基于交流電熱的微流體驅動與混合及其生物實驗研究.pdf

1、體外細胞及生物組織的動態(tài)培養(yǎng)與藥物實驗是實現人類第三代醫(yī)療并解決藥物開發(fā)周期長、耗資大等問題的重要手段。微流控芯片技術具有耗材少、響應快、集成度高等優(yōu)點，特別適合應用于以人類細胞與組織的體外培養(yǎng)及測試為代表的相關領域。片上器官系統(tǒng)(Organs-on-a-chip)是微流控技術在生物醫(yī)學方向的新突破，其最終目標是將人體主要功能的片上器官芯片連起來形成有機整體，為體外細胞組織培養(yǎng)與藥物實驗提供模擬人體的動態(tài)環(huán)境。片上器官系統(tǒng)中流體的合理循

2、環(huán)泵送是實現片上器官系統(tǒng)基本功能的前提，但是目前的微流體驅動形式并不能滿足片上器官系統(tǒng)的要求，成為片上器官系統(tǒng)研究進程中的瓶頸。因此，探究合理的片上器官培養(yǎng)液的泵送方式對于實現微流控片上器官的核心功能具有重要意義。本文將針對體外細胞及組織芯片的動力源及動態(tài)培養(yǎng)等問題展開。
　　依托微型電極結構及交流電場作用的交流電動微流體驅動方式是芯片集成動力源的研究熱點，其主要包含交流電滲與交流電熱兩種方式。交流電滲適用于對電導率較低的流體進行

3、操控，而交流電熱適合操控電導率較高的溶液，特別適合成為以生物培養(yǎng)液為代表的高電導率溶液的動力源。本文首先研究交流電熱的基本理論，針對線性模型難以準確描述高電導率(大于1.5Sm-1)流體電熱行為的問題，建立了多物理場耦合的增強型交流電熱模型，并推導了電體積力中多參數隨溫度變化的表達式，為理論預測交流電熱流體驅動特征奠定基礎。
　　為探求細胞及組織體外動態(tài)培養(yǎng)與傳統(tǒng)靜態(tài)培養(yǎng)的差異性，以傳統(tǒng)注射泵為動力源，設計了多功能可重封灌注式生物

4、反應器。反應器中的動態(tài)環(huán)境對細胞及組織提供了一個模擬人體的動態(tài)生存環(huán)境。低濃度人體腎臟胚胎細胞(HEK293T)與人體結腸癌細胞(SW620)在芯片中二維平面培養(yǎng)72h。通過細胞形態(tài)、密度、存活率與生長率對比動態(tài)培養(yǎng)與靜態(tài)培養(yǎng)的差異。在芯片中通過對永生化皮膚細胞(HaCaT)進行生長期7天、分化期35天的長期動態(tài)培養(yǎng)，成功地重建了人體表皮結構。通過對7天生長期培養(yǎng)的單層表皮組織中細胞存活率、生長率、上皮鈣粘著蛋白熒光標記染色，及35天分

5、化期后的表皮組織工程學切片的蘇木精–伊紅及抗原抗體熒光標記染色，對比分析了傳統(tǒng)靜態(tài)培養(yǎng)與灌注動態(tài)培養(yǎng)的差異，并說明動態(tài)培養(yǎng)的優(yōu)勢。
　　交流電熱驅動高電導率流體會在驅動電極周圍產生一定的溫升，為避免電場及高溫對細胞的傷害，將自循環(huán)芯片設計成細胞培養(yǎng)區(qū)與泵送區(qū)分離的環(huán)形通道，并用熱電偶溫度傳感器分別對細胞培養(yǎng)區(qū)與泵送區(qū)進行溫度檢驗。泵送區(qū)通過三十對電極產生交流電熱驅動芯片中的流體，并用熒光微球作為示蹤粒子測量流體驅動速率。以電壓幅值

6、為3V、頻率為10MHz的電信號驅動芯片，對HEK293T細胞與SW620細胞分別動態(tài)培養(yǎng)72h。結果表明細胞生長良好，揭示了交流電熱自循環(huán)芯片在細胞培養(yǎng)中的優(yōu)勢。對自循環(huán)芯片電極參數進行改進，并改良微通道的形狀，減少自循環(huán)芯片中的流阻。最后，用不同濃度的抗癌藥物5-氟尿嘧啶在片上對SW620細胞進行藥物實驗，得出SW620細胞對不同濃度5-氟尿嘧啶的片上耐藥曲線。
　　為解決片上器官系統(tǒng)中不同溶液的混合問題，設計產生混合作用的重