图解微流控｜第39期

细胞是生物形态结构和生命活动的基本单位。近20年来，细胞的研究已从细胞整体和亚细胞结构深入到分子结构^[1]（图13-1），特别是不仅要从形态上研究细胞各部分的亚显微结构、超微结构和分子结构，还要从功能上研究细胞内各个部分的化学组成和新陈代谢、信号传递等生命活动并力图阐明它们之间的关系和相互作用，进而发现生物有机体的生长、分化、遗传、变异等基本生命活动的规律。

微流控芯片已成为新一代细胞研究极其重要的平台。微流控芯片所具有的不同操作单元技术灵活组合，整体可控和规模集成的特点在用于细胞研究的过程中主要表现为以下几点：1）芯片通道尺寸（通常10-100 μm）与典型哺乳类细胞直径大小（10-20 μm）相匹配，利于单细胞操纵、分析；2）芯片的多维网络结构形成相对封闭的环境，与生理状态下细胞的空间特征接近；3）芯片通道微尺度下传热、传质较快，可以提供有利的细胞研究环境；4）芯片可以满足高通量细胞分析的需要，有可能同时获取大量的生物学信息；5）芯片多种单元技术的灵活组合使集成化的细胞研究成为可能，诸如细胞进样、培养、分选、裂解和分离检测等过程都可在芯片上完成^[2]（图13-2）。

13.2.1 细胞培养

细胞培养是生物学研究的基本操作单元，通过一个能模拟体内环境的体外空间，配置以无菌、适当温度、酸碱度和一定营养条件培养细胞，使之生长繁殖并维持其结构和功能。微流控芯片依托于发展中的微加工技术，已能构建不同尺度（纳米级至百微米级）且相对独立的二维或三维网络结构，实现各种功能单元如微泵、微阀和微反应器等在局部区域的集成，逐步具有更加全面复杂的功能。

13.2.1.1   PDMS微流控芯片细胞培养平台

在这类应用中PDMS是采用得较多的一种芯片材料，该类材料具有良好的生物相容性，对气体有一定的通透性，有利于细胞培养过程中O₂和CO₂的气体交换。图13-3所示的是一种以PDMS为基材，利用软刻蚀技术制备的微流控芯片细胞培养系统^[3]。以此芯片系统为平台，可实现HepG2细胞连续10天培养。在此基础上构筑的有多层PDMS芯片组成的堆栈式细胞培养器可实现细胞的大规模培养。

13.3.1.2 水凝胶微流控芯片细胞培养平台

水凝胶是另一类可用于细胞培养的材料。作者实验室借鉴通透性水凝胶材料的微加工技术，研制了一系列具有不同功能的二维和三维微结构水凝胶芯片，并将其用于细胞培养^[4]。在玻片表面制备纳米级厚度的水凝胶二维微结构图案，这种结构可使材料（玻璃）表面特定区域具有特定的化学性质。已知部分水凝胶材料如聚丙烯酰胺（PAAM）、聚乙二醇（PEG）等能有效地抑制蛋白质在表面的吸附，进而抑制细胞在表面的粘附生长，因此在合成有水凝胶图案的玻片表面，细胞的粘附和生长呈现出明显的空间取向性（图13-4）。作者实验室用类似技术在玻片表面制得一系列不同形式的水凝胶立体微结构（图13-5），在此基础上，构建了以水凝胶为基材的微流控芯片。这类芯片可对多种不同类型、不同性质的细胞进行定位培养，如悬浮白血病细胞（NB4）（图13-6（b））、贴壁肝癌细胞（HepG2），成纤维细胞（L929）（图13-6（c））等，同时还可实现对不同种系细胞的共培养（图13-7）。

文章来源：《图解微流控芯片实验室》林炳承、秦建华 著