新型微試樣黏度檢測裝置及其在細胞生物學中的應用.pdf

1、流體黏性的檢測在生物醫(yī)學，化學，材料等領域應用廣泛。例如，在醫(yī)學領域，基礎及臨床研究顯示體液黏性與許多疾病密切相關：心腦血管病患者與正常人相比，血液表觀黏度有顯著的變化；退行性關節(jié)病，風濕性關節(jié)炎病引起關節(jié)滑膜液的黏性改變等。目前許多研究涉及到各種類型的生物體液，例如小型動物體液獲取困難，代價很高，降低黏性檢測中的樣品消耗尤為重要。
　　另一方面，黏度也可能影響到腫瘤細胞的黏附行為。黏度是微粒分散體系中粒子的沉降速率的決定因素之一

2、，對于多相流體，當微粒的密度大于分散介質(zhì)的密度，就會發(fā)生沉降，根據(jù)Stokes定律，黏度越大，沉降速度越小，懸浮液中的粒子越穩(wěn)定，越不易發(fā)生沉降。而腫瘤細胞在血管壁的黏附可以簡化成一個粒子在血液中沉降—與管壁接觸—黏附的過程，在這一過程中，黏度可能影響到血流中接觸到管壁的腫瘤細胞數(shù)，因此，黏度對腫瘤細胞黏附行為的影響是值得考察的。
　　此外，由于微流控裝置具備微型化、集成化的優(yōu)勢，近年來被廣泛應用在生物技術，化學化工等領域。如何在

3、微小的芯片內(nèi)精確地掌控流體的運動形態(tài)是微流控技術的最為基礎而重要的一環(huán)。而黏度，作為一項基本的流變學參數(shù)，對分析流體的運動行為是極為關鍵的。因此，為了滿足微流控實驗微量化的樣品需求，高效的測量實驗所涉及的流體黏度便成為現(xiàn)代黏性測量技術的主要課題之一。
　　然而，現(xiàn)有微試樣黏度計的研究面臨著一些瓶頸：
　　（1）由于尺度的縮小，末端效應、表面張力等在宏觀尺度下可忽略的效應陡然增大，并導致了顯著的誤差。這使得現(xiàn)有微試樣黏度計的測

4、量準確度普通較低，尤其是在低剪切率的條件下測量低黏度的樣品時這一問題尤為突出（誤差：5％~24%）。
　　（2）盡管現(xiàn)有的微試樣黏度計芯片本身樣品容積量很小，但為了驅動流體進行檢測，需要連接容積量很大的泵和導管，因此總的樣品消耗量仍然居高不下。
　?。?）同樣由于尺度的縮小，通道的表面粗糙度過大會給流動造成明顯的擾動導致宏觀流體力學的失效。因此，微試樣黏度計的制作需要嚴格控制通道的表面粗糙度，要求更為嚴格的制作工藝，這使得系

5、統(tǒng)搭建及制作成本很高。
　?。?）由于芯片體積小樣品少，熱容量小，對環(huán)境溫度變化特別敏感，這對測量環(huán)境的溫度控制提出了更嚴格的要求。而現(xiàn)有的微試樣黏度計未能很好地解決這一問題?；谏鲜鲈颍F(xiàn)有的微試樣黏度計一直未能得到商業(yè)化的運用。因此，提供更加精確、穩(wěn)定、微試樣的黏性測量方法，為科研工作者提供可靠的流體黏度數(shù)據(jù)，是論文所需完成的主要目標。
　　本文提出了一種高效、精確、微試樣低成本的微流控黏性檢測芯片（后簡稱為芯片黏度計

6、），可以用于生物類流體的黏度測量。在對末端效應、表面張力、動能修正項等引入的誤差進行評估后，研究者對芯片的構型及尺寸進行了優(yōu)化：通道的兩端加入了一對匹配的光滑圓管，幾乎完全避免了表面張力的影響。芯片的尺寸通過誤差分析決定，優(yōu)化后的芯片誤差被嚴格控制在0.5%以下，且每次測量消耗量僅為200μl。本文采用自制的配套模具，結合抽絲法，能夠輕易地在芯片內(nèi)部形成表面光滑的圓管，適應了通道表面粗糙度需要嚴格控制的加工需求。為了保證測量環(huán)境的溫度恒

7、定，本文為芯片黏度計設計了一套專門的測量平臺。測試時，芯片置于特制的恒溫水浴槽中，樣本流體加載于芯片的上游儲液池中，被外部壓力控制裝置驅動，樣品通過主通道后流入到下游儲液池中。測試流體在黏度測量芯片內(nèi)的流動狀態(tài)通過CCD對儲液池的液面流動情況進行記錄，并利用一段圖像處理程序對視頻進行處理。通過程序自動提取運動軌跡信息、自動輸出黏度值，不但使操作更簡單，又減少了人為因素引入的誤差，使測量結果具有良好的復現(xiàn)性。
　　相較于其他微試樣黏

8、度計，本文研制的芯片黏度計結果更加準確：通過將本文所研制的芯片黏度計與美國國家標準局（NIST）公布的參考值，傳統(tǒng)毛細管黏度計，傳統(tǒng)旋轉黏度計進行橫向比對，可以看出芯片黏度計的測量結果與標準值、傳統(tǒng)烏氏黏度計測量值三者吻合良好，相對誤差小于2%。本文還根據(jù)國際標準化組織以及國際電工委員會（ISO/IEC）發(fā)布的《測量不確定度評估指南》對芯片黏度計進行完整的不確定度評估，計算其擴展相對不確定度 U95=2.2%，較主流的微試樣黏度芯片準確

9、度提高了2倍以上。
　　在芯片黏度計制作完成后，本論文為了考察黏度與腫瘤細胞黏附行為的關系，本文還設計構建了一個理想化的HepG2細胞黏附模型，用于模擬腫瘤細胞在人體血管環(huán)境里的黏附行為。在此模型中，本文綜合考慮了黏度、流場等力學因子對腫瘤細胞黏附行為產(chǎn)生的影響。首先，本文通過有限元分析預測了芯片模型中的流場、紊流分布強度等信息，在此基礎上，我們通過三組對比實驗考察了黏度、細胞密度以及它們與流場之間的相互作用對芯片底面 HepG2

10、細胞黏附數(shù)量產(chǎn)生的影響。
　　研究結果表明，當血管分岔角增大時，紊流強度也增大。流場中紊流的增加能有效的提高芯片底面黏附的HepG2細胞數(shù)量，但黏附細胞的總數(shù)受芯片底部管壁容納極限的影響，因此紊流強度達到一定程度后，黏附細胞數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定不再繼續(xù)增大。增加細胞密度相當于增加細胞與底面接觸的幾率，也能起到增加底面黏附細胞數(shù)的效果，其作用效果在低紊流環(huán)境下格外顯著。而流體黏度對底面黏附細胞數(shù)的影響較為復雜，對于不同紊流環(huán)境其效果相差較

11、大，一方面黏度增大了流動阻力，降低了HepG2細胞的移動速度，增加了HepG2細胞在底面黏附的可能性；另一方面，黏度的增加降低了HepG2的沉降速度，更多的HepG2懸浮在溶液中，不與管壁接觸。因此，在黏附能力較弱的低紊流環(huán)境下，這兩個因素互相抵消，黏附細胞數(shù)保持穩(wěn)定。而在黏附能力較強的高紊流環(huán)境里，后者的影響占主要，因此黏度增加，芯片底部的黏附細胞數(shù)大幅度降低。實驗結果與我們的預期吻合較好。
　　本文所研制的芯片黏度計還具有樣品

12、消耗量小，制造簡單，成本低廉，操作方便且易于維護的優(yōu)勢。它基于抽絲法構建，與傳統(tǒng)的軟蝕刻技術相比，不需要依賴各種昂貴設備和器材。僅利用微絲和自制的配套模具，將毛細管，儲液池，壓力接口全部整合于一塊芯片中，一方面大幅度的降低了制造成本，另一方面又避免了各部件的連接和密封不良可能導致的漏液，減少了連接部位產(chǎn)生的壓降損失從而降低了誤差。由于價格低廉，它可以作為一次性用品以避免芯片之間的樣品污染，也可以多次清洗重復使用進一步降低成本。本黏性測量