基于微流控芯片的三维细胞培养平台的发展
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研究工作之一：发展了ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ种聚二甲基硅氧烷-纸复合材料微流控芯片用于三 维细胞培养，内容包括：设计并制作了一种封装有硝酸纤维素薄膜的微流控芯片， 薄膜用明胶处理后作为细胞培养基底。利用表面张力原理在薄膜表面形成水凝胶 液滴作为三维细胞培养器。结合微通道主动灌流与水凝胶中的被动扩散，模拟体 内的流体运输形式以实现细胞与外界物质交换；利用聚二甲基硅氧烷-纸复合材 料微流控芯片灌流培养肝癌HepG2细胞。实验考察了芯片上细胞的生存及代谢情 况，并观察细胞三维结构的形成。研究结果表明薄膜上的液滴形成以及固化方法 简便可靠。借助水凝胶液滴的生成，可实现细胞的定位种植。连续监测显示肝癌 HepG2细胞在纸片上的水凝胶微球中可以生存和增殖，并形成类似组织的三维结 构。细胞增殖动力学分析以及生化检测结果也显示芯片三维培养肝癌细胞更接近 体内肿瘤组织情况。这种芯片3D细胞培养方法操作简便可靠，仿真度高，适合于 肿瘤细胞研究。
Abstract
The core technology of cell culture in vitro is to simulate the microenvironment and make the cell test results to truly reflect the state in body. Traditional two-dimensional cell culture technology is not able to meet the clinical needs in environmental simulation, test flux and the automatic operation. This thesis focuses on developing microfluidic chips for constructing three-dimensional cell culture platform, constructing intercellular communication and simulating tissue characteristics. Furthermore, in order to further achieve bionic characteristics, the interaction of cell and mesenchyma in microenvironment and the fluid mode of transportation are also considered. This work has laid a good foundation and has carried on the beneficial attempt on drug screening in follow-up work. ⑴ This work developed a Polydimethylsiloxane (PDMS)-paper hybrid microfluidic chip for three-dimensional (3D) culture of HepG2 cell. Gelatin-treated nitrocellulose membranes were embedded in the microchip as the base of cell culture, on which hydrogel microbeads were generated to serve as the holder for 3D cultures. The fluid transportation combined active perfusion along the micochannel as well as passive diffusion through the extracellular matrix. Experimental results demonstrated that the paper-embedded microchip promised reliable and simple droplet generation. Through the formation and gelation of hydrogel droplets, cell localization and seeding were achieved. Continuous monitoring indicated that cells cultured on the microchip proliferated to form tissue-like 3D structures. Growth dynamics and biochemical tests showed differences between 2D and 3D cultures. The microchip-based 3D cell culture features simplicity and precise emulation of the microenvironment in-vivo, thus is
学号：2009212011
年级：二〇〇九
院系名称：研究生院
专业名称：临床检验诊断学 指导教师：周小棉 教授
导师单位：广州医学院附属市一人民医院
二〇一二年四月
广州医学院硕士学位论文
目录
摘要........................................................................................................................................... 1 Abstract .....................................................................................................................................3 研究工作之一 聚二甲基硅氧烷-纸材料复合微流控芯片上的三维细胞培养 ................5 1.1 前言....................................................................................................................................5 1.2 实验部分...........................................................................................................................7 1.3 实验结果及讨论.............................................................................................................11 1.4 结论.................................................................................................................................20 参考文献.................................................................................................................................21 研究工作之二 细胞水平抗肿瘤药物测试的微流控芯片 3D 细胞微阵列构建.................23 2.1 前言.................................................................................................................................23 2.2 实验部分.........................................................................................................................27 2.3 实验结果及讨论.............................................................................................................32 2.4 结论.................................................................................................................................39 参考文献.................................................................................................................................40 微流控芯片技术与其在细胞培养中的应用（文献综述） .................................................42 3.1 前言..................................................................................................................................42 3.2 微流控芯片的发展概况..................................................................................................43 3.3 微流控芯片的应用..........................................................................................................47 3.4 微流控芯片上的细胞培养.............................................................................................50 3.5 微流控芯片细胞培养技术的展望.................................................................................61 参考文献.................................................................................................................................62 攻读硕士学位期间的研究成果 ............................................................................................. 69 致谢......................................................................................................................................... 70 学位论文原创性声明 ............................................................................................................. 71 学位论文知识产权权属声明 ................................................................................................. 72 关于学位论文使用授权的说明 ............................................................................................. 73
分类号：
密 级：一般
编 号：2009212011
广州医学院
硕士学位论文
基于微流控芯片的三维细胞培养平 台的发展
研究生：张 琼
导 师：周小棉 教授
申请学位级别：医学硕士
年级：二零零九级
学 科 专 业 ：临床检验诊断学 研究方向：微流控芯片
论文提交日期：二〇一二年四月 论文答辩日期：二〇一二年五月
学 位 类 型 ：医学科学学位
2
英文摘要
Development of three-dimentional cell culture on microfluidic chip
Specialty: Clinical Laboratory Diagnostic Graduate Student: Zhang Qiong Tutor: Prof Zhou Xiaomian
学位授予单位：广州医学院
答辩委员会主席：
评 议 人：
二〇一二年四月
广州医学院硕士学位论文
广州医学院
硕士研究生学位论文
基于微流控芯片的三维细胞培养平 台的发展
Development of three-dimentional cell culture on microfluidic chip
姓名：张 琼
1
广州医学院硕士学位论文
研究工作之二：发展了一种用于细胞水平抗肿瘤药物测试的微流控芯片3D 细胞微阵列。该芯片采用包含聚二甲基硅氧烷和聚碳酸酯的多层复合结构。利用 聚碳酸酯薄膜与基质材料聚二甲基硅氧烷表面性质差异形成水凝胶液滴阵列进 行三维细胞培养，模拟肿瘤实质；利用具有通透性的聚碳酸酯薄膜以及水凝胶支 持和营养细胞，模拟肿瘤间质。结合主动灌流与被动扩散，模拟体内组织的物质 交换形式。结合芯片材料和结构的特性，构建包括细胞-细胞以及细胞-间质相互 作用的微环境。上述芯片允许在类似体内的环境中进行细胞-药物相互作用。芯 片系统集成了细胞接种、梯度浓度发生、灌流培养、药物刺激和检测等功能，并 且可以平行对4组细胞进行4个药物浓度的测试。以乳腺癌（MCF-7）细胞为模型 体系，考察芯片系统的基本性能，指导优化并有望最终实现简便高效的体外细胞 -药物反应测试，发展出一种具有仿真性强，测试通量高，成本低和自动化程度 高等优势的抗肿瘤药物体外测试平台。 关键词：微流控芯片，薄膜，三维细胞培养 论文类型：应用研究
摘要
基于微流控芯片的三维细胞培养平台的发展 Development of three-dimentional cell culture on
microfluidic chip
专业名称:临床检验诊断学 研究生：张琼
导师：周小棉 教授
摘要
体外细胞培养的核心技术问题是模拟体内微环境，使细胞测试结果真实反映 体内状态。传统二维细胞培养技术在微环境模拟、测试通量以及操作自动化等方 面均难以满足临床需求。本论文以微流控芯片为基础构建芯片三维细胞培养平台， 以建立细胞间的联系，模拟体内组织特征。此外，为了进一步符合仿生特点，微 环境中细胞-间质相互作用及流体运输方式的模拟也是需要考虑的问题。该工作 为微流控芯片技术用于药物筛选等后续工作打下了良好的基础并进行了有益的 尝试。
Abstract
The core technology of cell culture in vitro is to simulate the microenvironment and make the cell test results to truly reflect the state in body. Traditional two-dimensional cell culture technology is not able to meet the clinical needs in environmental simulation, test flux and the automatic operation. This thesis focuses on developing microfluidic chips for constructing three-dimensional cell culture platform, constructing intercellular communication and simulating tissue characteristics. Furthermore, in order to further achieve bionic characteristics, the interaction of cell and mesenchyma in microenvironment and the fluid mode of transportation are also considered. This work has laid a good foundation and has carried on the beneficial attempt on drug screening in follow-up work. ⑴ This work developed a Polydimethylsiloxane (PDMS)-paper hybrid microfluidic chip for three-dimensional (3D) culture of HepG2 cell. Gelatin-treated nitrocellulose membranes were embedded in the microchip as the base of cell culture, on which hydrogel microbeads were generated to serve as the holder for 3D cultures. The fluid transportation combined active perfusion along the micochannel as well as passive diffusion through the extracellular matrix. Experimental results demonstrated that the paper-embedded microchip promised reliable and simple droplet generation. Through the formation and gelation of hydrogel droplets, cell localization and seeding were achieved. Continuous monitoring indicated that cells cultured on the microchip proliferated to form tissue-like 3D structures. Growth dynamics and biochemical tests showed differences between 2D and 3D cultures. The microchip-based 3D cell culture features simplicity and precise emulation of the microenvironment in-vivo, thus is
学号：2009212011
年级：二〇〇九
院系名称：研究生院
专业名称：临床检验诊断学 指导教师：周小棉 教授
导师单位：广州医学院附属市一人民医院
二〇一二年四月
广州医学院硕士学位论文
目录
摘要........................................................................................................................................... 1 Abstract .....................................................................................................................................3 研究工作之一 聚二甲基硅氧烷-纸材料复合微流控芯片上的三维细胞培养 ................5 1.1 前言....................................................................................................................................5 1.2 实验部分...........................................................................................................................7 1.3 实验结果及讨论.............................................................................................................11 1.4 结论.................................................................................................................................20 参考文献.................................................................................................................................21 研究工作之二 细胞水平抗肿瘤药物测试的微流控芯片 3D 细胞微阵列构建.................23 2.1 前言.................................................................................................................................23 2.2 实验部分.........................................................................................................................27 2.3 实验结果及讨论.............................................................................................................32 2.4 结论.................................................................................................................................39 参考文献.................................................................................................................................40 微流控芯片技术与其在细胞培养中的应用（文献综述） .................................................42 3.1 前言..................................................................................................................................42 3.2 微流控芯片的发展概况..................................................................................................43 3.3 微流控芯片的应用..........................................................................................................47 3.4 微流控芯片上的细胞培养.............................................................................................50 3.5 微流控芯片细胞培养技术的展望.................................................................................61 参考文献.................................................................................................................................62 攻读硕士学位期间的研究成果 ............................................................................................. 69 致谢......................................................................................................................................... 70 学位论文原创性声明 ............................................................................................................. 71 学位论文知识产权权属声明 ................................................................................................. 72 关于学位论文使用授权的说明 ............................................................................................. 73
分类号：
密 级：一般
编 号：2009212011
广州医学院
硕士学位论文
基于微流控芯片的三维细胞培养平 台的发展
研究生：张 琼
导 师：周小棉 教授
申请学位级别：医学硕士
年级：二零零九级
学 科 专 业 ：临床检验诊断学 研究方向：微流控芯片
论文提交日期：二〇一二年四月 论文答辩日期：二〇一二年五月
学 位 类 型 ：医学科学学位
2
英文摘要
Development of three-dimentional cell culture on microfluidic chip
Specialty: Clinical Laboratory Diagnostic Graduate Student: Zhang Qiong Tutor: Prof Zhou Xiaomian
学位授予单位：广州医学院
答辩委员会主席：
评 议 人：
二〇一二年四月
广州医学院硕士学位论文
广州医学院
硕士研究生学位论文
基于微流控芯片的三维细胞培养平 台的发展
Development of three-dimentional cell culture on microfluidic chip
姓名：张 琼
1
广州医学院硕士学位论文
研究工作之二：发展了一种用于细胞水平抗肿瘤药物测试的微流控芯片3D 细胞微阵列。该芯片采用包含聚二甲基硅氧烷和聚碳酸酯的多层复合结构。利用 聚碳酸酯薄膜与基质材料聚二甲基硅氧烷表面性质差异形成水凝胶液滴阵列进 行三维细胞培养，模拟肿瘤实质；利用具有通透性的聚碳酸酯薄膜以及水凝胶支 持和营养细胞，模拟肿瘤间质。结合主动灌流与被动扩散，模拟体内组织的物质 交换形式。结合芯片材料和结构的特性，构建包括细胞-细胞以及细胞-间质相互 作用的微环境。上述芯片允许在类似体内的环境中进行细胞-药物相互作用。芯 片系统集成了细胞接种、梯度浓度发生、灌流培养、药物刺激和检测等功能，并 且可以平行对4组细胞进行4个药物浓度的测试。以乳腺癌（MCF-7）细胞为模型 体系，考察芯片系统的基本性能，指导优化并有望最终实现简便高效的体外细胞 -药物反应测试，发展出一种具有仿真性强，测试通量高，成本低和自动化程度 高等优势的抗肿瘤药物体外测试平台。 关键词：微流控芯片，薄膜，三维细胞培养 论文类型：应用研究
摘要
基于微流控芯片的三维细胞培养平台的发展 Development of three-dimentional cell culture on
microfluidic chip
专业名称:临床检验诊断学 研究生：张琼
导师：周小棉 教授
摘要
体外细胞培养的核心技术问题是模拟体内微环境，使细胞测试结果真实反映 体内状态。传统二维细胞培养技术在微环境模拟、测试通量以及操作自动化等方 面均难以满足临床需求。本论文以微流控芯片为基础构建芯片三维细胞培养平台， 以建立细胞间的联系，模拟体内组织特征。此外，为了进一步符合仿生特点，微 环境中细胞-间质相互作用及流体运输方式的模拟也是需要考虑的问题。该工作 为微流控芯片技术用于药物筛选等后续工作打下了良好的基础并进行了有益的 尝试。