【摘要】：細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)是生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、藥物研發(fā)等研究領(lǐng)域的重要技術(shù)。目前,國內(nèi)外細(xì)胞培養(yǎng)工作還普遍使用培養(yǎng)皿、培養(yǎng)板、培養(yǎng)瓶等裝置,不能重現(xiàn)體內(nèi)細(xì)胞外微環(huán)境實際狀況。微流控芯片流道尺寸屬于微米級別,在時間和空間上精確地控制細(xì)胞外微環(huán)境,還能快速精準(zhǔn)地進(jìn)行重復(fù)性試驗,為新一代細(xì)胞研究提供重要平臺。然而,現(xiàn)有微流控芯片細(xì)胞培養(yǎng)過程還存在細(xì)胞不均勻生長問題,而且培養(yǎng)液灌注控制方法單一,難以實現(xiàn)不同接種密度細(xì)胞以不同生長速率自動培養(yǎng)。細(xì)胞不均勻生長和不同接種密度細(xì)胞以不同生長速率生長都會影響細(xì)胞生長規(guī)律、細(xì)胞活性檢測、藥物誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡等后續(xù)實驗結(jié)果準(zhǔn)確度。針對上述微流控芯片細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)缺陷,本文設(shè)計基于微流控芯片的細(xì)胞培養(yǎng)控制系統(tǒng),實現(xiàn)細(xì)胞均勻生長和不同接種密度細(xì)胞以不同生長速率自動培養(yǎng)。本文圍繞培養(yǎng)液流速均勻分布的微流控芯片設(shè)計和培養(yǎng)液灌注預(yù)測控制方法兩個關(guān)鍵技術(shù),開展以下研究工作:(1)針對細(xì)胞不均勻生長問題,設(shè)計一種培養(yǎng)液流速均勻分布的微流控芯片,并利用COMSOL仿真軟件和粒子測速實驗對比分析該微流控芯片和常用單流道微流控芯片培養(yǎng)室內(nèi)部培養(yǎng)液流速分布情況。(2)為了在不同細(xì)胞接種密度情況下,實現(xiàn)細(xì)胞以不同生長速率自動培養(yǎng),提出基于LS-SVM的培養(yǎng)液灌注預(yù)測控制方法,選取細(xì)胞接種密度和細(xì)胞增殖三代時間作為輸入量,培養(yǎng)液灌注間歇時間作為輸出量。(3)構(gòu)建微流控芯片細(xì)胞培養(yǎng)控制系統(tǒng)實驗平臺,完成現(xiàn)場控制裝置和上位機控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計。(4)實驗平臺構(gòu)建完成后,進(jìn)行微流控芯片細(xì)胞培養(yǎng)實驗,分析細(xì)胞增殖三代時間與間歇時間關(guān)系、細(xì)胞接種密度與間歇時間關(guān)系,再根據(jù)實驗數(shù)據(jù)建立基于LS-SVM的培養(yǎng)液灌注預(yù)測控制模型。(5)利用微流控芯片細(xì)胞培養(yǎng)控制系統(tǒng)進(jìn)行胃癌細(xì)胞培養(yǎng),并與常規(guī)培養(yǎng)皿胃癌細(xì)胞培養(yǎng)效果進(jìn)行對比分析。實驗結(jié)果表明:該微流控芯片培養(yǎng)室內(nèi)部培養(yǎng)液流速分布比常用單流道微流控芯片培養(yǎng)室內(nèi)部培養(yǎng)液流速分布更加均勻;該微流控芯片細(xì)胞培養(yǎng)控制系統(tǒng)能夠按照不同細(xì)胞接種密度和不同細(xì)胞增殖三代時間自動控制細(xì)胞生長,提高細(xì)胞培養(yǎng)自動化程度,而且比培養(yǎng)皿中細(xì)胞生長更加均勻。
【圖文】：

江 蘇 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文化、集成化、樣本需求量少等優(yōu)點，使得微流控芯片細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)迅速發(fā)展。微流控芯片在細(xì)胞培養(yǎng)領(lǐng)域具有極為廣闊的發(fā)展前景。在國外，細(xì)胞培養(yǎng)的很多研究工作已經(jīng)轉(zhuǎn)移到微流控芯片中進(jìn)行[17-21]。Paul J.Hung等人[17]提出一種微流控芯片細(xì)胞培養(yǎng)陣列，在微流控芯片內(nèi)培養(yǎng)人癌細(xì)胞（HeLa）至融合，然后使用胰蛋白酶處理，成功地實現(xiàn) HeLa 再生長，為藥物篩選、生物信息學(xué)和定量細(xì)胞生物學(xué)的應(yīng)用提供測定平臺，如圖 1.2 所示。Elisa Figallo 等人[18]開發(fā)軟光刻制造微生物反應(yīng)器陣列，實現(xiàn)小鼠成肌細(xì)胞、原代大鼠心肌細(xì)胞和人胚胎干細(xì)胞（hESC）的培養(yǎng)，并研究細(xì)胞密度和培養(yǎng)液流動狀態(tài)對 hESC 分化的影響，為未來進(jìn)一步研究hESC 奠定基礎(chǔ)。Hiroshi Kimura 等人[19]開發(fā)了具有微型泵和熒光檢測功能的集成微流體裝置，實現(xiàn)人克隆結(jié)腸腺癌細(xì)胞的培養(yǎng)以及在線監(jiān)測，為藥物篩選和毒性測試提供有用平臺。

（a）第 1 天 （b）第 2 天 （c）第 3 天圖 1.3 微流控芯片中培養(yǎng) ICR 小鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞Fig.1.3 Culture of ICR mouse bone marrow mesenchymal stem cells in a microfluidic chip1.2.2 微流控芯片細(xì)胞培養(yǎng)控制方法研究現(xiàn)狀細(xì)胞體外培養(yǎng)需要形成一個適宜穩(wěn)定的細(xì)胞生長環(huán)境，為細(xì)胞提供模擬體內(nèi)的生長環(huán)境。體外細(xì)胞培養(yǎng)需要控制的條件主要包括適宜的溫度、恒定的二氧化碳濃度（一般為 5%）、穩(wěn)定的 pH 值、適當(dāng)?shù)娜苎趿�、充足的營養(yǎng)成分（氨基酸、維生素、碳水化合物、微量元素等）、較高的相對濕度（95%以上）等。傳統(tǒng)細(xì)胞培養(yǎng)是將細(xì)胞接種于培養(yǎng)瓶、培養(yǎng)皿或培養(yǎng)板中，加入適量的新鮮培養(yǎng)液再放入 CO2培養(yǎng)箱中進(jìn)行靜置培養(yǎng)，然后研究員通過觀察培養(yǎng)液的顏色變化情況進(jìn)行培養(yǎng)液更換。在細(xì)胞生長繁殖過程中，營養(yǎng)成分將被不斷消耗，并且代謝廢物不斷積累。如圖 1.4 所示，，當(dāng)新鮮培養(yǎng)液的顏色由紅色逐漸變成黃色時，說明營養(yǎng)成分過少和代謝
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN492;Q813.11

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2678387