基于微流控技術(shù)測量單個細胞楊氏模量的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于微流控技術(shù)測量單個細胞楊氏模量的方法。該方法將待測細胞等效為各向同性的粘彈性體，利用待測細胞進入和通過壓縮通道中的等效力學(xué)模型，基于待測細胞前端瞬時進入壓縮通道的位移與細胞的尺寸、楊氏模量、壓強和壓縮通道的幾何參數(shù)的關(guān)系，實現(xiàn)了待測細胞楊氏模量的測量。
【專利說明】基于微流控技術(shù)測量單個細胞楊氏模量的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及生物信息檢測【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種基于微流控技術(shù)測量單個細胞楊氏模量的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]細胞作為生命活動的基本單位，內(nèi)含有各種生物分子，它們之間相互作用，共同構(gòu)成一個繁忙而有序的系統(tǒng)。細胞骨架作為細胞的重要功能單元，參與細胞增殖、分裂和變形等重要的生理功能，與細胞的狀態(tài)關(guān)系密切。初步研究表明不同惡性程度的腫瘤細胞和不同分化程度的干細胞存在細胞骨架功能的區(qū)別，表現(xiàn)為細胞力學(xué)特性參數(shù)即楊氏模量的差另O。所以實現(xiàn)單個細胞的楊氏模量的高通量采集，可以為細胞生物物理特性的表征提供可靠的方法和途徑。
[0003]細胞力學(xué)特性檢測的傳統(tǒng)儀器主要有原子力顯微鏡、微吸管法、光鑷子等設(shè)備。雖然現(xiàn)有的儀器能夠表征細胞的楊氏模量，但是檢測通量低，檢測速度約為一個小時檢測數(shù)個細胞，不能采集幾百個甚至幾千個細胞的力學(xué)信息，缺乏統(tǒng)計學(xué)意義。
[0004]微流控技術(shù)是指在微觀尺寸下控制和檢測流體的技術(shù)，由于其特征尺寸與細胞大小相匹配，具備實現(xiàn)細胞力學(xué)特性高通量表征的潛在能力，但是其研究仍然處于起步階段。
[0005]2005年英國劍橋大學(xué)Dr.Guck團隊?wèi)?yīng)用基于光致拉伸效應(yīng)的微流控芯片，高通量捕獲并表征懸浮于微溝道中的單個細胞的變形度，發(fā)現(xiàn)腫瘤細胞與正常細胞在變形度方面存在差異。2011年加拿大多倫多大學(xué)的Prof.Sun團隊使用負壓將單個細胞吸過橫截面積小于細胞橫截面積的微溝道，高通量記錄不同細胞通過微細溝道的時間差異，區(qū)分幾種紅細胞的力學(xué)特性。2012年美國加州大學(xué)洛杉礬分校的Prof.Di Carlo團隊基于流體應(yīng)力引起細胞變形的原理，使用微流控芯片高通量檢測細胞的變形度，報道不同種類細胞的力學(xué)特性差異。
[0006]然而，現(xiàn)有的細胞力學(xué)特性高通量表征的微流控芯片只能表征一些依賴于細胞尺寸的力學(xué)特性參數(shù)如變形度等，不能實現(xiàn)細胞固有力學(xué)特性參數(shù)即細胞的楊氏模量的定量測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007](一 )要解決的技術(shù)問題
[0008]鑒于上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于微流控技術(shù)測量單個細胞楊氏模量的方法。
[0009]( 二 )技術(shù)方案
[0010]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了 一種基于微流控技術(shù)測量單個細胞楊氏模量的方法。該方法包括:
[0011 ] 步驟A，準備微流控芯片，其中，該微流控芯片具有供單個待測細胞壓縮通過的壓縮通道，該壓縮通道兩側(cè)分別具有樣品池；[0012]步驟B，向微流控芯片壓縮通道一側(cè)的樣品池中注入細胞培養(yǎng)液以及待測細胞，采用負壓吸或使用正壓壓的方式使待測細胞通過壓縮通道，得到待測細胞在蠕變過程之前進入壓縮通道時的瞬時位移ΛX ;
[0013]步驟C，利用如下公式求取待測細胞的楊氏模量Ey_g, s_modulus:
[001 4] A X/Wconstrictionchannel ^ ^celldiameter^ ^ f>pressure//^young/ s modulus
[0015]其中，k(deell_diamete)為預(yù)設(shè)系數(shù)，Pp—為正壓或負壓的壓強，評。。—為壓縮通道的幾何參數(shù)，dcell_diameter為待測細胞的直徑。 [0016](三)有益效果
[0017]從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明基于微流控技術(shù)測量單個細胞楊氏模量的方法具有以下有益效果:
[0018](I)將待測細胞等效為各向同性的粘彈性體，利用待測細胞進入和通過壓縮通道中的等效力學(xué)模型，基于待測細胞前端瞬時進入壓縮通道的位移與細胞的尺寸、楊氏模量、壓強和壓縮通道的幾何參數(shù)的關(guān)系，實現(xiàn)了待測細胞楊氏模量的測量；
[0019](2)需要的附屬設(shè)備為常規(guī)的倒置顯微鏡和攝像頭，不需要昂貴的外圍設(shè)備如原子力顯微鏡、微納操作設(shè)備(微管吸吮)、精密光源(光攝子)等，可以在傳統(tǒng)的生物實驗室使用，具有可移植性高的優(yōu)勢；
[0020](3)所使用的微流控芯片選取載玻片和聚二甲基硅氧烷等低成本材料進行加工，基于微細加工方法，具有成本低、可批量化制造、一次性等特點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為根據(jù)本發(fā)明實施例基于微流控技術(shù)測量單個細胞楊氏模量方法的流程圖；
[0022]圖2為根據(jù)本發(fā)明實施例基于微流控技術(shù)測量單個細胞楊氏模量方法中微流控芯片和圖像采集裝置的示意圖；
[0023]圖3A為在負壓吸力作用下，由顯微鏡和攝像頭實時記錄的細胞前端逐漸伸長進入壓縮通道物理過程時的四張照片；
[0024]圖3B為攝像頭實時記錄的細胞逐漸進入壓縮通道前端位移與時間關(guān)系的曲線圖；
[0025]圖4為基于計算機仿真得到的細胞逐漸進入壓縮通道的物理過程；
[0026]圖5為通過計算機仿真得到的細胞位移與壓縮通道高度、細胞楊氏模量以及壓強等參數(shù)關(guān)系的曲線圖。
【具體實施方式】
[0027]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。需要說明的是，在附圖或說明書描述中，相似或相同的部分都使用相同的圖號。附圖中未繪示或描述的實現(xiàn)方式，為所屬【技術(shù)領(lǐng)域】中普通技術(shù)人員所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但應(yīng)了解，參數(shù)無需確切等于相應(yīng)的值，而是可在可接受的誤差容限或設(shè)計約束內(nèi)近似于相應(yīng)的值。
[0028]本發(fā)明將細胞等效為各向同性的粘彈性體，基于待測細胞前端瞬時進入壓縮通道的位移與細胞的尺寸、楊氏模量、壓強和壓縮通道的幾何參數(shù)的關(guān)系，實現(xiàn)單個細胞的楊氏模量的求取。
[0029]在本發(fā)明的一個示例性實施例中，提供了一種基于微流控技術(shù)測量單個細胞楊氏模量的方法。圖1為根據(jù)本發(fā)明實施例基于微流控技術(shù)測量單個細胞楊氏模量方法的流程圖。圖2為根據(jù)本發(fā)明實施例基于微流控技術(shù)測量單個細胞楊氏模量方法中微流控芯片和圖像采集裝置的示意圖。
[0030]請參照圖1和圖2,本實施例基于微流控技術(shù)測量單個細胞楊氏模量方法包括:
[0031]步驟A，準備微流控芯片，將微流控芯片放入顯微鏡的載物臺上，攝像頭對準顯微鏡的目鏡，調(diào)整顯微鏡的放大倍數(shù)，以通過攝像頭能清楚觀察到壓縮通道為準，其中，該微流控芯片具有供單個待測細胞壓縮通過的壓縮通道，該壓縮通道兩側(cè)分別具有樣品池；
[0032]請參照圖2，微流控芯片基于二甲基硅氧烷材料采用注塑工藝制作。便于觀察細胞的物理特性，壓縮通道橫截面積約為待測細胞橫截面積(約為110-250平方微米)的40% -90% ο
[0033]本實施例中，壓縮通道的橫截面為正方形，其邊長W_st—_eh_el為ΙΟμπι，壓縮通道兩端的樣品池的高度為45 μ m。
[0034]本實施例中，調(diào)節(jié)顯微鏡至能清楚觀察到細胞形態(tài)，顯微鏡的放大倍數(shù)為400倍，攝像頭的掃描速度為每秒200幀，可以清楚觀察到每一幀細胞進入壓縮通道的位置，以方便記錄細胞進入壓縮通道的瞬時位移。
[0035]步驟B，向微流控芯片壓縮通道一側(cè)的樣品池中注入細胞培養(yǎng)液以及待測細胞，在微流控芯片壓縮通道另一側(cè)使用負壓Ppmssum將單個細胞連續(xù)吸過壓縮通道，由攝像頭通過顯微鏡記錄單個待測細胞進入壓縮通道的過程，進而得到待測細胞在蠕變過程之前進入壓縮通道時的瞬時位移ΛX ;
[0036]本實施例中，顯微鏡測量得到待測細胞的直徑deell_diametOT為15.6 μ m,
[0037]本實施例中，負壓Ppressure = 500Pa,圖3A為在負壓吸力作用下，由顯微鏡和攝像頭實時記錄細胞前端逐漸伸長進入壓縮通道物理過程時的四張照片。請參照圖3A:
[0038](I)如圖3A中(a)所示，在500Pa負壓作用下，待測細胞瞬間被吸入壓縮通道中，隨即產(chǎn)生一定的位移，此位移即待測細胞的瞬時位移。由于細胞屬于粘彈性體材料，在受到外力作用的瞬間，彈性起主要作用，產(chǎn)生明顯形變，即瞬時位移，也就是細胞在零正時刻的位移；
[0039](2)如圖3A中(b)所示，為500Pa作用下，待測細胞開始緩慢進入壓縮通道中，SP細胞的蠕變過程；
[0040](3)如圖3A中(C)所示，在500Pa作用下，待測細胞瞬間加速進入壓縮通道中，即細胞的失穩(wěn)過程；
[0041](4)如圖3A中(d)所示，待測細胞完全進入壓縮通道中，開始進入在壓縮通道中穿行過程。
[0042]圖3B為依據(jù)攝像頭實時記錄細胞前端逐漸伸長進入壓縮通道物理過程反映的細胞位移隨時間變化的曲線。由圖3B可知，待測細胞進入壓縮通道時的瞬時位移ΛΧ*
4.1 μ m0
[0043]步驟C，將細胞前端瞬時進入壓縮通道的位移Λ X、將單個細胞吸過壓縮通道的壓強、壓縮通道的幾何參數(shù)代入如下公式，求取細胞的楊氏模量匕_8, s_ffl0dulus:[0044]A X/Wconstrictionchannel ^ ^celldiameter^ XPpressureZEyoung' s modulus (I)
[0045]其中，Λ X為顯微鏡記錄待測細胞瞬時位移為橫截面為正方形的壓縮通道的寬度；Ρρ_.為將待測細胞引入壓縮通道的壓強；EY_g，s Mdulus為待測細胞的楊氏模量，k (dcell_diameter)為預(yù)設(shè)系數(shù)，是細胞尺寸的函數(shù)ο
[0046]本實施例中，ΛΧ= 4.Ιμπι，Wconstriction_channel = 10.0 μ m，Ppressure = _500Pa，dcell-diameter =15.6 μ m, k (dcell_diameter) = 4.77，計算得到 E



young' s-modulus 5.8kP&o
[0047]經(jīng)過多次試驗可知:以瞬時位移/溝道尺寸為自變量，以壓強/楊氏模量為因變量，因變量隨自變量呈線性變化，且該線性變化的斜率相對于待測細胞直徑的變化而變化。
[0048]通過線性擬合以位移/溝道尺寸為自變量，以壓強/楊氏模量為因變量的曲線，得到預(yù)設(shè)系數(shù))的步驟如下:
[0049]子步驟C ' I,設(shè)定待測細胞的直徑deell_diametOT = 15μηι、壓縮通道的邊長
胃constriction-channel 10 U Π1 ;
[0050]子步驟C' 2，設(shè)定待測細胞為各項同性的粘彈性體，壓縮通道為剛體材料，構(gòu)建單細胞微溝道擠壓模型；
[0051]子步驟C' 3，基于上述單細胞微溝道擠壓模型，仿真待測細胞的楊氏模量SEi，壓強為Pj情況下細胞進入壓縮通道的過程，記錄相應(yīng)的瞬時位移Xij,其中，i = 1、2、……、n；j = 1、2、……、m，η為楊氏模量取值的個數(shù)，m為壓強取值的個數(shù)；
[0052]子步驟C' 4，線性擬合`以瞬時位移/溝道尺寸為自變量，以壓強/楊氏模量為因變量的曲線，得到所述預(yù)設(shè)系數(shù)k(cU_—)。
[0053]為了節(jié)省人工計算量，上述步驟可以采用ABAQUS仿真軟件來進行。圖4中(a) - (d)為使用ABAQUS仿真軟件，待測細胞在壓縮溝道尺寸不變，楊氏模量不變，不同負壓作用下細胞前端進入壓縮通道的過程。其中(a)圖對應(yīng)的負壓為200Pa;(b)圖對應(yīng)的負壓為400Pa ； (c)圖對應(yīng)的負壓為600Pa ;(d)圖對應(yīng)的負壓為800Pa。由四副圖可以看出，在不同壓強下，細胞前端瞬間進入壓縮通道的位移會發(fā)生相應(yīng)的變化。
[0054]在壓縮溝道尺寸不變的情況下，圖5為通過計算機仿真得到的細胞位移與壓縮通道高度、細胞楊氏模量以及壓強等參數(shù)關(guān)系的曲線圖。由圖5可以看出，當(dāng)細胞僅伸進壓縮通道一小部分時，其瞬時位移隨壓強變化基本呈線性趨勢，進一步歸納得到公式I中對應(yīng)不同細胞直徑的系數(shù)k(cU


11—diameter).[0055](I)當(dāng) dcell_diameter 小于 13.5 μ m 時，k (dcell_diameter)為 9.60 ;
[0056](2)當(dāng) dcell_diameter13.5 ~16.5 μ m 時，k (dcell_dianieter)為 4.77 ;
[0057](3) 當(dāng) dcell-diameter 大于 16.5 μ m 時，k (dceii—Mameter)為 3.39 ο
[0058]至此，已經(jīng)結(jié)合附圖對本實施例進行了詳細描述。依據(jù)以上描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)對本發(fā)明基于微流控技術(shù)測量單個細胞楊氏模量的方法有了清楚的認識。
[0059]此外，上述對各元件和方法的定義并不僅限于實施方式中提到的各種具體結(jié)構(gòu)、形狀或方式，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可對其進行簡單地熟知地替換，例如:
[0060](I)壓縮通道截面形狀不僅局限于上文提到的正方形結(jié)構(gòu)，還可以用其他形狀，如圓形等，此時，W。

onstriction-channel
為圓形的直徑；
[0061](2)細胞通過壓縮通道的方式，不僅可以用上文提到的負壓驅(qū)動方式，還可以使用正壓或其他的驅(qū)動方式，即在步驟B中，使用正壓Ppmssum將單個細胞連續(xù)擠入壓縮通過通道即可；
[0062](3)吸入或壓入待測細胞的壓強Ppmssum可根據(jù)需要進行取值，一般情況下，該壓強介于200Pa?800Pa之間；
[0063](4)除了采用顯微鏡和攝像頭的組合來記錄待測細胞進入壓縮通道的過程之外，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可以采用其他的方式來記錄該過程，進而得到細胞前端瞬時進入壓縮通道的位移ΛΧ。
[0064]綜上所述，本發(fā)明提出細胞進入和通過壓縮通道的形變信息向細胞楊氏模量的轉(zhuǎn)變方法，實現(xiàn)細胞固有的力學(xué)特性參數(shù)即細胞的楊氏模量的高通量采集，為細胞生物物理特性的表征提供可靠的方法和途徑，可為貧血、腫瘤等存在細胞力學(xué)特性相應(yīng)改變的疾病提供新的檢測手段和新的無需標記的細胞特性標志物。
[0065]以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于微流控技術(shù)測量單個細胞楊氏模量的方法，其特征在于，包括: 步驟A，準備微流控芯片，其中，該微流控芯片具有供單個待測細胞壓縮通過的壓縮通道，該壓縮通道兩側(cè)分別具有樣品池； 步驟B，向所述微流控芯片壓縮通道一側(cè)的樣品池中注入細胞培養(yǎng)液以及待測細胞，采用負壓吸或正壓壓的方式使待測細胞通過壓縮通道，得到待測細胞在蠕變過程之前進入壓縮通道時的瞬時位移ΛX ; 步驟C，利用如下公式求取待測細胞的楊氏模量Ey_g, s_modulus:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述壓縮通道的橫截面為正方形，所述壓縮通道的幾何參數(shù)W_stHc;tim為該正方形的邊長；或 所述壓縮通道的橫截面為圓形，所述壓縮通道的幾何參數(shù)w_staic;ti()n為該圓形的直徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述步驟C中，當(dāng)壓縮通道的橫截面為正方形，該正方形的邊長W

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述壓縮通道橫截面積為單個待測細胞橫截面積的40% -90%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟B中，在微流控芯片壓縮通道的另一側(cè)采用負壓吸的方式使單個細胞通過壓縮通道，所述負壓的壓強Ppmssum介于200Pa~800Pa之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟C之前還包括: 子步驟C' 1，設(shè)定待測細胞的直徑drall_diamrte、壓縮通道的邊長W






constriction-channel ? 子步驟C' 2，設(shè)定待測細胞為各項同性的超彈性材料，壓縮通道為剛體材料，構(gòu)建單細胞微溝道擠壓模型； 子步驟C' 3，基于上述單細胞微溝道擠壓模型，仿真待測細胞的楊氏模量為Ei,壓強為Pj情況下細胞進入壓縮通道的過程，記錄相應(yīng)的瞬時位移Xij，其中，i = 1、2、......、n ； j =1、2、……、m，η為楊氏模量取值的個數(shù)，m為壓強取值的個數(shù)； 子步驟C' 4，線性擬合以瞬時位移/溝道尺寸為自變量，以壓強/楊氏模量為因變量的曲線，得到所述預(yù)設(shè)系數(shù)k(cU_—)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的方法，其特征在于，所述微流控芯片為基于二甲基硅氧烷采用注塑工藝制作。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的方法，其特征在于: 所述步驟A還包括:將微流控芯片放至顯微鏡的載物臺上，攝像頭對準顯微鏡的目鏡，調(diào)整顯微鏡的放大倍數(shù)，以通過攝像頭能清楚觀察到微流控芯片的壓縮通道為準； 所述步驟B還包括:由所述攝像頭通過顯微鏡記錄單個待測細胞進入壓縮通道的過程，進而得到待測細胞在蠕變過程之前進入壓縮通道時的瞬時位移ΔΧ。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述顯微鏡的放大倍數(shù)為400倍，所述攝像頭的掃描速度為每秒200幀。
【文檔編號】G01N15/10GK103674813SQ201310431833
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年9月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月22日
【發(fā)明者】陳健, 羅亞娜, 龍榮, 趙陽, 陳德勇, 王軍波 申請人:中國科學(xué)院電子學(xué)研究所