阅读说明：本技术 一种对细胞多角度力学测量的微流控芯片及其制作方法 (A kind of micro-fluidic chip and preparation method thereof of pair of cell multi-angle mechanical meaurement ) 是由 杨浩 朱博韬 程亮 李相鹏 李婉婷 孙研珺 于 2019-08-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种对细胞多角度力学测量的微流控芯片及其制作方法,所述的微流控芯片由设有微通道的PDMS盖片与刻蚀有电极的ITO玻璃基片键合封装而成,可在非接触条件下对细胞进行多角度力学测量,具有成本低、测量快速、对细胞损害小等优点；其制作方法简单,生产效率高,可以实现批量生产,具有广阔的商业应用前景。(The invention discloses the micro-fluidic chips and preparation method thereof of a kind of pair of cell multi-angle mechanical meaurement, the micro-fluidic chip is formed by the PDMS cover plate for being equipped with microchannel with the ito glass substrate bonding packaging for being etched with electrode, multi-angle mechanical meaurement can be carried out to cell under noncontact condition, have many advantages, such as that at low cost, measurement is quick, small to cell damage；Its production method is simple, high production efficiency, may be implemented to produce in batches, has wide commercial application prospect.)

一种对细胞多角度力学测量的微流控芯片及其制作方法

技术领域

本发明涉及微流控芯片及其制造，具体涉及一种对细胞多角度力学测量的微流控芯片及其制作方法。

背景技术

微流控(Microfluidics)技术是MEMS技术的重要分支之一，是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析全过程。由于它在生物、化学、医学等领域的巨大潜力，已经发展成为一个生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等学科交叉的崭新研究领域，是目前发展较为迅速的多学科交叉科技前沿技术之一，在生命科学、临床医学、化学化工、制药、食品卫生、环境检测与监测、信息科学与信号检测等学科中有重要应用。

微流控技术通常要使用微分析器件作为技术实现的载体，而微流控芯片是各类微分析器件中发展最为迅速的。微流控芯片是利用MEMS技术，在硅、石英、玻璃或高分子聚合物基材上加工出各种微结构，如微管道、微反应池、微电极等功能单元，然后以微管道来连通微泵、微阀、微储液器、微检测元件等具有流体输送、控制和检测监视功能的元器件，最大限度地将稀释、添加试剂、采样、反应、分离分散、检测、监视等过程集成在芯片上的微全分析系统。微流控芯片的面积通常为几到几十平方厘米，其微通道尺寸一般处于微米级或近毫米级。微流控芯片有着成本低、可批量制造、操作简单、重复性好、可靠性高等优势。

目前普遍认为的生物芯片(micro-arrays)，如基因芯片、蛋白质芯片等只是微流量为零的点阵列型杂交芯片，功能非常有限，属于微流控芯片(micro-chip)的特殊类型，微流控芯片具有更广泛的类型、功能与用途，可以开发出生物计算机、基因与蛋白质测序、质谱和色谱等分析系统，成为系统生物学尤其系统遗传学的极为重要的技术基础。虽然存在多种微流控芯片及其应用，但是却没有对细胞进行多角度力学测量的微流控芯片。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种对细胞多角度力学测量的微流控芯片，以弥补现有的微流控芯片种类及其应用的不足。

具体的，本发明的对细胞多角度力学测量的微流控芯片，由基片和盖片封装而成，所述的盖片为设有微通道的聚二甲基硅氧烷(PDMS)，其中，微通道AB段与AC段相对位于中心线的AD段对称设置，AE段为AD段的直线延长段，AB段与AC段具有相同的宽度，AD段与AE段具有相同的宽度且宽于AB段与AC段，微通道的B端、C端、D端和E端分别对应设置第一进液口、第二进液口、第三进液口和出液口，∠BAC为30°-60°；所述的基片为尺寸略大于盖片的ITO(氧化铟锡)玻璃，其氧化铟锡层上刻蚀有电极，所述电极位于微通道AE段内并与之紧密键合，包括彼此互相间隔的一个上电极和两个下电极。

上述技术方案中，所述的微通道AB段、AC段与AD段、AE段的宽度比为1∶2.0-3.0。

进一步的，所述的微通道AB段、AC段的宽度为200微米，AD段、AE段的宽度为450微米。

上述技术方案中，∠BAC为60°。

上述技术方案中，上电极和下电极的间距为30～60微米，两个下电极之间的间距为15-30微米。

本发明也提供了一种上述对细胞多角度力学测量的微流控芯片的制作方法，具体包括下述步骤：

(1)在ITO玻璃的氧化铟锡层上刻蚀彼此互相间隔的一个上电极和两个下电极作为基片；

(2)光刻得到阳膜，倒模得到PDMS微通道，微通道AB段与AC段相对位于中心线的AD段对称设置，AE段为AD段的直线延长段，AB段与AC段具有相同的宽度，AD段与AE段具有相同的宽度且宽于AB段与AC段，微通道的B端、C端、D端和E端分别对应设置第一进液口、第二进液口、第三进液口和出液口，∠BAC为30°-60°(∠BAC表示微通道AB与微通道AC之间形成的夹角)；

PDMS微通道的具体制作工艺如下：

在硅片上涂覆光刻胶；

将涂覆好光刻胶的硅片进行烘烤；

将烘烤后的硅片通过预设的掩膜版进行光刻工艺得到微流道的模具；

将所述硅片四周围起形成盒状腔体；

在所述盒状腔体中倒入树脂溶液；

将所述树脂溶液固化后，与硅片分离，得到含有微流道的微流道层。

3)将ITO玻璃基片与PDMS盖片通过对准平台进行对准，使得电极位于微通道AE段内，紧密键合，即得微流控芯片。

上述技术方案中，所述的微通道AB段、AC段与AD段、AE段的宽度比为1∶2.0-3.0。

进一步的，所述的微通道AB段、AC段的宽度为200微米，AD段、AE段的宽度为450微米。

上述技术方案中，∠BAC为60°。

上述技术方案中，上电极和下电极的间距为30～60微米，两个下电极之间的间距为15-30微米。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明首次公开了一种可以对细胞进行多角度力学测量的微流控芯片，通过控制微通道的宽度比及角度，实现电极对细胞的捕获，在不同的方向对细胞进行拉伸，可在非接触的条件下对细胞进行多角度力学测量，该微流控芯片经清洗后可重复使用，具有成本低、测量快速、对细胞损害小等优点。本发明的微流控芯片的制作方法简单，生产效率高，可以实现批量生产，具有广阔的商业应用前景。

附图说明

图1为未经加工的ITO玻璃结构示意图；

图2为刻蚀电极后的ITO玻璃基片结构示意图；

图3为图2ITO玻璃基片的电极局部放大图；

图4为制作好微通道的PDMS结构示意图；

图5为键合封装的微流控芯片的立体结构示意图；

图6为键合封装的微流控芯片的俯视图；

图7为键合封装的微流控芯片的内部结构示意图；

其中，1为ITO玻璃基片、2为电极、21为上电极、22/23为下电极、3为盖片、4为微通道、51为第一进液口、52为第二进液口、53为第三进液口、6为出液口。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述。

实施例1

如图1-7所示，ITO玻璃是在钠钙基或硅硼基基片玻璃的基础上，利用溅射、蒸发等多种方法镀上一层氧化铟锡(俗称ITO)膜加工制作成的导电玻璃。利用光刻等工艺以及湿法刻蚀技术，将ITO玻璃制作成本发明的电极2形状作为基片1，即通过软光刻工艺以及刻蚀技术(传统成熟技术)，将ITO玻璃基片1上的一层氧化铟锡制作成本发明的需要的形状，电极2包括彼此互相间隔的一个上电极21和两个下电极22、23，上下电极之间的间距为30微米，两个下电极22、23之间间距为15微米。聚二甲基硅氧烷(PDMS)是有机硅的一种，因其成本低，使用简单，同硅片之间具有良好的粘附性，而且具有良好的化学惰性等特点，成为一种广泛应用于微流控等领域的聚合物材料。将PDMS制作出微通道4(通过软光刻工艺)作为盖片3，其中，微通道AB段与AC段相对位于中心线的AD段对称设置，AE段为AD段的直线延长段，AB段与AC段具有相同的宽度，AD段与AE段具有相同的宽度且宽于AB段与AC段，微通道的B端、C端、D端和E端分别对应设置第一进液口51、第二进液口52、第三进液口53和出液口6，∠BAC为30°，微通道AB段与AC段的宽度为200um，AD段与AE段的宽度为400um。将ITO玻璃基片1放在下面，PDMS盖片3放在上面，通过对准平台进行对准，紧密键合防止液体渗漏，电极2恰好位于微通道4的AE段内。

实施例2

通过软光刻工艺以及刻蚀技术，将ITO玻璃基片1上的一层氧化铟锡制作成本发明的需要的形状，电极2包括彼此互相间隔的一个上电极21和两个下电极22、23，上下电极之间的间距为60微米，两个下电极22、23之间间距为30微米。通过软光刻工艺将PDMS制作成微通道4的形状作为盖片3，其中，微通道AB段与AC段相对位于中心线的AD段对称设置，AE段为AD段的直线延长段，AB段与AC段具有相同的宽度，AD段与AE段具有相同的宽度且宽于AB段与AC段，微通道的B端、C端、D端和E端分别对应设置第一进液口51、第二进液口52、第三进液口53和出液口6，∠BAC为45°，微通道AB段与AC段的宽度为200um，AD段与AE段的宽度为600um。将ITO玻璃基片1放在下面，PDMS盖片3放在上面，通过对准平台进行对准，紧密键合防止液体渗漏，电极2恰好位于微通道4的AE段内。

实施例3

通过软光刻工艺以及刻蚀技术，将ITO玻璃基片1上的一层氧化铟锡制作成本发明的需要的形状，电极2包括彼此互相间隔的一个上电极21和两个下电极22、23，上下电极之间的间距为45微米，两个下电极22、23之间间距为20微米。通过软光刻工艺将PDMS制作出微通道4的形状作为盖片3，其中，微通道AB段与AC段相对位于中心线的AD段对称设置，AE段为AD段的直线延长段，AB段与AC段具有相同的宽度，AD段与AE段具有相同的宽度且宽于AB段与AC段，微通道的B端、C端、D端和E端分别对应设置第一进液口51、第二进液口52、第三进液口53和出液口6，∠BAC为60°，微通道AB段与AC段的宽度为200um，AD段与AE段的宽度为450um。将ITO玻璃基片1放在下面，PDMS盖片3放在上面，通过对准平台进行对准，紧密键合防止液体渗漏，电极2恰好位于微通道4的AE段内。

实施例4

如附图7所示，以实施例3制作的微流控芯片捕获细胞并进行多角度力学测量，微通道AB和微通道AC与微通道AD的夹角都为30度。打开微流泵以15ul/min的流速的在微通道AD中通入含有细胞的DEP缓冲液(DEP为介电泳，也称双向电泳，是介电常数较低的物体在非匀强电场中受力的现象。介电力大小与物体是否带电无关，与物体的大小、电学性质、周围介质的电学性质以及外加电场的场强、场强变化率、频率有关。本发明所用的DEP缓冲液，主要成分如下，100ml去离子水，8.5g蔗糖，0.3g葡萄糖，0.4mg氯化钙。这个溶液有如下作用，首先细胞可以存活时间长(等渗，4个小时以上)，氯化钙的作用是调节电导率，0.4mg恰好使溶液电导率为100us/cm，此成分的量可以调节。)，在微通道AB和微通道AC中通入不含有细胞的DEP缓冲液。这样由于层流作用(层流是流体的一种流动状态，它作层状的流动。流体在管内低速流动时呈现为层流，其质点沿着与管轴平行的方向作平滑直线运动。流体的流速在管中心处最大，其近壁处最小。管内流体的平均流速与最大流速之比等于0.5)，大部分细胞会被聚集在微通道DE的中间，便于电极捕获到。

其次，在上电极21和下电极22之间通入2Mhz、2Vpp的正弦波，细胞是从右往左流动，所以细胞流动的时候会先接触上电极21，被上电极21吸引捕获，这种电极通电方法能提高细胞被捕获在上电极21上的概率。当有细胞被捕获在上电极21上时，关闭微流泵，停止注入任何溶液，停止对上电极21和下电极22之间通电。

然后可以对细胞进行多角度力学特性测量，具体的方法是，上电极21与下电极22之间的电压从2Vpp提高到8Vpp(电压过高，细胞会失去活性)，然后上电极21与下电极23之间同样通2Vpp到8Vpp的正弦波，最后，下电极22和下电极23接信号发生器一端，上电极21接另一端，再次从2Vpp把电压提高到8Vpp，这样一来，就有3组数据，分别是细胞在不同的方向进行拉伸。

实验完毕，可以依次通入无水乙醇和空气清洗芯片，便于以后使用。

具体的，对小鼠红细胞进行多角度力学特性测量分析。

首先，以10ul/min的流速通入含有红细胞的DEP缓冲液，在上电极21和下电极22上接入峰值4Vpp、频率1.5MHz的正弦波，等到有一个红细胞被捕获到上电极21上，关闭微流泵，停止注入DEP缓冲液。

此时，在上电极21和下电极22上提高电压，从4Vpp增加到8Vpp，记录红细胞的形变。然后在上电极21和下电极23上提高电压，从3Vpp增加到8Vpp，记录红细胞的形变。最后，上电极21接正极，下电极22和23接负极，同时提高电压，从4Vpp增加到8Vpp，记录红细胞的形变。

数据：上电极21和下电极22，细胞形变从0.12增加到0.26。

上电极21和下电极23，细胞形变从0.13增加到0.25。

上电极21和下电极22和23，细胞形变从0.18增加到0.35。

分析：上电极21和下电极22，上电极21和下电极23分别通电，此时细胞的形变量是差不多一样的。单独通电，细胞受到的DEP力是相同的，只是方向不同。上电极21和下电极22、23通电，此时两个方向的DEP力叠加，合力为向下的，由于3个电极差不多各45度角的位置，所以合力为单独的一个方向DEP力的根号2倍，所以细胞形变为0.18到0.35。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。