(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210615780.5 (22)申请日 2022.06.01 (71)申请人 大连理工大 学 地址 116024 辽宁省大连市甘井 子区凌工 路２ 号 (72)发明人 于苗　覃开蓉　李泳江　薛春东　 陈柯洁　 (74)专利代理 机构 辽宁鸿文知识产权代理有限 公司 21102 专利代理师 王海波 (51)Int.Cl. C12M 1/36(2006.01) C12M 1/34(2006.01) C12M 1/00(2006.01) C12M 3/00(2006.01)C12Q 1/02(2006.01) B01L 3/00(2006.01) (54)发明名称 一种研究力学与生化信号诱发单细胞动力 学响应的高通 量微流控系统及其使用方法 (57)摘要 一种研究力学与生化信号诱发单细胞动力 学响应的高通量微流控系统及其使用方法， 属于 细胞生物学实验装置领域。 该系统包括微流控芯 片及外围加载、 检测与控制装置。 加载装置结合 控制装置， 可捕获或操控大量单细胞， 并对细胞 精确加载不同的动态力学和生化刺激信号。 控制 装置接收来自检测装置实时观测到的单细胞变 形、 运动轨迹、 生化信号时空分布等动态图像信 息、 以及加载装置中的压力/流量值， 以此反馈控 制加载装置， 操控单细胞变形过程并精准控制微 通道流场与生化信号传输， 精 准模拟体内细胞动 态力学和生化微环境。 本发明可实现大量单细胞 的高效捕获与操控， 并用于分析单细胞在不同动 态力学和生化信号刺激下的动力学响应及其机 制等细胞生物学研究。 权利要求书2页 说明书7页 附图3页 CN 114836314 A 2022.08.02 CN 114836314 A 1.一种研究力学与生化信号诱发单细胞动力学响应的高通量微流控系统， 其特征在 于， 所述的高通量微流控系统包括微流控芯片(A)， 细胞注入、 及动态力学和生化信号加载 装置(B)， 单细胞动力学实验检测装置(C)和控制装置(D)； 所述的微流控芯片(A)包括 “圣诞树”+Y型通道组合构成的时空浓度梯度生成器(I)、 细 胞悬浮液入口(C1)、 单细胞操控单元(II)和芯片出口(O1)， “圣诞树”+Y型通道组合构成的 时空浓度梯度生 成器(I)出口、 细胞悬浮液入口(C1)均与单细胞操控 单元(II)的入口相通， 芯片出口(O1)连接单细胞操控单 元(II)的输出通道( ⑤)； 所述的“圣诞树”+Y型通道组合构成的时空浓度梯度生成器(I)包括生化刺激溶液入口 1(S1)、 生化刺激溶液入口2(S2)、 “圣诞树”型微通道和动态缓冲液入口(B1)， 生化刺激溶液 入口1(S1)、 生化刺激溶液入口2(S2)均与 “圣诞树”型微通道的入口端相通， “圣诞树”型微 通道的出口端汇集后， 再与动态缓冲液入口(B1)汇集， 之后连接单细胞操控单元(II)的入 口； 所述的单细胞操控单元(II)包括细胞流动腔( ①)、 细胞变形微通道阵列( ②)、 阻力通 道1(③)、 阻力通道2( ④)和输出通道( ⑤)， 细胞流动腔( ①)是由曲线边界1(1 ‑1)、 曲线边界 2(1‑2)、 直线边界后段(1 ‑3b)和直线边界前段(1 ‑3a)依次围成的近三角形腔， 曲线边界1 (1‑1)和直线边界前段(1 ‑3a)交汇处设有通向阻力通道1( ③)的出口， 曲线边界2(1 ‑2)和直 线边界后段(1 ‑3b)交汇处设有通向阻力通道2( ④)的出口， 阻力通道1( ③)和阻力通道2 (④)向中间汇 集到输出通道( ⑤)， 细胞变形微通道阵列( ②)处于输出通道( ⑤)与细胞流动 腔(①)之间； 细胞变形微 通道阵列( ②)由若干细胞变形微 通道构成； 所述的细胞注入、 及动态力学和生化信号加载装置(B)包括4组可编程注射泵和注射 器， 4个注射器分别与生化刺激溶液入口1(S1)、 生化刺激溶液入口2(S2)、 动态缓冲液入口 (B1)和细胞悬浮液入口(C1)相通， 用于将细胞注入到芯片内， 并注入生化刺激溶液和细胞 培养基； 所述的单细胞动力学实验检测装置(C)包括倒置荧光显微镜、 压力传感器和流量传感 器， 用于实时监测单细胞变形、 运动轨迹、 生化信号时空分布这些动态图像信息、 以及加载 装置中各注射泵的压力/流 量值； 所述的控制装置(D)是计算机， 分别与加载装置(B)和实验检测装置(C)连接， 用于接收 细胞图像、 荧光信号及传感器数据， 并驱动加载装置(B)中的可编程注射泵对注射流量进 行 精确控制。 2.按照权利要求1所述的高通量微流控系统， 其特征在于， 所述的细胞流动腔( ①)的边 界由基于复势W(Z)＝AZ2决定的平面势流流场分布构建的， 曲线边界1(1 ‑1)和曲线边界2 (1‑2)满足公式： 与 式中权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114836314 A 2式中对应坐标系为基于复势W(Z)＝AZ2＝A(x+iy)2＝A(reiθ)2决定的坐标系， Lc为细胞 流动腔(①)的长度， Wc为细胞流动腔( ①)的入口宽度， θ和r是极坐标系下点的极角和极径， r0是曲线边界1(1 ‑1)右侧端点的极径， θ0是曲线边界1(1 ‑1)右侧端点的极角， θ1是曲线边界 1(1‑1)左侧端点的极角； 直线边界前 段(1‑3a)与直线边界后段(1 ‑3b)和通过原点的两条流线重合， 满足 公式 3.根据权利要求1或2所述的高通量微流控系统， 其特征在于， 所述的细胞变形微通道 阵列(②)位于细胞流动腔( ①)的直线边界上， 当细胞被捕获后， 在细胞变形微通道入口处 形成流体驻点； 其中细胞变形微通道的结构可根据研究需要进 行调整， 可包含直通道、 变截 面通道和宽窄周期性变化 通道。 4.根据权利要求1或2所述的高通量微流控系统， 其特征在于， 所述的微流控芯片(A)的 生化刺激溶液入口1(S1)、 生化刺激溶液入口2(S2)、 动态缓冲液入口(B 1)与细胞悬浮液入 口(C1)， 均 与杂质过 滤器相连。 5.权利要求1 ‑4任一所述的高通 量微流控系统的使用方法， 其特 征在于， 步骤如下： 步骤一、 大量单细胞的高效捕获与操控 当高通量微流控系统中各装置连通后， 打开细胞悬浮液入口(C1)， 关闭生化刺激溶液 入口(S1)、 生化刺激溶液入口(S2)和动态缓冲液入口(B1)， 将细胞悬浮液注入到细胞流动 腔(①)中， 通过控制 装置(D)控制加载装置(B)中连接细胞悬浮液注射器的注射泵， 调节流 量以实现将大量单细胞的高效捕获于细胞变形微通道阵列( ②)中或使其有控制地穿过细 胞变形微 通道； 步骤二、 不同动态力学和生化信号定量加载与控制， 并对实时测量监测单细胞的动力 学响应 待细胞被捕获后， 关闭细 胞悬浮液入口(C1)， 打开生化刺激溶液入口(S1)、 生化刺激溶 液入口(S2)和动态缓冲液入口(B1)； 向生化刺激溶液入(S1)口和生化刺激溶液入口(S2)通 入相同的流量恒定且相等的生化刺激溶液， 向动态缓冲液入(B1)口通入流量随时间动态变 化的细胞培养基， 从而可对每一个捕获细胞施加相同的动态力学和生化信号刺激； 或向生 化刺激溶液入口(S1)和生化刺激溶液入口(S2)分别通入流量恒定且相等的生化刺激溶液 和细胞培养基， 向动态缓冲液入口(B1)通入流量随时间动态变化的细胞培养基， 从而可对 每一个捕获细胞施加相同的动态力学信号刺激和具有线性空间分布的动态生化信号； 通过 荧光显微镜实时监测记录不同动态力学和生化信号信号刺激下的单细胞动力学响应过程， 并将细胞影 像、 荧光信号等反馈给控制装置(D)。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114836314 A 3