CN104974934B - 体外细胞自动抓取共养平台系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种体外细胞自动抓取共养平台系统，其目的在于开发一种运用于细胞培养系统的生物芯片设计，此发明的技术特征为：1.共养平台：建构出适合培养多种细胞的微环境。2.动态灌流：利用微流道系统以动态更换培养基，以维持适当的细胞生长环境。3.自动抓取：藉由利用流阻概念使欲培养的细胞能自动定位于适当位置，以减低因人工操作对细胞造成伤害的机率。

Description

体外细胞自动抓取共养平台系统

【技术领域】

本发明是公开一种体外细胞自动抓取共养平台系统，其目的在于开发一种运用于细胞培养系统的生物芯片设计，是利用微流道技术来达到减化制程的功效并有效解决细胞共养与细胞定位的相关问题。

【背景技术】

细胞培养是生物科技中重要的一环，然而目前已知的培养技术仍以在培养皿上进行液珠培养较为常见，单一细胞培养虽可容易控制培育参数，但忽略了实际多种细胞间的相互影响，再者，培养皿的培育环境并无法有效模拟细胞的培育环境，使着培育出的细胞质量仍有待提升。

有众多学者提出可利用生物芯片来改善培育质量，并且发现对于培育细胞施以外加的物理性刺激(电场、流场、磁场、温度场或其组合)能有效提升细胞的培育质量，但各种刺激参数的优劣尚未有所定论。

再者，细胞于生物芯片中的定位步骤仍有待突破，已知利用人工逐一配置容易因夹持力道的差异，而对细胞产生损伤进而影响到培育质量。

综上所述，因此，本发明的发明人经多年苦心潜心研究、思索并设计一种体外细胞自动抓取共养平台系统，以针对现有技术的缺陷加以改善，进而增进产业上的实施利用。

【发明内容】

有鉴于上述已知的问题，本发明的目的是提出一种体外细胞自动抓取共养平台系统，是利用微流道技术来达到减化制程的功效并有效解决习知细胞共养与细胞定位的相关问题。

有鉴于上述已知的问题，本发明的目的是提出一种体外细胞自动抓取共养平台系统，是整合细胞共养、动态灌流及抓取定位等多项功能进行整合设计，并将芯片制程、结构与操作步骤简化，以建构出适合细胞生长的微环境，进而达成细胞培养的目的。

有鉴于上述已知的问题，本发明的目的是提出一种体外细胞自动抓取共养平台系统，藉由动态灌流以适时更换培养基，以避免细胞生成的排泄物或死亡细胞堆积于细胞共养平台中，进而影响到培育质量。

有鉴于上述已知的问题，本发明的目的是提出一种体外细胞自动抓取共养平台系统，藉由芯片化设计能有效提升操作人员的检测效率并降低人为操作所造成的影响。

基于上述目的，本发明是提供一种体外细胞自动抓取共养平台系统，其包含动态培养流道模块、多个细胞共养平台、抓取定位流道模块以及控制模块。

动态培养流道模块可包含培养基注入端、培养基回收端及多个灌流流道，多个灌流流道的一端是以培养基注入端为中心辐射排列，多个灌流流道的另一端是汇流于培养基回收端。多个细胞共养平台，可为提供多个基底细胞与多个培育细胞进行细胞共养的区域，多个细胞共养平台是以培养基注入端为圆心排列，且每一多个细胞共养平台是被相对应的每一多个灌流流道贯穿，并于每一多个细胞共养平台以形成相对应的每一多个细胞定位区。

抓取定位流道模块可包含细胞注入端、细胞吸引端及细胞流道，细胞流道是环状环绕且贯穿多个细胞共养平台，并环绕于多个细胞共养平台的外侧且与多个灌流流道相连接。

控制模块，当进行培育细胞定位程序时，控制模块先封闭培养基注入端及培养基回收端，并开启细胞注入端及细胞吸引端，再于细胞注入端注入多个培育细胞，多个培育细胞可藉由细胞流道流经多个细胞共养平台，并依据动态流阻的差异分别停留于相对应的多个细胞定位区，当多个培育细胞定位于多个细胞定位区后，控制模块封闭细胞注入端及细胞吸引端并开启培养基注入端及培养基回收端，并从培养基注入端注入培养基以进行细胞共养的一个动态灌流培养程序。

较优选地，多个培育细胞可包含胚胎细胞、器官组织细胞或干细胞。

较优选地，多个基底细胞可为相对应多个培育细胞的共生细胞族群。

较优选地，多个细胞定位区的结构尺寸是小于相对应的多个培育细胞的尺寸。

较优选地，当多个细胞共养平台进行一个初步培养程序时，控制模块先封闭细胞注入端及细胞吸引端，再于培养基注入端注入包含多个基底细胞之培养基，培养基可藉由多个灌流流道以流动分散至多个细胞共养平台中，多个基底细胞附着于多个细胞共养平台中，以进行初步培养程序。

较优选地，当多个培育细胞分别定位于多个细胞定位区后，未定位于多个细胞定位区的多个培育细胞是于细胞吸引端回收。

较优选地，控制模块从多个灌流流道输入培养基，以将多个培育细胞回冲至培养基注入端，并于培养基注入端取出多个培育细胞。

较优选地，多个培育细胞的注入流量范围可为0.05～10μl/min。

较优选地，动态灌流培养程序的培养基的注入流量范围可为0.01～5μl/min。

本发明的主要目的是在于提供一种体外细胞自动抓取共养平台，其可具有下述多个优点：

1.微环境建构：藉由不同的微流道结构，以建构出适合细胞生长的微环境，进而达成细胞培养的目的。

2.共养平台建构：建构适合同时培养多种细胞的结构平台，以仿真多种细胞于培养过程中的相互影响，以改善习知仅针对单一细胞培养的缺点。

3.动态灌流系统：除了能动态更换培养基以外，更能于培养基置换过程中对细胞施加外力刺激，以提升细胞培养的质量及效率。

4.细胞抓取定位：藉由计算微流道系统中的动态流阻以进行微流道结构设计，并让细胞在适当的驱动流速下能自动定位于所默认的区域内，以避免细胞受损。

5.环状阵列设计：多个细胞共养平台系以培养基注入端为圆心进行环状阵列排列，能有效降低流场的紊流现象，以降低流场的剪应力对培育细胞造成过多的外力影响，进而提升细胞培养的质量。

为了让上述目的、技术特征以及实际实施后的优势更为明显易懂，于下文中将以较优选的实施例结合对应相关的图式来进行更详细的说明。

【附图说明】

本发明的上述及其他特征及优势将藉由参照附图详细说明其例示性实施例而变得更显而易知，其中：

图1为本发明的体外细胞自动抓取共养平台系统的芯片流道系统结构示意图。

图2为本发明的体外细胞自动抓取共养平台系统的芯片流道系统示意图。

图3为本发明的体外细胞自动抓取共养平台系统的动态流阻概念示意图。

图4为本发明的体外细胞自动抓取共养平台系统的细胞抓取定位流程示意图。

图5为本发明的体外细胞自动抓取共养平台系统的共养平台流道示意图。

图6为本发明的体外细胞自动抓取共养平台系统的体外细胞培育流程示意图。

【附图符号说明】

10 动态培养流道模块

11 培养基注入端

12 培养基回收端

13 多个灌流流道

20 细胞共养平台

30 抓取定位流道模块

31 细胞注入端

32 细胞吸引端

33 细胞流道

35 细胞定位区

40 控制模块

50 培育细胞

51 基底细胞

511 生成基底细胞

60 培养基

70 流道系统外模

80 基板

Q 流体流量

R1 第一路径

R2 第二路径

R3 第三路径

A～I 流道系统节点

【具体实施方式】

为便于贵审查员了解本发明的特征、内容与优点及其所能达成的效果，现将本发明配合附图，并以实施例的表达形式详细说明如下，而其中所使用的附图，其主旨仅为示意及辅助说明书，未必为本发明实施后的真实比例与精准配置，故不应就所附的附图的比例与配置关系解读、限制本发明于实际实施上的权利范围。

本发明的优点、特征以及达到的技术方法将参照例示性实施例及所附附图进行更详细地描述而更容易理解，且本发明或可以不同形式来实现，故不应被理解为仅限于此处所陈述的实施例，相反地，对本领域技术人员而言，所提供的实施例将使本公开内容更加透彻与全面且完整地传达本发明的范畴，且本发明将仅为所附的权利要求书所定义。

请同时参阅图1及图2，由图中可知悉，本发明的体外细胞自动抓取共养平台系统系包含动态培养流道模块10、细胞共养平台20、抓取定位流道模块30及控制模块40。动态培养流道模块10包含培养基注入端11、培养基回收端12及多个灌流流道13，多个灌流流道13的一端是以培养基注入端11为中心辐射排列，多个灌流流道13的另一端是汇流于培养基回收端12。

多个细胞共养平台20，为提供多个基底细胞51与多个培育细胞50进行细胞共养的区域，多个细胞共养平台20系以培养基注入端11为圆心排列，且每一多个细胞共养平台20系被相对应的每一多个灌流流道13贯穿，并于每一多个细胞共养平台20以形成相对应的每一多个细胞定位区35。

抓取定位流道模块30包含细胞注入端31、细胞吸引端32及细胞流道33，细胞流道33系环状环绕且贯穿多个细胞共养平台20，并环绕于多个细胞共养平台20的外侧且与多个灌流流道13相连接。

控制模块40，系控制体外细胞自动抓取共养平台系统的各流程步骤，此控制模块40可藉由操作者于培育台中进行手动操控，亦可藉由自动化设备以可程序化自动操控，以降低人员操作的影响及提升细胞的培育效率。

本发明的体外细胞自动抓取共养平台系统系以芯片型态呈现，故利用光阻显影以建构整体的流道系统的母模，再经由软模翻印制程方式将母模翻制成流道系统外模70，并结合于基板80上以便于移动检测，基板80可为压克力基板或玻璃基板。

其中流道系统外模70的材质为具生物相容性的高分子材料，合成高分子生医材料有聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate，PMMA)、聚乙烯(polyethylene，PE)、硅胶(silicone rubber or polydimethylsiloxane)、聚酯类高分子(polyester)、四氟化聚乙烯(polytetrafluoroethylene，PTFE)、聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)与聚胺基甲酸酯(polyurethane，PU)等。天然生医高分子材料胶原蛋白(collagen)、明胶(gelatin)、透明质酸(hyaluronic acid)、几丁质(chitin)、几丁聚醣(chitosan)、褐藻酸(alginate)、纤维素(cellulose)及其衍生物等。

请参阅图3，由图中可知悉，本发明是利用动态流阻的概念以将细胞自动定位于细胞定位区35，藉由计算微流道系统中的动态流阻以进行微流道结构设计，并让细胞在适当的驱动流速下能自动定位于所默认的区域内，以避免细胞受损，其概念详述如下：

当流体流量O由细胞注入端31注入到细胞流道33中时，首先第一路径R1是依次通过流道系统节点A、B、C及D，此第一路径R1的流阻较小使得第一路径R1的流量较大，能将细胞优先定位于细胞共养平台20与灌流流道13所形成的细胞定位区35中，以图3为例说明时，流道系统节点C即为细胞定位区35。

当细胞自动抓取定位于流道系统节点C时，因流道系统节点C阻塞使流阻增加，流体流量O则沿流道系统节点A、B、E、F、G、H及D所形成的第二路径R2流动，将细胞定位于流道系统节点G。

当各细胞定位区35均被细胞所阻塞时，流体流量O则沿流道系统节点A、B、E、F、I、H及D所形成的第三路径R3流动，将未定位的细胞藉由流经细胞流道33于细胞吸引端32汇集以回收细胞检体。

请参阅图4，其为细胞抓取定位流程的示意图。由图中可知悉，当进行培育细胞50定位程序时，控制模块40先封闭培养基注入端11及培养基回收端12，使动态培养流道模块10成封闭态样，并开启细胞注入端31及细胞吸引端32以畅通细胞流道33，再于细胞注入端31注入多个培育细胞50，多个培育细胞50可藉由细胞流道33流经多个细胞共养平台20，并依据动态流阻的差异分别停留于相对应的多个细胞定位区35。

细胞定位区35的结构尺寸是小于相对应的培育细胞50的尺寸，再者细胞定位区35的结构可为单层结构或利用多重结构以调整灌流流道13贯穿细胞共养平台20的开口尺寸。

请参阅图5，由图中可知悉，细胞共养平台20为提供基底细胞51与培育细胞50进行细胞共养的区域，多个细胞共养平台20是以培养基注入端11为圆心排列，且每一多个细胞共养平台20系被相对应的每一多个灌流流道13贯穿，并于每一多个细胞共养平台20以形成相对应的每一多个细胞定位区35。

进一步说明，本实施例的多个细胞共养平台20仅以5个为例，但不限于此。多个细胞共养平台20以培养基注入端11为圆心进行环状阵列排列，能有效降低流场的紊流现象，以降低流场的剪应力对培育细胞50造成过多的外力影响，进而提升细胞培养的质量。培育细胞50可包含胚胎细胞、器官组织细胞或干细胞，而基底细胞51则为相对应培育细胞50的共生细胞族群。

请参阅图6，其为体外细胞培育流程示意图。由图中可知悉，流程步骤说明如下：当多个细胞共养平台20进行一个初步培养程序时，控制模块40先封闭细胞注入端31及细胞吸引端32，再于培养基注入端11注入包含多个基底细胞51的培养基60。培养基60可藉由多个灌流流道13以流动分散至多个细胞共养平台20中，多个基底细胞51附着于多个细胞共养平台20中，以进行初步培养程序。

动态灌流培养一段时间后，附着于细胞共养平台20的基底细胞51可培育为生成基底细胞511，此生成基底细胞511填充于细胞共养平台20内部以建构出适合培育细胞50生长的微环境。利用细胞共养平台20以模拟多种细胞于培养过程中的相互影响，能改善习知仅针对单一细胞培养的缺点。

当微环境建构完成后，则进行培育细胞50的自动定位程序，控制模块40先封闭培养基注入端11及培养基回收端12，并开启细胞注入端31及细胞吸引端32，再于细胞注入端31注入多个培育细胞50。多个培育细胞50可藉由细胞流道33流经多个细胞共养平台20，并依据动态流阻的差异分别停留于相对应的多个细胞定位区35。其中培育细胞50的注入流量范围可为0.05～10μl/min。

当多个细胞定位区35分别自动定位多个培育细胞50后，尚未定位于多个细胞定位区35的多个培育细胞50则经由细胞流道33流至细胞吸引端32以进行检体回收。

接下来，当多个培育细胞50定位于多个细胞定位区35后，控制模块40封闭细胞注入端31及细胞吸引端32并开启培养基注入端11及培养基回收端12，并从培养基注入端11注入培养基60以进行细胞共养的动态灌流培养程序。培养基60的种类是可依据相对应的培养步骤以调整替换。动态灌流培养程序除了能动态汰换培养基60以外，更能于培养基60置换的过程中对培育细胞50施加外力刺激，以提升培育细胞50的培养质量及效率。其中动态灌流培养程序的培养基60的注入流量范围可为0.01～5μl/min。

当培育细胞50生长到目标阶段时，可选择发育最优选的培育细胞50，藉由控制模块40从多个灌流流道13反向输入培养基60，以将培育细胞50回冲至培养基注入端11，并于培养基注入端11取出发育最优选的培育细胞50，以提升后续细胞培养的成功机率及质量。

举例说明，本发明的体外细胞自动抓取共养平台系统的培育系采用子宫内膜细胞为基底细胞51，小鼠之受精胚胎为培育细胞50为例进行说明，但不限于此。

培养基60则随培育过程中选择适当的种类，例如：在培育基底细胞51时，选用DMEM培养基以将子宫内膜细胞稳定且均匀地于细胞共养平台20中进行初步培育，以建构成适合培育细胞50成长的微环境。此时的动态灌流培养的培养基60注入流量范围为0.05～2μl/min。由显微镜等观察设备检测纪录得知，基底细胞51在第二天时已趋于稳定成长，此时即可将培育细胞50由抓取定位流道模块30注入以进行细胞定位。此时的培育细胞50的注入流量范围系为0.01～1μl/min。由观察设备可得知，本发明的芯片系统能有效将培育细胞50定位于相对应之细胞定位区35中。

随之，将培养基60置换成可同时培育子宫内膜细胞与胚胎细胞的M16培养基，以进行共养步骤。此时的动态灌流培养的培养基60注入流量范围为0.01～1μl/min，以适时更换培养基60，以避免细胞生成的排泄物或死亡细胞堆积于细胞共养平台20中，进而影响到培育质量。

由实验结果发现，利用本发明的芯片系统所培育的胚胎细胞成长速度较传统的培养皿培育来着快，能将八细胞的小鼠胚胎于24小时后培育至囊胚期，证明子宫内膜细胞的生长因子有利于胚胎细胞的发展，且亦证明本发明的芯片系统亦确实能建构出适合胚胎细胞生长的微环境，本发明系可应用于生物芯片、细胞培养等有关的领域，尤其特别适用于辅助生殖技术，能协助各医院生殖医学中心进行相关研究。

以上所述的实施例仅为说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，而不能以之限定本发明的专利范围，即依据本发明所揭示的精神所作的均等变化或修饰，仍应涵盖在本发明的专利范围内。

Claims (9)

1.一种体外细胞自动抓取共养平台系统，其特征在于，包含：

一个动态培养流道模块，包含一个培养基注入端、一个培养基回收端及多个灌流流道，该多个灌流流道的一端是以该培养基注入端为中心辐射排列，该多个灌流流道的另一端是汇流于该培养基回收端；

多个细胞共养平台，为提供多个基底细胞与多个培育细胞进行细胞共养的区域，该多个细胞共养平台是以该培养基注入端为圆心排列，且每一该多个细胞共养平台是被相对应的每一该多个灌流流道贯穿，并于每一该细胞共养平台形成相对应的细胞定位区；

一个抓取定位流道模块，包含一个细胞注入端、一个细胞吸引端及一个细胞流道，该细胞流道是环状环绕且贯穿该多个细胞共养平台，并环绕于该多个细胞共养平台的外侧且与该多个灌流流道相连接；以及

一个控制模块，当进行一个培育细胞定位程序时，该控制模块先封闭该培养基注入端及该培养基回收端，并开启该细胞注入端及该细胞吸引端，再于该细胞注入端注入该多个培育细胞，该多个培育细胞系通过该细胞流道流经该多个细胞共养平台，并依据动态流阻的差异分别停留于相对应的该多个细胞定位区，当该多个培育细胞定位于该多个细胞定位区后，该控制模块封闭该细胞注入端及该细胞吸引端并开启该培养基注入端及该培养基回收端，并从该培养基注入端注入一种培养基以进行细胞共养的一个动态灌流培养程序。

2.如权利要求1所述的体外细胞自动抓取共养平台系统，其特征在于，该多个培育细胞包含胚胎细胞、器官组织细胞或干细胞。

3.如权利要求1所述的体外细胞自动抓取共养平台系统，其特征在于，该多个基底细胞为相对应该多个培育细胞的共生细胞族群。

4.如权利要求1所述的体外细胞自动抓取共养平台系统，其特征在于，该多个细胞定位区的结构尺寸小于相对应的该多个培育细胞的尺寸。

5.如权利要求1所述的体外细胞自动抓取共养平台系统，其特征在于，当该多个细胞共养平台进行一个初步培养程序时，该控制模块先封闭该细胞注入端及该细胞吸引端，再于该培养基注入端注入包含该多个基底细胞的该培养基，该培养基通过该多个灌流流道以流动分散至该多个细胞共养平台中，该多个基底细胞附着于该多个细胞共养平台中，以进行该初步培养程序。

6.如权利要求1所述的体外细胞自动抓取共养平台系统，其特征在于，当该多个培育细胞分别定位于该多个细胞定位区后，未定位于该多个细胞定位区的该多个培育细胞是于该细胞吸引端回收。

7.如权利要求1所述的体外细胞自动抓取共养平台系统，其特征在于，该控制模块从该多个灌流流道输入该培养基，以将该多个培育细胞回冲至该培养基注入端，并于该培养基注入端取出该多个培育细胞。

8.如权利要求1所述的体外细胞自动抓取共养平台系统，其特征在于，该多个培育细胞的注入流量范围为0.05～10μl/min。

9.如权利要求1所述的体外细胞自动抓取共养平台系统，其特征在于，该动态灌流培养程序的该培养基的注入流量范围为0.01～5μl/min。