基于微流控芯片的納米顆粒與細胞相互作用模擬

基于微流控芯片的納米顆粒與細胞相互作用模擬

摘      要

納米顆粒是新興的藥物載體和體內成像探針。納米顆粒在與血管壁細胞相互作用并穿透管壁后才能達到靶點，因此研究其在微血管系統中的運輸及與血管壁內皮細胞的相互作用，對實現高效的靶向運輸具有重要意義。微流控芯片自20世紀90年代被提出以來，廣泛應用于流體力學、組織工程等領域。在微流道表面修飾內皮細胞層后，微流控芯片成為研究納米顆粒在微血管系統中運輸的良好平臺。在本項目中，我們分析人和倉鼠微血管網絡造影圖，提取了微血管網絡的主要幾何要素：分支分叉、管徑變化、彎曲和轉角，設計并制作了基于以上結構的PDMS（聚二甲基硅氧烷）微流控芯片，在微流道中植入單層人臍靜脈內皮細胞，實現了在微流控芯片上對微血管系統基本結構的體外模擬。基于以上裝置，我們采用100nm的綠色熒光聚苯乙烯顆粒對納米顆粒與內皮細胞在微血管中的相互作用進行了研究。實驗發現，在較低流速（10μL/h）和較高流速（20μL/h）下，細胞與納米顆粒相互作用后的熒光強度，均高于靜止狀態下兩者相互作用同等時間后的熒光強度，且較低流速下的熒光強度最強。在管徑突縮狹窄處，流速劇增使管壁剪切率劇增，細胞無法耐受，故在血管狹窄處易發生貼壁細胞的損傷和流失。而在微流道分叉處，納米顆粒因其自由擴散系數較低，其運輸行為按照流體的流動分布。在管徑不等的分叉中，納米顆粒隨液流主體進入阻力較小的較寬分叉流道；在管徑相等的分叉中，納米顆粒均勻進入兩分叉流道。本項目提供了研究納米顆粒體內運輸情況的新方法，該結果對納米藥物的開發設計及其體內運輸的機理研究有重要意義。

關鍵詞： 納米顆粒， 微流控技術，細胞與顆粒的相互作用

Abstract

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目    錄

1. 緒論1

1.1研究意義1

1.2研究現狀分析3

1.2.1納米顆粒在微血管系統中運輸情況的研究3

1.2.2微流控芯片技術的發展現狀4

1.2.3微流控芯片上細胞網絡的建立9

1.2.4在微流控芯片上研究顆粒運輸情況的現狀10

1.3項目研究內容13

2.實驗材料和方法14

2.1微流控芯片模版的制備14

2.1.1儀器及試劑用品14

2.1.2 AutoCAD微流道制圖14

2.1.3光刻制作微流道模版15

2.2 軟模版刻蝕法制作PDMS微流道芯片16

2.2.1儀器及試劑用品16

2.2.2 微流道芯片的制作步驟17

2.3微流道芯片底面內皮細胞網絡的建立18

2.3.1 儀器及試劑用品18

2.3.1人臍靜脈內皮細胞的培養 19

2.3.2 微流道底面內皮細胞層的種植20

2.4熒光納米顆粒溶液的制備20

2.5微流道內納米顆粒與細胞相互作用21

2.5.1儀器及試劑用品21

2.5.2向微流道內通入納米顆粒的具體操作21

2.6細胞熒光強度的分析與統計22

2.7采用COMSOL對微流道內底面流體速度分布進行數值模擬22

3. 實驗結果分析與討論23

3.1 微流道底面內皮細胞網絡的建立23

3.2 流速對細胞吞噬納米顆粒的影響25

3.3 管徑突變處流體對內皮細胞的影響29

3.4 管道分叉處納米顆粒與細胞相互作用分析31

4結論與展望38

致謝40

參考文獻41