復(fù)旦大學(xué)設(shè)計(jì)并成功制備了一種簡化但功能性和適用性強(qiáng)的微流控細(xì)胞拉伸芯片

細(xì)胞與其周圍微環(huán)境的相互作用是組織工程、再生醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的一個(gè)重要基礎(chǔ)問題。其中，力學(xué)轉(zhuǎn)導(dǎo)（即細(xì)胞感知并響應(yīng)力學(xué)微環(huán)境的行為）是一個(gè)復(fù)雜的過程，亟待開發(fā)簡單高效的細(xì)胞實(shí)驗(yàn)微器件來進(jìn)行相關(guān)研究。復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系丁建東課題組運(yùn)用先進(jìn)的微加工技術(shù)以及有限元分析，設(shè)計(jì)并成功制備了一種簡化但功能性和適用性強(qiáng)的微流控細(xì)胞拉伸芯片。

常規(guī)的微流控拉伸芯片由三層組成，即彈性膜層夾在兩個(gè)微通道層之間。制作這種微流控芯片需要進(jìn)行對準(zhǔn)和多次鍵合，而且兩側(cè)空腔的薄膜也需要去除，這極大地增加了制備芯片的難度。丁建東課題組設(shè)計(jì)了獨(dú)特的兩層微流控拉伸芯片。其工作機(jī)制是當(dāng)側(cè)腔在負(fù)壓下發(fā)生彈性變形時(shí)，中間腔的彈性膜被拉伸。該芯片的優(yōu)點(diǎn)是不需要芯片對準(zhǔn)，僅需一次鍵合，而且不需要去除兩個(gè)側(cè)腔的彈性膜。在顯微鏡觀察彈性膜上的細(xì)胞時(shí)，工作距離相對于常規(guī)的三層芯片更短（圖1）。

圖1.用于細(xì)胞拉伸的新型微流控芯片與傳統(tǒng)微流控芯片的示意圖。傳統(tǒng)微流控芯片由三層組成（稱為“三層芯片”），而新型微流控芯片僅由兩層組成（稱為“二層芯片”）。

從表面上看，這樣一種雙層芯片不具備可行性，這源于雙層結(jié)構(gòu)在負(fù)壓驅(qū)動(dòng)時(shí)中間腔的彈性膜在z方向上必然變化而導(dǎo)致焦平面的改變，或者由于拉伸幅度不足以達(dá)到細(xì)胞拉伸刺激的要求。丁建東課題組引入了一種將有限元分析與正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)合的新型方法，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)獲得最優(yōu)的芯片結(jié)構(gòu)參數(shù)（圖2），有望使得在較大拉伸振幅下z方向僅造成較小的變化。

圖2. 通過有限元分析和正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化芯片結(jié)構(gòu)。為了便于模型的計(jì)算，我們對芯片結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，然后通過有限元分析研究了在負(fù)壓作用下芯片的變形。最后，通過正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，使我們能夠僅使用計(jì)算機(jī)模擬而非實(shí)驗(yàn)即獲得了最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)。W1：執(zhí)行腔的寬度，W2：側(cè)壁的寬度，T：膜的厚度，H：微通道的高度。

隨后結(jié)合微電子的光刻等技術(shù)，在實(shí)驗(yàn)上成功制備了相關(guān)的硅橡膠（PDMS）高分子芯片，證實(shí)了理論設(shè)想。

丁建東課題組進(jìn)一步運(yùn)用雙層芯片實(shí)現(xiàn)了多種拉伸模式（即單軸拉伸，徑向拉伸和梯度拉伸）。使用簡單的光掩模設(shè)計(jì)和制造工藝就可以制備這三種微流控芯片。細(xì)胞實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在不同拉伸模式下細(xì)胞發(fā)生了不同的取向變化（圖3）。細(xì)胞的取向與薄膜拉伸位移場垂直相關(guān)。這是由于細(xì)胞為了達(dá)到內(nèi)穩(wěn)態(tài)而傾向排列于擾動(dòng)最小的方向。

圖3. 三種拉伸模式及其細(xì)胞實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖從左到右依次為拉伸模式，拉伸后細(xì)胞狀態(tài)和細(xì)胞方向統(tǒng)計(jì)。比例尺：200 μm。

丁建東課題組還借助雙層芯片工作距離短的優(yōu)勢，清楚地觀察了單軸拉伸前后細(xì)胞的微管和微絲（圖4）。

圖4. 細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)的熒光顯微照片及其統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。（A）單軸拉伸前后的微管（左列）和微絲（中列）的熒光顯微照片，并通過作者開發(fā)的計(jì)算機(jī)程序標(biāo)記兩種細(xì)胞骨架細(xì)絲的取向（右列）。（B）左圖顯示了單軸拉伸后微管和微絲的取向統(tǒng)計(jì)。右圖顯示了單軸拉伸前后細(xì)胞骨架的序參量。圖中標(biāo)星為顯著性差異，其中：“ *” 表示p <0.05、“ **”表示p <0.01、“ ***”表示p <0.001。

該研究開發(fā)了一種簡便且功能性和適用性強(qiáng)的微流控細(xì)胞拉伸芯片。為細(xì)胞與力學(xué)微環(huán)境相互作用的研究、以及組織工程與再生醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究提供了便捷的研究工具。

以上相關(guān)成果在《Biofabrication》發(fā)表“A simplified yet enhanced and versatile microfluidic platform for cyclic cell stretching on an elastic polymer”。論文的第一作者是復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系、聚合物分子工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的賀迎寧博士后，通訊作者為丁建東教授。

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