丁建东课题组设计并微加工制备了简便而功能性和适用性强的微流控细胞拉伸芯片

发布时间:2020-11-23 

 

 细胞与其周围微环境的相互作用是组织工程、再生医学等领域的一个重要基础问题。其中,力学转导(即细胞感知并响应力学微环境的行为)是一个复杂的过程,亟待开发简单高效的细胞实验微器件来进行相关研究。丁建东课题组运用先进的微加工技术以及有限元分析,设计并成功制备了一种简化但功能性和适用性强的微流控细胞拉伸芯片。

 常规的微流控拉伸芯片由三层组成,即弹性膜层夹在两个微通道层之间。制作这种微流控芯片需要进行对准和多次键合,而且两侧空腔的薄膜也需要去除,这极大地增加了制备芯片的难度。丁建东课题组设计了独特的两层微流控拉伸芯片。其工作机制是当侧腔在负压下发生弹性变形时,中间腔的弹性膜被拉伸。该芯片的优点是不需要芯片对准,仅需一次键合,而且不需要去除两个侧腔的弹性膜。在显微镜观察弹性膜上的细胞时,工作距离相对于常规的三层芯片更短(图1)。

 

图1.用于细胞拉伸的新型微流控芯片与传统微流控芯片的示意图。传统微流控芯片由三层组成(称为“三层芯片”),而新型微流控芯片仅由两层组成(称为“二层芯片”)。

 从表面上看,这样一种双层芯片不具备可行性,这源于双层结构在负压驱动时中间腔的弹性膜在z方向上必然变化而导致焦平面的改变,或者由于拉伸幅度不足以达到细胞拉伸刺激的要求。丁建东课题组引入了一种将有限元分析与正交实验设计结合的新型方法,在此基础上设计获得最优的芯片结构参数(图2),有望使得在较大拉伸振幅下z方向仅造成较小的变化。

 

图2. 通过有限元分析和正交实验设计优化芯片结构。为了便于模型的计算,我们对芯片结构进行简化,然后通过有限元分析研究了在负压作用下芯片的变形。 最后,通过正交实验设计,使我们能够仅使用计算机模拟而非实验即获得了最佳结构参数。 W1:执行腔的宽度,W2:侧壁的宽度,T:膜的厚度,H:微通道的高度。

 随后结合微电子的光刻等技术,在实验上成功制备了相关的硅橡胶(PDMS)高分子芯片,证实了理论设想。

 丁建东课题组进一步运用双层芯片实现了多种拉伸模式(即单轴拉伸,径向拉伸和梯度拉伸)。使用简单的光掩模设计和制造工艺就可以制备这三种微流控芯片。细胞实验发现,在不同拉伸模式下细胞发生了不同的取向变化(图3)。细胞的取向与薄膜拉伸位移场垂直相关。这是由于细胞为了达到内稳态而倾向排列于扰动最小的方向。

图3. 三种拉伸模式及其细胞实验结果。图从左到右依次为拉伸模式,拉伸后细胞状态和细胞方向统计。 比例尺:200μm。

丁建东课题组还借助双层芯片工作距离短的优势,清楚地观察了单轴拉伸前后细胞的微管和微丝(图4)。

 

图4. 细胞骨架结构的荧光显微照片及其统计数据。(A)单轴拉伸前后的微管(左列)和微丝(中列)的荧光显微照片,并通过作者开发的计算机程序标记两种细胞骨架细丝的取向(右列)。(B)左图显示了单轴拉伸后微管和微丝的取向统计。 右图显示了单轴拉伸前后细胞骨架的序参量。图中标星为显著性差异,其中:“ *” 表示p <0.05、“ **”表示p <0.01、“ ***”表示p <0.001。

 该研究开发了一种简便且功能性和适用性强的微流控细胞拉伸芯片。为细胞与力学微环境相互作用的研究、以及组织工程与再生医学等领域的基础研究提供了便捷的研究工具。

 以上相关成果在Biofabrication发表。Yingning He, Tianjiao Mao, Yexin Gu, Yuqian Yang, Jiandong Ding*, A simplified yet enhanced and versatile microfluidic platform for cyclic cell stretching on an elastic polymer. Biofabrication, 12 (2020) 045032。论文的第一作者是复旦大学高分子科学系、聚合物分子工程国家重点实验室的贺迎宁博士后,通讯作者为该国重主任丁建东教授。

 论文链接:https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1758-5090/abb295