的可能性。另一方面,利用可编程注射泵控制注射器,将细胞悬浮液注入微通道内,实验验证了该微流控装置捕获单细胞的有效性;进-步利用注射器和可编程注射泵,通过软件编程来控制注射泵的流量(流速)变化得到含有动态生化信号的刺激溶液,将该刺激溶液注入到微通道内对捕获单细胞加载动态生化信号,实验结果也验证了该微流控装置加载动态生化信号的可行性。本文提供了一种能对离体培养单细胞进行长期捕获且便于加载动态生化刺激信号的微流控装置,为进一步研究微环境刺激引发单细胞动力学响应进而影响单细胞功能和行为等提供了简单有效的实验平台。