CN115975804B - 一种用于细胞培养和自动加药的芯片装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于细胞培养和自动加药的芯片装置及方法，装置包括：设有一对加药模块的加药层，其包括第一加样口；与第一加样口相连通的液池；间隔设置且与第一加样口相通的多个第一连通通道，第一连通通道上分别设有通气结构以及一个毛细通道；装置还包括与加药层相配合的培养层，培养层包括第二加样口、出样口；与毛细通道对应设置并与其相连通的多个培养单元，多个培养单元包括：分别与第二加样口、出样口相连接的首部、尾部培养单元，且多个培养单元通过第三连通通道由首部至尾部培养单元实现依次串联；其中第三连通通道与培养单元之间设置有止流阀结构。该装置可在无外部动力源的场景下实现简单加样、自动化分样，操作简单成本低。

Description

一种用于细胞培养和自动加药的芯片装置及方法

技术领域

本发明涉及药物筛选领域，具体涉及一种用于细胞培养和自动加药的芯片装置及方法。

背景技术

药物筛选是现代药物开发流程中检验和获取具有特定生理活性化合物的一个步骤，系指通过规范化的实验手段从大量化合物或者新化合物中选择对某一特定作用靶点具有较高活性的化合物的过程。药物筛选的过程从本质上讲就是对化合物进行药理活性实验的过程，随着药物开发技术的发展，对新化合物的生理活性实验从早期的验证性实验，逐渐转变为筛选性实验，即所谓的药物筛选。

作为筛选，需要对不同化合物的生理活性做横向比较，因此药物筛选的实验方案需具有标准化和定量化的特点。随着组合化学和计算化学的发展，人们开始有能力在短时间内大规模合成和分离多种化合物，因而在现代新药开发流程中药物筛选逐渐成为发现先导化合物的主要途径之一。其中，由于微流控芯片技术具有所需样本量少、准确度高、不开盖低污染等多种优势，现已经成为药物筛选的主要手段之一。

例如，专利申请号为CN202011512726.5的中国专利申请，其公开了一种肿瘤类器官培养和药物实验的微流控系统及使用方法。该专利中的微流控系统采用了分体式设计，实现了肿瘤类器官的批量培养及进行药物效用测试实验，并且通过配合显微镜能够实时、持续地对于肿瘤类器官的生长、药物响应等进行观察。

但是，其所采用的分体式设计使得工作人员在使用时需要进行多次手动连接，如此既增加了实验的操作难度，同时增加了污染风险。并且该专利中采用类似“圣诞树”结构的第一微流控芯片以用于产生药物浓度梯度，这种类似“圣诞树”的流道设计必须要依赖于外界动力源(如外部泵)进行灌注加药。而外接动力源通常体积庞大，结构复杂，增加了研制与使用成本，而且不易于携带，给现场实时检测带来了诸多不便。此外，其中圆形培养腔室通过直线型通道被间接性地串联在了一起，因此，在向直线型通道进行药物注入以及后续实验的过程中，间接串联的圆形培养腔室之间存在交叉污染的可能性。

又例如，专利申请号为CN201811036347.6的中国发明申请，其公开了一种高通量肿瘤靶向药物浓度筛选微流控器件。该微器件由细胞进样层、气动薄膜层和细胞操控层组成。其中细胞进样层可以实现多种细胞的同时进样。但是，该专利中的微流控器件同样地需要外部泵以实现灌注，并且该微流控器件中的细胞培养池在实验过程中也存在类似的交叉污染的风险。

再例如，专利申请号为CN201910249206.0的中国发明申请，其公开了一种3D高通量器官微芯片及其制备方法和应用。该芯片包括顺次层状设置的储液层、3D培养层和底板层，可用于高通量药物筛选。但是，针对该专利中的每一个储液孔、培养微孔均需要单独进行手动或机械加样。因此在实验过程中工作人员需要频繁多次地进行加样操作，而这种重复的操作极容易发生误操作，如加样位置发生偏差从而导致邻近的一个或几个储液孔发生交叉污染。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于细胞培养和自动加药的芯片装置，以部分地解决或缓解现有技术中的上述不足，能够提高药物筛选的效率与便捷性。

为了解决上述所提到的技术问题，本发明具体采用以下技术方案：一种用于细胞培养和自动加药的芯片装置，包括：加药层，所述加药层上设置有至少一对加药模块，且所述加药模块包括：

第一加样口，所述第一加样口的开口位于所述加药层的表面；

液池，所述液池与所述第一加样口相连通；

间隔设置的多个第一连通通道，所述第一连通通道的第一端分别与所述液池相连通，所述第一连通通道的第二端设置有用于与外部空气相连通的通气结构，且所述第一连通通道上还延伸开设有第二连通通道，其中所述第二连通通道为毛细通道；

所述芯片装置还包括：与所述加药层相配合的培养层，其中，所述培养层包括：

第二加样口，所述第二加样口的开口位于所述培养层的表面；

以及与所述第二连通通道相对应设置，并与对应的所述第二连通通道相连通的多个培养单元，其中所述培养单元包括：与所述第二加样口直接相连的首部培养单元，以及与设置在所述培养层上的第二出样口直接相连的尾部培养单元；

以及与所述培养单元相对应设置的第三连通通道，且所述第三连通通道的至少两个端部分别与对应的所述培养单元相连通，从而使得多个所述培养单元从所述首部培养单元至所述尾部培养单元通过所述第三连通通道依次串联；其中，所述端部被设置为具有毛细作用，且所述第三连通通道中远离所述端部处的毛细作用小于所述端部处的毛细作用。

在一些实施例中，所述培养层还包括：与所述第三连通通道相连通的废液移除结构。

在一些实施例中，所述第三连通通道为U形通道，且所述U形通道的两侧的内径分别沿靠近所述端部的方向逐渐变窄。

在一些实施例中，所述废液移除结构包括：与所述第三连通通道相连通的废液池。

在一些实施例中，所述废液移除结构还包括：

间隔设置的多个废液通道，且所述废液通道的第一端与所述废液池相连通；

吸液池，所述吸液池与所述废液通道的第二端相连通；其中，所述废液通道的第一端与所述废液池之间设置有高度差，使得当所述芯片装置处于正面朝上的水平状态时，所述废液通道的第一端高于所述废液池的底部。

在一些实施例中，所述废液通道的第二端与所述吸液池之间设置有高度差，使得当所述芯片装置处于正面朝上的水平状态时，所述废液通道的第二端高于所述吸液池的底部。

在一些实施例中，所述培养单元靠近所述U形通道的一侧开设有第一开口，所述第一开口与所述端部相连通，且所述第一开口的尺寸小于所述端部的横截面尺寸。

在一些实施例中，所述通气结构包括：设置在所述第一连通通道上的气道，以及与所述气道相连接的气槽；其中，所述气道的内径小于所述第二连通通道的内径。

在一些实施例中，所述加药模块还包括：入池通道，所述入池通道的第一端、第二端分别与所述第一加样口、所述液池相连通，其中，所述入池通道的内径小于1mm，所述第一加样口的内径大于1mm。

在一些实施例中，所述入池通道的第二端的开口高于所述液池的底部。

在一些实施例中，所述加药模块还包括：第一出样口，以及出池通道，且所述出池通道的第一端、第二端分别与所述第一出样口、所述液池相连通，其中，所述出池通道的第二端高于所述入池通道的第二端，且所述出池通道的内径小于1mm。

在一些实施例中，所述芯片装置经过液体石蜡进行灌注处理。

在一些实施例中，所述芯片装置经过亲水性处理，其中，亲水性处理所采用的步骤包括：向所述芯片装置内部灌注聚醚溶液，并使得所述芯片装置的内部由所述聚醚溶液在第一温度下浸泡达第一时长；其中，所述聚醚溶液的浓度为5％-20％，所述第一温度为0-37℃，所述第一时长为3-24h。

在一些实施例中，所述培养层经过盐酸多巴胺进行灌注处理，其中，灌注处理所采用的步骤包括：向所述培养层内部灌注盐酸多巴胺溶液，并使得所述培养层的内部由所述盐酸多巴胺溶液在第二温度下浸泡达第二时长，其中，所述盐酸多巴胺溶液的浓度为0.5-5mg/mL，所述第二温度为15-42℃，所述第二时长为2-6h。

在一些实施例中，所述培养层的内部通过胶原进行处理。

本发明第二方面还提供了一种使用芯片装置进行细胞培养和自动加药的方法，包括步骤：

S101提供如上述实施例中任意所述的一种芯片装置；

S102在第二出样口处于开放的状态下，向第二加样口加入第三样品直至至少一个培养单元被所述第三样品完全填充；

S103封闭所述第二出样口，并继续向所述第二加样口加入所述第三样品，使得所述第三样品逐渐填充第三连通通道；

S104移除所述第三连通通道中多余的所述第三样品,从而使得所述培养单元之间处于相互独立的状态；

S105将所述芯片装置放置于预设的培养环境中进行培养，使得所述第三样品凝胶化；

S106从其中一个第一加样口中加入第一样品，并从另一个第一加样口中加入第二样品，以使得所述第一样品、第二样品分别进入到对应的所述培养单元中，其中，所述第一样品、第二样品共同在凝胶化的所述第三样品中扩散并形成浓度梯度；

其中，所述第一样品包括：待检测的药物；所述第二样品包括：缓冲液，和/或培养基；所述第三样品包括：细胞悬液。

有益技术效果：本发明中的芯片装置可以简单地实现药物、细胞悬液等各类样品的快速加样，以及自动化的批量分样，操作步骤简单，实现成本也较低。尤其适应于药物筛选试验的初筛阶段，以及现场实时检测等实验场景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明一示例性实施例中的芯片装置的结构示意图；

图2为图1所示芯片装置的俯视图；

图3为图1所示芯片装置的第一侧视图；

图4为图1所示芯片装置的第二侧视图；

图5为本发明又一示例实施例中的顶层的结构示意图；

图6为本发明又一示例实施例中的加药层的结构示意图；

图7为本发明又一示例实施例中的培养层的结构示意图；

图8为本发明第一具体实施例中的加药层的表面的结构示意图；

图9为本发明第一具体实施例中的加药模块的局部结构示意图；

图10为本发明第一具体实施例中培养层的局部结构示意图；

图11为本发明第一具体实施例中培养单元以及U形通道的结构示意图；

图12为本发明第二具体实施例中的加药层的结构示意图；

图13为本发明第二具体实施例中的加药模块的内部结构第一示意图；

图14为本发明第二具体实施例中的加药模块的内部结构第二示意图；

图15为本发明第二具体实施例中加药模块的剖面示意图；

图16为本发明一示例性实施例中的废液移除结构的局部示意图；

图17a为本发明中的废液移除结构的第一实施例的结构示意图；

图17b为本发明中的废液移除结构的第二实施例的结构示意图；

图18为本发明中第三具体实施例中培养层的结构示意图；

图19为图18所示培养层中的U形通道的结构示意图；

图20为本发明中第四具体实施例中培养层的结构示意图；

图21为本发明中第五具体实施例中培养层的结构示意图；

图22为本发明图21所示培养层的实验过程示意图；

图23为本发明中图7所示的培养层的实验过程中的液体流动的第一示意图；

图24为本发明中图7所示的培养层的实验过程中的液体流动的第二示意图；

图25为本发明图6所示的加药层的实验过程中液体流动状态的示意图；

图26为本发明一示例性实施例中用于细胞培养和自动加药的芯片装置的实验过程示意图；

图27为本发明又一实施例中的培养层的结构示意图；

图28为本发明另一实施例中的培养层的结构示意图。

附图标记：10a为顶层，10b为加药层，11为第一加样口，12为第一出样口，13为气槽，14入池通道，15出池通道，16为液池，17为第一连通通道，18为第二连通通道，19为气道；20为培养层，21为废液池，22为废液通道，23为第三连通通道，231为端部，232为第一开口，24为第二加样口，25为吸液池，26为培养单元，26a为首部培养单元，26b为尾部培养单元，261为第二开口，27为第二出样口，28为第四连通通道，29为第五连通通道。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本文中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身没有特定的意义。因此，“模块”、“部件”或“单元”可以混合地使用。

本文中，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前”、“后”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本文中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本文中“和/或”包括任何和所有一个或多个列出的相关项的组合。

本文中“多个”意指两个或两个以上，即其包含两个、三个、四个、五个等。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

如在本说明书中使用的，术语“大约”，典型地表示为所述值的+/-5％，更典型的是所述值的+/-4％，更典型的是所述值的+/-3％，更典型的是所述值的+/-2％，甚至更典型的是所述值的+/-1％，甚至更典型的是所述值的+/-0.5％。

在本说明书中，某些实施方式可能以一种处于某个范围的格式公开。应该理解，这种“处于某个范围”的描述仅仅是为了方便和简洁，且不应该被解释为对所公开范围的僵化限制。因此，范围的描述应该被认为是已经具体地公开了所有可能的子范围以及在此范围内的独立数字值。例如，范围的描述应该被看作已经具体地公开了子范围如从1到3，从1到4，从1到5，从2到4，从2到6，从3到6等，以及此范围内的单独数字，例如1，2，3，4，5和6。无论该范围的广度如何，均适用以上规则。

名词释义：

本文中，“水凝胶”指的是一种由亲水的大分子材料交联形成的三维网络结构凝胶，其可在水中溶胀形成高含水量的凝胶状结构，因其结构与功能与细胞外基质类似，在生物材料的领域具有重要以及广泛的应用价值。例如，天然、人工合成的水凝胶可作为一种细胞以及类器官培养基质。本文中提到的水凝胶包括但不限于：明胶及其衍生物、海藻酸盐及其衍生物、几丁质以及其衍生物、PEG以及其衍生物、F127以及其衍生物、F68及其衍生物、脱细胞基质材料、胶原及其衍生物、透明质酸及其衍生物、基质胶以及其衍生物。

本文中，“相互独立”指的是两个或多个空间之间不会发生液体交换的状态，或者，发生液体交换的可能性非常低的状态。例如，培养单元之间相互独立指的是，相邻的两个培养单元之间几乎不会发生液体交换(例如，在相邻的两个培养单元之间，液体出现“断流”的情况)，或者，相邻两个培养单元之间发生液体交换的可能性很低。

实施例一

参见图1-图28，本发明提供了一种用于细胞培养和自动加药的芯片装置。

在一些实施例中，如图1所示，芯片装置包括：用于加入药物的加药层10b，以及用于细胞培养、观察的培养层20。优选地，在加药层10b上还设置有顶层10a，以用于密封所述加药层中的部分结构。

如图6所示，在一些实施例中，加药层上设有至少一对加药模块，且所述加药模块包括：

第一加样口11，所述第一加样口11的开口位于所述加药层的表面；

液池16，所述液池16与所述第一加样口11相连通；

间隔设置的多个第一连通通道17，多个所述第一连通通道17的第一端分别与所述液池16相连通，所述第一连通通道17的第二端设置有用于与外部空气相连通的通气结构，且所述第一连通通道17上还延伸开设有第二连通通道18，其中所述第二连通通道18为毛细通道。

进一步地，所述芯片装置还包括：与所述加药层相配合的培养层，其中，如图7所示，所述培养层包括：

第二加样口24，所述第二加样口24的开口位于所述培养层的表面；

以及与所述第二连通通道相对应设置，并与对应的所述第二连通通道相连通的多个培养单元26，其中所述培养单元包括：与所述第二加样口24直接相连的首部培养单元，以及与设置在所述培养层上的第二出样口27直接相连的尾部培养单元；

以及与所述培养单元相对应设置的第三连通通道23，且所述第三连通通道23的至少两个端部231分别与对应的所述培养单元26相连通，从而使得多个所述培养单元从所述首部培养单元至所述尾部培养单元通过所述第三连通通道依次串联；其中，所述端部被设置为具有毛细作用，且所述第三连通通道23中远离所述端部处的毛细作用小于所述端部处的毛细作用。

例如，在一些实施例中，如图7、图18、图20、图21所示，设置在最外侧的两个培养单元26分别为首部培养单元和尾部培养单元，在首部培养单元、尾部培养单元之间还间隔设置有至少一个中部培养单元。其中，首部培养单元与第二加样口相连接，尾部培养单元则与第二出样口相连，且第三连通通道依次对首部培养单元、中部培养单元以及尾部培养单元进行串联连接，从而使得多个培养单元形成一条串联的通路。因此，当向第二加样口注入液体(即细胞悬液)时，液体可以经过这条串联的通路并从第二出样口中流出。

或者，在另一些实施例中，多个培养单元也可以通过第三连通通道形成两个或两个以上串联的通路。相对应的，也可以设置多个首部培养单元以及尾部培养单元。

或者，在另一些实施例中，如图27所示，培养层中设置有一个首部培养单元26a和一个尾部培养单元26b，其中，第二加样口24、第二出样口27设置在两个培养单元的同侧，两个培养单元的另一侧则通过第三连通通道(也即U形通道)23相互串联。优选地，本实施例中的两个培养单元所形成的串联通路(或者说，“C”形通路)可用作为一个实验组进行药物筛选试验。

在一些实施例中，首部培养单元、尾部培养单元、中部培养单元的结构均相同，如均被设置为长方形的凹槽，便于药物以及缓冲液可沿长方形的长边方向形成浓度梯度。当然，多个培养单元也可以被设置为不同的结构。

或者，在另一些实施例中，如图28所示，培养单元与第三连通通道23相连通的一侧(也被称为培养单元的端部)的宽度(即沿X方向上的尺寸)被设置为尺寸渐变的形式。具体地，培养单元的端部的宽度被设置为沿靠近第三连通通道的方向逐渐减小。例如，培养单元的端部可以被设置为呈漏斗形、半圆形、半椭圆形等结构。

本实施例中，宽度渐变的形式可以在一定程度上减缓培养单元与第三连通通道之间的截面变化趋势，从而在一定程度上减少或缓解第一阻力(也即第三连通通道对液体流动产生的阻力)的作用，避免液体(即细胞悬液)优先注入废液移除结构中。可以理解的是，如果第一阻力过大，工作人员在使用注射器时所施加的注入压力相应地也会增大，由此导致液体的流速也会相应地加快。而液体在进入第三连通通道的过程中，过快的流速(或者说，过大的注入压力)很容易直接将液体推送至废液移除结构中，从而影响液体对培养单元、第三连通通道的正常填充过程。

当然，本实施例中只是适当地减小了培养单元的端部与第三连通通道的端部之间的截面变化差异，而非消除差异。因此在注射器注入完成之后，第三连通通道仍然能够对培养单元内部的处于相对静止状态下的液体起到相应的限流作用。

可以理解的是，首部培养单元与第二加样口之间的“直接相连”指的首部培养单元与第二加样口之间不存在其他的培养单元。具体地，首部培养单元可以与第二加样口直接接触相连通，或者，首部培养单元也可以通过第四连通通道28(优选地设置为毛细管道)与第二加样口相连通。

优选地，在一些实施例中，首部培养单元通过第四连通通道与所述第二加样口相连通，且第四连通通道的内径沿所述第二加样口的方向至首部培养单元的方向逐渐减小。本实施例中，当从第二加样口进行加样时，第四连通通道逐渐减小的内径设计将对液体起到引流作用，同时，第四连通通道的内径设计还可以限制首部培养单元中的液体回流至第四连通通道以及第二加样口内。

同样地，尾部培养单元与第二出样口之间的“直接相连”也指的是尾部培养单元与第二出样口之间不存在其他培养单元。例如，如图18所示，在一些实施例中，尾部培养单元通过第五连通通道29与所述第二出样口27相连通，且第五连通通道29的内径沿所述第二出样口27的方向至尾部培养单元的方向逐渐减小。与U形通道、第四连通通通的设计类似，第五连通通道的尺寸设计可以在一定程度上限制尾部培养单元中的液体溢出。或者，在另一些实施例中，尾部培养单元也可与第二出样口直接接触相连。

在一些实施例中，如图7所示，第三连通通道23被设置为毛细管道，且第三连通通道23的两侧的内径被设置为沿远离培养单元的方向逐渐增大，以使得第三连通通道23的两侧的毛细作用沿远离培养单元的方向逐渐减小。因此，在本实施例中，培养单元中的液体在进入第三连通通道时将会受到限流的作用(具体地，当对培养层完成加样之后，注射器不再向细胞悬液提供动力，在没有外部作用力作用的情况下，培养单元内部的液体在相应的限流作用下将难以向第三连通通道中外溢)。换句话说，第三连通通道的两侧的结构设计相当于提供了一个具有限流作用的微阀，可以为液体流动提供一个第一阻力。

本实施例中的芯片装置综合利用微流控结构的特点，以及水凝胶的物理性能实现了液体在芯片装置内部的自主流动(也即是说，本发明提供了一种新的动力系统，可以无需依赖外部动力源进行灌注)，并可快速地形成了相对稳定的浓度梯度。

下面结合贴壁细胞的药物筛选过程对本示例性实施例中的技术方案进行说明：

首先采用注射器将细胞悬液(由贴壁细胞、培养基所制备得到)注入第二加样口中，细胞悬液在注射器的推动作用下可依次进入多个培养单元、第三连通通道23(推动作用可以克服第一阻力)内，而多余的细胞悬液可经由培养单元再通过第二出样口27排出。在此过程中，多个培养单元可以被细胞悬液完全填充，而第三连通通道23内部可能会有部分细胞悬液的残留(或者，在另一些实施例中，第三连通通道也可以被完全填充)。随后将对第三连通通道23中的多余的细胞悬液(也被称为“废液”)进行吸取(如采用吸水纸、棉球等吸取工具)，待第三连通通道23中的废液被全部吸收(或者，在另一些实施例中，使得废液被部分地吸收以使得第三连通通道23中无明显液体残留)。最终，第三连通通道23中的微阀设计以及第三连通通道内部的无液体环境有效地切断了相邻培养单元之间的液体交换的路径，从而为药物筛选提供了多个相互独立的培养环境。

进一步地，可将加入细胞悬液的芯片装置放置于大约37℃的细胞培养箱使得各个培养单元内部的细胞悬液胶原凝胶化。随后向其中一个第一加样口11中加入药物，药物依次经过液池、第一连通通道、第二连通通道进入到对应的培养单元26，向另一个第一加样口11加入不含药物的缓冲液，缓冲液同样地依次经过液池、第一连通通道、第二连通通道进入到对应的培养单元26，药物、缓冲液分别在胶原凝胶化的细胞悬液中渗透以快速地形成浓度梯度。其中，微阀的设计可以在一定程度上避免药物或缓冲液外溢，也即是可以保证所形成的浓度梯度具有良好的稳定性。

优选地，在一些实施例中，如图7、图11所示，所述第三连通通道23为U形通道，且所述U形通道的两侧的分别沿靠近所述端部的方向逐渐变窄。

优选地，在一些实施例中，所述培养单元26靠近所述第三连通通道23的一侧开设有第一开口232，所述第一开口与所述端部相连通，且所述第一开口的尺寸小于所述端部的横截面尺寸。

例如，在一些实施例中，如图11所示，两个相邻的培养单元通过U形通道相连通，且培养单元上的第一开口232小于U形通道的横截面大小，其中，U形通道的两侧的分别沿靠近所述端部的方向逐渐变窄。本实施例中U形通道可以对培养单元内的液体起到一定的限流作用。并且，在后续的液体移除，或在后续的细胞培养、药物筛选过程中，即使培养单元中有少量液体溢出至U形通道内，U形通道也能限制溢出的液体继续进入邻接的另一培养单元内。

具体地，在一些实施例中，培养单元的第一开口232高于所述U形通道的底部，从而保证细胞悬液可以优先填充满培养单元，随后再进入U形通道内部。

在一些实施例中，如图15所示，第一连通通道和第二连通通道18共同构成了一个弯折的流道结构，该弯折的流道结构向下开口(如图13所示的第二开口261)与培养单元相连通。

在一些实施例中，用于吸取废液的吸取工具可以包括以下一种或多种：滤纸、吸水纸、海绵、止血棉、冻干水凝胶等。

当然，在另一些实施例中，液体的移除方法还可以包括：移液器移除废液、液体蒸发、注射器移除废液、吸管移除废液。

在一些实施例中，U形通道在培养层、加药层上对应地设置有相应开口，从而使得工作人员可以直接从U形通道的开口处移除U形通道中的废液(也即多余的细胞悬液)。

当然，在另一些实施例中，为了高效地清除U形通道(即第三连通通道23)中的废液，所述培养层还包括：与所述U形通道相连的废液移除结构。

进一步地，在一些实施例中，所述废液移除结构包括：与所述U形通道相连通的废液池21。

例如，在一些实施例中，如图20所示，为每一个U形通道都设置有一个废液池21。通过在废液池中放置吸水棉，可以快速地吸取U形通道中的残余液体，从而使得各个培养单元之间可以相互独立而不会发生液体交换。

又例如，在一些实施例中，如图21所示，多个培养单元间隔设置在培养层的表面上，而U形通道分别设置在培养单元的两侧，且在培养单元的两侧还分别设置有一个共用的废液池21。废液池21与同侧的所有U形通道相连通。其中，废液池可以设计为矩形槽的形式，当向矩形槽内设置吸水纸或吸水棉时，则可以一次性处理掉同侧U形通道中的废液。

为了应对废液量多，或者培养单元数量设置较多的情况，优选地，在一些实施例中，如图7所示，所述废液移除结构还包括：

间隔设置的多个废液通道22，且所述废液通道的第一端与所述废液池相连通；

吸液池25，且所述吸液池与所述废液通道的第二端相连通；

其中，所述废液通道的第一端与所述废液池之间设置有高度差，使得当所述芯片装置处于正面朝上的水平状态时(也即如图7所示表面呈正面朝上设置时)，所述废液通道的第一端高于所述废液池底部。

如图16所示，在一些实施例中，废液通道22采用毛细管道，且废液通道22第一端的开口高于废液池底面的高度。因此，在废液进入废液移除结构的过程中，将优先填充满废液池，然后再进入废液通道22内，以在一定程度上减小废液移除结构对细胞悬液的流动造成干扰。最后，将吸取工具(如吸水棉)设置在吸液池内以对废液移除结构以及U形通道中的废液进行吸取。

本实施例中的废液移除结构设计既可以对过量的废液(如过量的细胞悬液)进行有效地收集与移除，同时可以减少移除废液过程中对培养单元内部液体的影响。

可以理解的是，采用吸水纸等工具可以对U形通道中的废液进行快速地提取，因而U形通道内的废液将在短时间内快速流动，这将会带动U形通道中的气压快速变化降低。在此过程中，培养单元内没有完全凝胶化的细胞悬液也可能会在气压作用下，克服第一阻力而溢出。本实施例中增设的废液通道以及吸液池等结构，可以有效地缓解气压变化从而减少废液移除过程中对于培养单元内部的细胞悬液的影响。

优选地，在一些实施例中，所述废液通道的第二端与所述吸液池之间存在高度差，使得当所述芯片装置处于正面朝上的水平状态时，所述废液通道的第二端高于所述吸液池底部。具体地，废液通道22第二端的开口(也被称为第三开口)还高于吸液池底部，以使第三开口小于吸液池的截面(与废液通道连接的一侧的截面)的尺寸。因此，一旦废液过量时，这些过量的废液将相对优先地填充满各个废液通道，然后再进入吸液池中。由此可以通过在吸液池中设置提取工具(如吸水棉等)一次性移除全部废液。

可以理解的是，废液池、吸液池的几何形状可根据需求进行适应性的设计。如图17a所示，本实施例中吸液池25可以设置为矩形槽。如图17b所示，本实施例中吸液池25也可以设置为三角形槽。

本发明实施例中的多个培养单元以及U形通道的设计可以实现自动化分样，从而通过一次或少次加样操作以实现批量化加样的效果。并且，通过利用U形通道以及液体移除结构的配合作用，在批量加样后可以快速将处于连通状态的培养单元转化为相互独立的培养空间。由此，培养单元在进行细胞培养与加药时可以稳定地保持各自的独立性，以避免药物发生扩散而在实际应用中产生影响。

在一些实施例中，如图17a和图17b所示，废液通道可以为竖直通道，也可以为L型通道。

在一些实施例中，U形通道与废液池之间存在高度差。具体地，废液池与U形通道相连接的开口处略高于U形通道的底部，保证液体能够优先满足培养单元的填充需求，避免过度流出至废液池中。

为了便于进行液体移除操作，可以将废液池设置为长形废液池，便于用户的操作时，放置吸水纸，或者吸水棉球等物品。

进一步地，在一些实施例中，所述通气结构包括：设置在所述第一连通通道17上的气道19，以及与所述气道相连接的气槽13；其中，所述气道的内径小于所述第二连通通道。

例如，在一些实施例中，如图12所示，液池16中延伸出多个第一连通通道17，且第一连通通道远离液池的一侧分别设有第二连通通道18(用于连通培养单元)、气道19(用于与外部空气相连通以平衡气压)。

例如，在一些实施例中，气道19可以直接将开口设置在加药模块的表面，因而在一些实施例中也可以省略气槽结构。

或者，在另一些实施例中，还可以在加药模块上设置通用的气槽13，多个气道19与气槽相连通从而与外部环境相连通。

优选地，在一些实施例中，如图13所示，当芯片装置呈正面(即如图2所示的表面)朝上水平放置时，气道19与第一连通通道17的高度相同或近似相同，且气道19的内径小于第一连通通道17的内径。

可以理解的是，液体在注射器的作用下具了有一定的流速(也即具有一定的动力)。当具有一定流速的液体进入到更细的管道内时，由于管道内径偏小，因此液体在单位时间内的流量也将会减小，这相当于是对液体的流动给予了一个阻力(也被称为第二阻力)。而液体在流动时将会优先地进入到没有阻力，或者阻力更小的管道内。因此，在本实施例中，第一连通通道中的具有一定流速的液体(或者说，具有一定动力的液体)将会优先地进入到内径更大的第二连通通道内，而不会优先进入气道。

在一些实施例中，如图8-图9所述加药模块还包括：入池通道(也被称为“IR通道”)14，所述入池通道的第一端、第二端分别与所述第一加样口11、所述液池16相连通，其中，所述入池通道的内径小于大约1mm，且所述第一加样口11的内径大于大约1mm。

本实施例中，第一加样口的内径被设置为大于1mm，以减少毛细作用对第一加样口的影响。例如，其内径可设置在大约1mm-6mm之间，优选地设置为直径约为3.9mm的圆形孔洞结构，以与普通的注射器相匹配。

优选地，在一些实施例中，入池通道(IR通道)的第一端的开口略高于第一加样口的底部，以防止入池通道中的液体回流至第一加样口。可以理解的是，本实施例中的防回流设计同样地也利用了毛细作用的原理。

优选地，在一些实施例中，所述入池通道的第二端的开口高于所述液池16的底部，从而在一定程度上防止液池中的液体回流至第一加样口。

在一些实施例中，如图8-9所示，所述加药模块还包括：第一出样口，以及出池通道(也被称为“RO通道”)15，且所述出池通道的第一端、第二端分别与所述第一出样口、所述液池16相连通，其中，所述出池通道的第二端高于所述入池通道的第二端，且所述出池通道的内径小于大约1mm。

在一些实施例中，第一出样口12的内径小于第一加样口的内径。

本实施例中，RO通道与液池连接的开口略高于IR通道与液池连接的开口。其中，RO通道的高开口的设计一方面可防止液体从RO通道内回流进入液池，另一方面还也可起到封闭液池的作用(具体地，由于RO通道采用了高开口设计，液体会优先充满液池，直至液面高度达到RO通道开口高度时，才可进入RO通道内)。

在一些实施例中，IR通道、RO通道的横截面被设计为方形，以便于加工。在一具体实施例中，IR通道、RO通道的横截面宽度为0.5mm。

当然，可以理解的是，本实施例中的通道、液池等结构尺寸(如长度、宽度等)的设计可以实际需求进行适应性调整。

在一些实施例中，如图12所示，加药层上分别设置有两对加药模块，且每对加药模块均采用上下对称的设计。在实际使用过程中，其中一对加药模块可以作为实验组(分别加入待筛选的药物、用于与药物混合的缓冲液进行观察实验)，另一对加药模块则可以作为对照组。

在一些实施例中，加药层(也可称为“加药芯片”)上还可以设置两对以上加药模块。同样地，可以任选其中一对加药模块作为对照组，将其他的两对或多对加药模块作为实验组。其中，两对或多对实验组可以用于实现同一药物的不同浓度范围的药物实验，也可以分别用于进行不同药物的药物实验。

本实施例中通过在加药芯片上设置多对加药模块，由此可以快速简便地实现批量加药，从而快速地进行多组药物实验。

下面对上述实施例中的芯片装置的制备方法进行说明：

在一些实施例中，如图1、图3和图4所示，芯片装置由多层芯片组合而成。具体地，如图1所示，芯片装置依次由顶层10a、加药层10b、培养层20等多层芯片组合而成。其中，顶层用于对芯片装置中的部分结构(如液池、入池通道、出池通道)进行密封。当然，在另一些实施例中也可以通过各类密封膜(如密封薄膜等)对芯片装置进行密封处理。

可以理解的是，本发明实施例中的芯片装置既可以采用一体成型的方式进行制备，也可以分别由多层芯片组合制备而成。

在一些实施例中，各层芯片之间可以通过以下一种或多种方式进行密封或接合：密封胶带、密封薄膜、封板膜、PDMS薄膜、疏水薄膜、插销、塞子、隔板等。

例如，在一些实施例中，培养单元、U形通道等结构可以被设置在培养层的表面，并通过疏水膜(如疏水胶布)对其表面进行粘贴，以对培养单元、U形通道进行密封。其中，疏水膜的设置可以在一定程度上减少液体在通道内部的残留。

或者，在另一些实施例中，也可以利用交错结构的设计，直接通过加药层对培养层的部分通道结构进行密封。

又或者，在另一些实施例中，培养单元、U形通道等结构可以直接设置在培养层的内部，因而无需借助外部结构(如加药层、密封膜进行密封)。

同样地，为了便于加工，可将液池、入池通道、离池通道等结构设置在加药层的表面，借助顶层或密封薄膜实现封装。当然，加药层中的液池、入池通道、离池通道等结构也可以被设置在加药层内部，因而无需依赖顶层进行封装。

在一些实施例中，各层芯片之间既可以通过胶带粘粘在一起，也可以通过其他机械方式固定连接(如多层芯片被夹持固定，或者通过螺钉方式固定连接)。

在一些实施例中，如图1所示，顶层10a、加药层10b、培养层20等芯片层具有相同或相近的尺寸(如图2所示的X、Y方向上的尺寸均相同或相近)，且依次以重叠的方式固定连接。为了保证位于顶层下方的加药层10b、培养层20能够顺利实现样品的加入、排出以及气压的平衡，在顶层上设置有与加药层中的第一加样口、第一出样口、气槽等结构相对应的开口(如图5所示，这些开口设计也相当于第一加样口、第一出样口、气槽等结构的一部分)，以及与培养层中第二加样口、第二出样口以及吸液池等结构相对应的开口(这些开口分别相当于第二加样口、第二出样口、吸液池的一部分)。

当然，在另一些实施例中，顶层、加药层、培养层等多个芯片层的尺寸并不一定相同，或者，各个芯片层之间可相互交错设置，以省略上述的部分开口设计。

例如，培养层的尺寸略大于加药层、顶层的尺寸，以使得加药层或顶层均无法完全覆盖培养层中的所有结构(如第二加样口、第二出样口、吸液池等结构)。因此，在本实施例中，无需在顶层、加药层上另外开设与第二加样口等结构对应的开口。同样地，加药层的尺寸也可以大于顶层的尺寸，以使得顶层仅用于密封液池、入池通道、离池通道等结构，而第一加样口、第一出样口的开口可以正常朝外，便于实验过程中的加样与出样。

在一些实施例中，模具的设计制备过程如下：使用水洗光敏树脂作为模具的打印墨水，并使用LCD光固化打印的方法制备打印模具。打印完成后模具需经水洗、脱水、二次固化、二次脱水、约90℃高温烘烤、喷涂脱模剂的流程进行后处理。

或者，在另一些实施例中，模具的设计制备过程如下：使用红蜡树脂作为模具的打印墨水，使用LCD光固化打印的方法制备打印模具。打印完成后模具需经乙醇清洗、二次固化、约90℃高温烘烤、喷涂脱模剂的流程进行后处理。

或者，在一些实施例中，模具也可采用光刻技术制备得到。

在一些实施例中，利用模具制备芯片的具体流程如下：将PDMS基质材料与固化剂混合，放入模具中，真空排出气泡，90℃加热固化。固化后PDMS芯片采用等离子处理，处理后，将各芯片进行组装，组装后90℃加热使各部分形成不可逆的粘合。

进一步地，在一些实施例中，还将对芯片装置进行后处理。如通过灌注的方法对芯片的内表面进行后处理以改善其表面特性。例如，所述芯片装置可经过液体石蜡进行灌注处理。本实施例中的石蜡处理可以降低芯片内部对药物的吸附特性，以使得药物可以在芯片内部形成更为稳定的浓度梯度。

例如，在一些实施例中，对所述芯片装置进行亲水性处理，其中，亲水性处理所采用的步骤包括：向所述芯片装置内部灌注聚醚(F127)溶液，并使得所述芯片装置的内部由所述聚醚溶液在第一温度下浸泡达第一时长；其中，所述聚醚溶液的浓度为5％-20％，所述第一温度为：0-37℃，所述第一时长为3-24h。本实施例中的亲水性处理有利于液体在芯片装置内部的自主流动。

例如，在一些实施例中，采用盐酸多巴胺对所述培养层进行灌注处理。具体地，灌注处理所采用的步骤包括：向所述培养层内部灌注盐酸多巴胺溶液，并使得所述培养层的内部(如培养单元、U形通道等结构)由所述盐酸多巴胺在第二温度下浸泡达第二时长，其中，所述盐酸多巴胺溶液的浓度为0.5-5mg/mL，所述第二温度为15-42℃，所述第二时长为2-6h。本实施例中的多巴胺灌注处理可以增强培养层内部对细胞的粘附性。

例如，在一些实施例中，所述培养层的内部通过胶原进行处理，从而可增强培养层内部对细胞的粘附性。

实施例二

本发明还基于上述实施例中的芯片装置提供了一种使用芯片装置进行细胞培养和自动加药的方法，包括步骤：

S101提供如上述实施例一中任意所述的一种芯片装置。

S102在第二出样口处于开放的状态下，向第二加样口加入第三样品直至至少一个培养单元被所述第三样品完全填充。

在一些实施例中，在芯片装置中的培养单元、U形通道、废液移除结构等均处相对密封状态，而第二出样口处于开放状态时，利用注射器向第二加样口内加入细胞悬液(也即第三样品)，此时细胞悬液将依次填充满至少一个培养单元。

S103封闭所述第二出样口，并继续向所述第二加样口加入所述第三样品，使得所述第三样品逐渐填充第三连通通道。

在一些实施例中，当多个需要进行细胞培养的培养单元均被完全填充时，封闭第二出样口，并继续向第二加样口内部加入细胞悬液。此时多余的细胞悬液将逐渐填充满废液移除结构，如图23所示。

例如，如图23所示，在填充满所有的培养单元、U形通道之后，多余的细胞悬液将近一步地逐渐填充满废液移除结构。

S104移除所述第三连通通道中多余的所述第三样品,从而使得所述培养单元之间处于相互独立的状态。

在一些实施例中，可以采用提取工具(如吸水棉、吸水纸等)对废液移除结构内多余细胞悬液进行移除，以使得U形通道中没有明显的细胞悬液残留。当U形通道中的主要细胞悬液被移除之后，各个培养单元之间则由液体相互连通的状态，转化为相互独立的状态，如图24所示。

S105将所述芯片装置放置于预设的培养环境中进行培养，使得所述第三样品凝胶化。

S106从其中一个第一加样口中加入第一样品，并从另一个第一加样口中加入第二样品，以使得所述第一样品、第二样品分别进入到对应的所述培养单元中，其中，所述第一样品、第二样品共同在凝胶化的所述第三样品中扩散并形成浓度梯度。

在一些实施例中，第一、二样品分别从培养单元的两侧进入到凝胶化的细胞悬液中，且在渗透作用下相互扩散以形成稳定的浓度梯度。

在一些实施例中，所述第一样品包括：待检测的药物；所述第二样品包括：缓冲液，和/或培养基；所述第三样品包括：细胞悬液。

在一些实施例中，初始加入的细胞悬液为未凝胶化的水凝胶和细胞的混合液。

例如，在一些实施例中，第三样品为由细胞、培养基共同制备得到的细胞悬液。或者，第三样品可以为由细胞、冰冷胶原溶液共同制备得到的细胞悬液。

在另一些实施例中，第三样品为：细胞与其他可以凝胶化且可以供细胞生长的溶液所共同制备得到的细胞混合液。对于本领域技术人员来说，根据细胞的类型选取相应的培养基、冰冷胶原溶液或者其他可以凝胶化的溶液，是能够实现的。

在一些实施例中，缓冲液包括以下一种或几种：PBS、DMSO(二甲基亚砜)、Hank平衡盐、Dulbecco's磷酸盐缓冲液(DPBS)。

在一些实施例中，培养基包括以下一种或几种：DMEM、1640培养基(Roswell ParkMemorial Institute 1640)、F12(HAM)液体培养基、Neurobasal培养基、内皮细胞培养基ECM、Gibco MEM ALPHA(a-MEM)培养基等。

下面以细胞贴壁培养、给药为例，对本发明实施例中的芯片装置的使用过程进行详细说明。具体地，在本实施例中第一样品为待试验的药物，第二样品为不含药物的缓冲液(或者也可以为培养基)，第三样品为贴壁细胞的细胞悬液。其中，细胞悬液的处理操作流程如下：

步骤1、将贴壁细胞从培养皿或培养瓶中消化下来后，使用培养基制备成细胞悬液，并混合均匀；

步骤2、从第二加样口24中将步骤1所得的细胞悬液注入到经细胞黏附处理后的培养层中，直至细胞悬液填充满培养单元。且在此步骤操作时，保持除第二加样口24和第二出样口27外其余开口均封闭，以防止细胞悬液逆流；

步骤3、打开吸液池25处的密封，使用吸水纸从吸液池将多余细胞悬液吸出，使U形通道中无明显残余的细胞悬液，从而使得各个培养单元之间相互独立(即不会发生液体交换)；

步骤4、待细胞在培养单元中沉降后，可将芯片装置放置于细胞培养箱中进行培养与观察，并等待细胞悬液凝胶化。

细胞给药的操作使用流程如下：

步骤5、分别向培养单元中加入药物、缓冲液；其中步骤5包括：

步骤5-1-1、利用注射器从其中一个第一加样口中加入药物，待药物填充液池之后，进入RO通道(即离池通道)；如图25所示，当使用注射器向第一加样口注入药物时，药物可以通过液池分别进入到第一连通通道内；

步骤5-1-2、封闭对应的第一出样口，并继续向第一加样口中加入药物，在此过程中，液池内部的药物在后续加入药物的推动下进入到第二连通通道，并经过第二连通通道进入到对应的培养单元；

步骤5-2-1、利用注射器从另一个第一加样口中加入缓冲液，待缓冲液填充液池之后，进入RO通道(即离池通道)；

步骤5-2-2、封闭对应的第一出样口，并继续向第一加样口中加入缓冲液，在此过程中，液池内部的缓冲液在后续加入缓冲液的推动下进入到第二连通通道，并经过第二连通通道进入到对应的培养单元；

在上述过程中，药物以及缓冲液在凝胶化的细胞悬液中可以在渗透作用下相互扩散，并形成稳定的浓度梯度，如图26所示，两侧加入的药物与缓冲液最终在培养单元内水凝胶中相互扩散以形成浓度梯度。

在一些实施例中，加入药物、缓冲液的步骤可以同时进行，也可以先后进行。

又例如，在另一些实施例中，细胞培养过程还包括：细胞3D培养。具体地，将贴壁细胞从培养皿或培养瓶中消化下来后，使用冰冷胶原溶液与之混合制备成细胞悬液，混合均匀后，从芯片的第二加样口中将细胞悬液注入到经细胞黏附处理后的各个培养单元中。此步骤操作时，保持除第二加样口和第二出样口外其余开口均封闭，防止细胞悬液逆流。随后，封闭第二出样口，打开吸液池处的密封，使用吸水纸从吸液池将U形通道中的多余液体吸出，使U形通道中无明显残余的液体，使各个培养单元彼此分离。最后，可将其放置于37℃细胞培养箱使胶原凝胶化，并进行培养与观察。

又例如，在另一些实施例，细胞培养过程还包括：类器官培养。具体地，在大约4℃条件下，将原代细胞与基质胶(Matrigel)进行混合后，制备成细胞悬液。从芯片的第二加样口中将细胞悬液注入到经细胞黏附处理后的培养单元中。此步骤操作时，保持除第二加样口、第二出样口外其余开口均封闭，防止液体逆流。打开吸液池处的密封，使用吸水纸从吸液池将多余液体吸出，使U形通道中无明显残余的液体，使培养单元彼此分离。可将其放置于37℃细胞培养箱使胶原凝胶化，并进行培养与观察。

又或者，在另一些实施例，为了保证芯片装置能够形成稳定的浓度梯度，在进行细胞加药时的步骤包括：

从一对加药模块的其中一个第一加样口进行加药，待药物溶液填充液池后进入RO通道。随后，使用移液器从气道对溶液进行吸取，以进一步地辅助溶液经过第二连通通道进入培养单元内。

从另一个第一加样口中以同样的方式灌注不含有药物的缓冲液(或培养基)。加药完成后，缓冲液和药物溶液在培养单元中的水凝胶(也即凝胶化的细胞悬液)中的进行扩散，并在水凝胶中形成稳定的浓度梯度。

又或者，在另一些实施例中，进行细胞加药的步骤还包括：

从其中一个吸液池中进行给药，以使得药物溶液充满液体移除通道，并进入U形通道与培养单元进行连接。另一个吸液池中以同样的方式灌注不含有药物的缓冲液(或培养基)。本实施例中的药物溶液、缓冲溶液可以分别对培养单元的两侧进行密封，从而保证培养单元内部环境不受干扰，所形成的浓度梯度也更为稳定(具体地，由于培养单元的两侧均受到液体的密封，因此培养单元内部溶液外溢的可能性大大减小)。

可以理解的是，为了满足上述对培养单元的密封作用，可以分别为一个U形通道或一组U形通道(例如，将同侧的两个或多个U形通道划分到一个实验组中)分别设置相对独立的废液移除结构。

例如，在一些实施例中，为了避免在吸液池中加药时造成培养单元之间的交叉污染，针对每一个U形通道分别设置一个独立的废液池、废液通道以及吸液池。

又例如，在一些实施例中，可以为每两个U形通道设置一个共同的废液移除结构，其中这两个U形通道所连通的三个培养单元可以被视为实验条件相同的一个实验组，独立的废液移除结构可以保证每个实验组的实验环境相互独立。

实施例三

基于上述实施例一，本发明还单独提供了一种用于细胞培养的芯片装置包括：

本体(也被称为“培养层”)；

第二加样口24，所述第二加样口24的开口位于所述本体的表面；

以及间隔设置在所述本体上的多个培养单元26，所述培养单元包括：与所述第二加样口直接相连的首部培养单元，以及与设置在所述本体上的第二出样口直接相连的尾部培养单元；

以及与所述培养单元相对应设置的第三连通通道23，所述第三连通通道23的至少两个端部分别与对应的所述培养单元26之间相连通，从而使得所述培养单元从所述首部培养单元至所述尾部培养单元通过所述第三连通通道依次串联；其中，所述第三连通通道23的端部具有毛细作用，且所述第三连通通道23中远离所述端部处的毛细作用小于所述端部处的毛细作用；

对应于所述第三连通通道23设置的废液移除结构，所述废液移除结构用于存储、移除所述第三连通通道23中的废液。

在一些实施例中，所述培养层还包括：第四连通通道，且所述第四连通通道的第一端、第二端分别与所述第二加样口24、对应的所述培养单元26(如首部培养单元)相连通；其中，所述第四连通通道的内径沿所述第一端至第二端的方向逐渐减小；

在一些实施例中，所述培养层还包括：第五连通通道，且所述第五连通通道的第一端、第二端分别与所述第二出样口27、对应的所述培养单元26(如尾部培养单元)相连通；其中，所述第五连通通道的内径沿所述第一端至第二端的方向逐渐减小。

在一些实施例中，所述第三连通通道23为U形通道，且所述U形通道的两侧的内径分别沿靠近所述端部的方向逐渐变窄。

在一些实施例中，所述培养单元26靠近所述第三连通通道23的一侧开设有第一开口232，所述第一开口与所述端部相连通，且所述第一开口的尺寸小于所述端部的横截面尺寸。

在一些实施例中，所述废液移除结构包括：与所述第三连通通道23相连通的废液池21。

在一些实施例中，所述废液移除结构还包括：

间隔设置的至少一个废液通道22，且所述废液通道22的第一端与所述废液池相连通；

吸液池25，所述吸液池与所述废液通道的第二端相连通；

其中，所述废液通道的第一端与所述废液池之间存在高度差，使得当所述芯片装置处于正面朝上的水平状态时，所述废液通道的第一端高于所述废液池底部。

在一些实施例中，所述废液通道22的第二端与所述吸液池25之间存在高度差，使得当所述芯片装置处于正面朝上的水平状态时，所述废液通道的第二端高于所述吸液池底部。

在一些实施例中，所述芯片装置中用于加样的表面(即如图7所示的表面)通过至少一层密封膜进行密封，且位于内层的所述密封膜在对应于每个培养单元26处间隔设置有两个开孔，分别用于添加第一样品和第二样品，其中，所述第一样品包括：待检测的药物；所述第二样品包括：缓冲液，和/或培养基。

例如，在一些实施例中，芯片装置的表面可设置两层密封膜。其中，位于内层(即靠近表面一侧)的密封膜上对应于每个培养单元的两侧分别设有两个开孔，另一层密封膜(即位于外层的密封膜)可对两个开孔进行密封。当需要向培养单元加入第一、二样品时，则可以直接揭开外层的密封膜。

可以理解的是，本实施例中的培养层既可以与上述实施例中的加药层、顶层等结构相互配合使用，也可以作为相对独立的细胞培养芯片来使用。

例如，在一些实施例中，在上述培养层的使用过程中，可以通过密封膜对加药层的培养单元、U形通道、液体移除结构等进行密封。

又例如，在另一些实施例中，可以在培养层上另设一层芯片层(也被称为“密封层”)，以对培养层的表面进行密封，且所述芯片层上对应于各个培养单元处开设有两个间隔设置的开口，两个开口分别用于向培养单元中加入药物、缓冲液(或培养基)。

本实施例中的多个培养单元采用了“一体式串联”的设计方式，并优选地利用“一体式串联”、U形通道以及废液移除结构等综合设计应用，快速地实现了串联的培养单元由连通状态到独立状态的转换。

值得注意的是，本实施例中的“一体式串联”与现有技术中的部分细胞培养腔室之间的“间接性串联”方式(即细胞培养腔室之间是通过用于加入药物溶液的通道间接地被串联在一起)并不相同。在现有技术中，为了避免各个细胞培养腔室之间发生交叉污染，仅会允许部分细胞培养腔室进行串联(相互串联的培养腔室相当于被划分为一个实验组，且同一实验组中难以避免交叉污染现象)，而不同实验组之间则需要保持相互独立。但本发明实施例中是将所有的培养单元进行整体串联，换句话说，本发明实施例中将所有的实验组进行了“一体式串联”，这种“一体式串联”也可被称为“主动式串联”。

“一体式串联”的设计使得工作人员可以通过单次或少次加样实现细胞悬液的批量化分样。并且，在完成细胞悬液的分样之后可以利用废液移除结构、U形通道等结构的特点快速地实现废液(也即多余的细胞悬液)移除，以便捷地将各个相互连通的培养单元转化为相互独立的培养空间，从而为细胞培养、药物筛选等实验提供独立的细胞培养环境。

在一些实施例中，所述芯片装置经过液体石蜡进行灌注处理。

在一些实施例中，所述芯片装置经过盐酸多巴胺灌注处理，且处理步骤包括：所述芯片装置的内部由所述盐酸多巴胺在第二温度下浸泡第二时长，其中，所述盐酸多巴胺的溶液浓度为0.5-5mg/mL，所述第二温度为15-42℃，所述第二时长为2-6h。

在一些实施例中，所述芯片装置的内部通过胶原进行处理。

可以理解的是，本实施例中芯片装置具有与上述实施例一、二中培养层相同的结构设计，此处不再赘述。

实施例四

基于上述实施例，本发明还为实施例三中的芯片装置提供一种使用芯片装置进行细胞培养的方法，包括步骤：

S201提供如实施例一、二、三中任意所述的一种芯片装置；

S202在所述第二出样口处于开放的状态下，向所述第二加样口加入第三样品，直至至少一个所述培养单元被完全填充；其中，所述第三样品包括：细胞悬液；

S203封闭所述第二出样口，并继续向所述第二加样口内加入所述第三样品，使得多余的所述第三样品逐渐填充所述第三连通通道以及废液移除结构；

S204通过所述废液移除结构移除所述第三连通通道中的多余所述第三样品，从而使得各个所述培养单元之间相互独立；

S205将所述芯片装置放置于预设的培养环境中进行培养，使得所述第三样品凝胶化。

进一步地，在一些实施例中，还包括步骤：

S206通过废液移除通道分别向培养单元两侧的所述第三连通通道加入第一样品、第二样品，从而对所述培养单元的两侧进行密封；其中，所述第一样品包括：待检测的药物；所述第二样品包括：缓冲液，和/或培养基。

具体地，本实施例中的芯片装置(也被称为“培养层”)的使用方法还可以参见上述实施例一、二中的操作步骤，此处不再赘述。

本发明实施例中的芯片装置以及使用方法具体以下有益技术效果：

1、可实现自动地批量化的药物加样、细胞加样等操作。

具体地，芯片装置的培养层采用了“一体式串联”的培养单元、U形通道以及微阀的设计，使用时单次或少次灌注即可完成对批量的培养单元的细胞加样。并且，在细胞加样完成之后，还可以便捷地除去废液，以使得多个培养单元分别形成相互独立的培养空间。同时，加药模块设计可以与培养单元很好地适配，以通过两次灌注分别实现药物的批量加样(由于采用了相互独立的多个第一连通通道、第二连通通道等结构设计，药物在分样过程中发生交叉感染的风险大大降低)，并快速地在培养单元内的水凝胶中形成稳定的浓度梯度。

2、无需外部动力源设备。

具体地，本发明实施例在微流控芯片内部的流道设计基础上，仅利用注射器为液体供给动力，即可完成液体的自动分样、填充等活动。一方面，本发明实施成本更低，且操作也更便捷；另一方面，相较于现有技术中的复杂流道设计(如“圣诞树”结构设计)，本发明中的加药层、培养层相比之下，结构设计更为简单，加工难度也相对较低。

3、芯片装置被设计为一体式结构。

在工作人员进行药物筛选实验时，直接通过各个加样口进行加样即可实现主要的加样操作流程，无需进行额外的芯片处理、连接等操作。本发明中的一体式设计大大简化了工作人员的操作步骤，同时所占用操作空间也更小，能够适应于多种实验场景(如现场实时实验等场景)。

4、通过水凝胶以及培养单元、微阀等结构设计的综合运用，使得本发明实施例中所生成的浓度梯度更为稳定。

本发明中利用了水凝胶与液体之间的渗透作用，从而可以快速地形成稳定的浓度梯度。因此，可以快速地实现对整个培养单位中的细胞或类器官的生长速度进行长时间连续观察，即可在短时间内比较出不同浓度下药物对细胞或类器官的抑制或促进作用，以确定药用最小的使用范围，从而对用药起到指导性作用。

还值得注意的是，与现有技术中采用“点浓度”进行药物筛选的实验(换句说，在现有技术中，每个细胞培养环境中所注入的药物的浓度值是一个相对明确的数值点)不同，本发明中的芯片装置可以在单个培养单元(相当于单个细胞培养环境)内建立相对稳定的浓度梯度。因此，本发明的芯片装置可以在单个培养单元内观察药物在不同浓度值下的生长情况。

因此，本发明尤其适用于药物筛选的早期阶段的实验应用，可以在早期阶段快速地筛选出指导性的药物浓度范围，或者说，至少可以筛选出适合的浓度范围区间，快速地实现药物初筛。

当然，在对浓度梯度范围的精度要求更高时，也可通过调节培养单元中水凝胶的具体浓度和几何形状来实现。具体地，可以利用药物的渗透作用与水凝胶网络的交联程度，结合相关方程计算得到理论的药物渗透速率与浓度。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种用于细胞培养和自动加药的芯片装置，其特征在于，包括：加药层，所述加药层上设置有至少一对加药模块，且所述加药模块包括：

第一加样口（11），所述第一加样口（11）的开口位于所述加药层的表面；

液池（16），所述液池（16）与所述第一加样口（11）相连通；

间隔设置的多个第一连通通道（17），所述第一连通通道（17）的第一端分别与所述液池（16）相连通，所述第一连通通道（17）的第二端设置有用于与外部空气相连通的通气结构，且所述第一连通通道（17）上还延伸开设有第二连通通道（18），其中所述第二连通通道（18）为毛细通道；

所述芯片装置还包括：与所述加药层相配合的培养层，其中，所述培养层包括：

第二加样口（24），所述第二加样口（24）的开口位于所述培养层的表面；

以及与所述第二连通通道（18）相对应设置，并与对应的所述第二连通通道（18）相连通的多个培养单元（26），其中所述培养单元包括：与所述第二加样口（24）直接相连的首部培养单元，以及与设置在所述培养层上的第二出样口（27）直接相连的尾部培养单元；

以及与所述培养单元相对应设置的第三连通通道（23），且所述第三连通通道（23）的两个端部（231）分别与对应的所述培养单元（26）相连通，从而使得多个所述培养单元从所述首部培养单元至所述尾部培养单元通过所述第三连通通道依次串联；且当向第二加样口注入液体时，液体可以经过串联的通路并从第二出样口中流出；其中，所述端部被设置为具有毛细作用，且所述第三连通通道（23）中远离所述端部处的毛细作用小于所述端部处的毛细作用；其中，所述第三连通通道为U形通道，且所述U形通道的两侧的内径分别沿靠近所述端部的方向逐渐变窄，所述培养单元（26）靠近所述U形通道的一侧开设有第一开口（232），所述第一开口与所述端部相连通，且所述第一开口的尺寸小于所述端部的横截面尺寸；

所述培养层还包括：用于切断相邻所述培养单元之间的液体交换路径的废液移除结构；且所述废液移除结构包括：与所述第三连通通道（23）相连通的废液池（21），且所述废液池与所述第三连通通道相连接的开口处高于所述第三连通通道的底部；间隔设置的多个毛细管道，且所述毛细管道的第一端与所述废液池相连通；与所述毛细管道的第二端相连通的吸液池；其中，所述毛细管道的第一端与所述废液池之间存在高度差，使得当所述芯片装置处于正面朝上的水平状态时，所述毛细管道的第一端高于所述废液池的底部。

2.根据权利要求1所述的芯片装置，其特征在于，所述毛细管道的第二端与所述吸液池之间设置有高度差，使得当所述芯片装置处于正面朝上的水平状态时，所述毛细管道的第二端高于所述吸液池的底部。

3.根据权利要求1所述的芯片装置，其特征在于，所述通气结构包括：设置在所述第一连通通道（17）上的气道（19），以及与所述气道相连接的气槽（13）；其中，所述气道的内径小于所述第二连通通道的内径；和/或,

所述加药模块还包括：入池通道（14），所述入池通道的第一端、第二端分别与所述第一加样口（11）、所述液池（16）相连通，其中，所述入池通道的内径小于1mm，所述第一加样口（11）的内径大于1mm。

4.根据权利要求3所述的芯片装置，其特征在于，所述入池通道的第二端的开口高于所述液池（16）的底部；和/或，

所述加药模块还包括：第一出样口，以及出池通道（15），且所述出池通道的第一端、第二端分别与所述第一出样口、所述液池（16）相连通，其中，所述出池通道的第二端高于所述入池通道的第二端，且所述出池通道的内径小于1mm。

5.根据权利要求1-4中任一所述的芯片装置，其特征在于，

所述芯片装置经过液体石蜡进行灌注处理；或者，

所述芯片装置经过亲水性处理，其中，亲水性处理所采用的步骤包括：向所述芯片装置内部灌注聚醚溶液，并使得所述芯片装置的内部由所述聚醚溶液在第一温度下浸泡达第一时长；其中，所述聚醚溶液的浓度为5%-20%，所述第一温度为0-37℃，所述第一时长为3-24h；或者，

所述培养层经过盐酸多巴胺进行灌注处理，其中，灌注处理所采用的步骤包括：向所述培养层内部灌注盐酸多巴胺溶液，并使得所述培养层的内部由所述盐酸多巴胺溶液在第二温度下浸泡达第二时长，其中，所述盐酸多巴胺溶液的浓度为0.5-5mg/mL，所述第二温度为15-42℃，所述第二时长为2-6h；或者，所述培养层的内部通过胶原进行处理。

6.一种使用芯片装置进行细胞培养和自动加药的方法，其特征在于，包括步骤：

S101提供如权利要求1-5中任一所述的一种芯片装置；

S102在第二出样口处于开放的状态下，向第二加样口加入第三样品直至至少一个培养单元被所述第三样品完全填充；

S103封闭所述第二出样口，并继续向所述第二加样口加入所述第三样品，使得所述第三样品逐渐填充第三连通通道；

S104移除所述第三连通通道中多余的所述第三样品,从而使得所述培养单元之间处于相互独立的状态；

S105将所述芯片装置放置于预设的培养环境中进行培养，使得所述第三样品凝胶化；

S106从其中一个第一加样口中加入第一样品，并从另一个第一加样口中加入第二样品，以使得所述第一样品、第二样品分别进入到对应的所述培养单元中，其中，所述第一样品、第二样品共同在凝胶化的所述第三样品中扩散并形成浓度梯度；

其中，所述第一样品包括：待检测的药物；所述第二样品包括：缓冲液，和/或培养基；所述第三样品包括：细胞悬液。