基于双子叶植物网状脉序液体输运冗余特性的仿生微流控器件

A microfluidic device inspired by the redundancy of reticular veination is presented to perform cell operation. A model of redundance microchannel network is established by considering the coupling of the size changing in microchannel cross-section, microchannels interconnection method, as well as three-dimension or multilayer distribution of microchannels. This model can be used to investigate the plateau flow, homogeneous distribution, as well as anti block characters of the redundace channel network. A design method of functional microfluidic units and a method to achieve the jointing of macro and micro units are presented. Several fabrication methods, such as the method to fabricate microchannels with complicated cross-section shape, the method to fabricate multilayer or three-demisional microstructures, are exploited in the fabriction of the microchanenl network. Multilyer bonding and the integrated fabrication of functional units are used to fabricate the bio-inspired microdevice. The fabricated microdevice has been used in cell operation. The microdevice present here can minimize the effects of external disturb,retain the steady of solution concentration in different cell culture region. It can also reduce the block of microchannel. This device has significant meaning in microfluidic cell operation. Until now, similar model, methods and devices have not been reported.

本项目提出一种基于双子叶植物网状脉序冗余液体输运机理的细胞操控微流控器件。基于植物特性提取技术和人工智能算法，建立考虑微通道尺度和截面变化、连通方式以及多层立体分布等耦合作用的冗余微通道网络模型，揭示冗余微通道的流量平台特性、区域浓差均一特性和抗阻塞性；建立微流控功能单元的模块化设计及其与仿生微通道网络的宏/微对接方法；形成冗余微通道网络的变截面、多层立体制造方法，研究仿生微流控器件的多层立体封合、功能单元集成制造等问题，并将制成的微流控器件应用于细胞药性分析、胞间作用分析等。本仿生器件可以减小外部液体驱动源对细胞操控区的干扰，保证各个细胞操控区溶液浓度的均一、稳定，并可有效防止通道阻塞，在构建细胞体外分析模拟和控制平台、推进微流控细胞研究方面具有重要意义。目前，国内外未见本项目提出的模型和设计方法的报道。

稳定的流动微环境是细胞体外操控及信号检测的重要前提，针对细胞培养过程中功能单元流场易受外部液流扰动影响的问题，分析了双子叶植物叶脉冗余液体输运机理，揭示了流体流动的流量平台行为；分别建立了有源与无源仿生微器件，形成了基于UV/ozone的区域化梯度表面改性方法和基于激光重铸物的集成制造方法；制作的仿生微器件有效提高了流场的稳定性与均一性，使功能单元内流体流动达到了近似于体内的间隙流动水平，实现了细胞沿流动方向的排列，为研究肿瘤细胞的迁移与侵袭提供了重要研究平台。上述主要研究内容及成果如下：. （1）首次基于植物网状脉序液体输运冗余机理，建立了仿生微通道网络模型，分析了网状脉序结构特性与冗余度的关系，建立的仿生微器件在细胞体外长期培养、提高单细胞贴壁面积和存活率，以及诱导细胞排列方面具有明显优势。成果已发表在Lab on a Chip(JCR1区，IF：6.045) 等期刊共3篇，申请国家发明专利3项。. （2）设计与制作了波浪形缓冲器、梳齿形延时器、控制通道边缘流体水头形态的锯齿形微通道等关键功能单元，提出了基于UV/ozone的区域化梯度表面改性方法和基于激光重铸物的集成制造方法。成果已发表在Journal of Materials Processing Technology (JCR1区，IF：3.147)等期刊共13篇，申请专利12项，其中授权4项。. （3）建立了仿气孔流量可调微泵液体驱动系统。揭示了叶片蒸腾负压的液体驱动能力和气孔蒸腾高效性原因，设计了仿叶结构微泵驱动的药物筛选实验平台。利用该平台完成了化疗药物诱导肿瘤细胞凋亡实验。成果已发表在JOURNAL OF MICRO-NANOLITHOGRAPHY MEMS AND MOEMS（JCR2区，IF：1.428）等期刊共2篇。. 基于本项目的研究工作，获得教育部科学技术二等奖1项，辽宁省科学技术二等奖1项和中华医学科技三等奖1项。在国际期刊上发表论文18篇，其中SCI检索13篇（JCR1区4篇，JCR2区4篇），EI检索11篇。申请国家发明专利15项，授权4项，1项已转让企业。参加和举办国内外学术会议6次，大会组织委员3次。资助2名博士研究生和5名硕士研究生开展了相关研究工作，其中，1人获得辽宁省优秀毕业生，2人获得研究生国家奖学金。