生物微流体芯片及相关方法 技术领域 本发明涉及一种生物微流体芯片以及使用这种生物微流体芯片的方法。为了方 便， 可将生物微流体芯片称为 “生物芯片” 。
背景技术 在生物和生物医学的科学研究中， 研究人员为了进行研究， 常常在培养容器中培 养细胞或胚胎。培养容器的一种非常普遍的形式是所谓的微滴定板 (microtitre plate)， 其通常包含形成在板内的直边圆柱形孔 (well)。 具有标准形状和尺寸微滴定板用于在分析 设备或机器人处理器中锁住保留物 (retention)。
实际上， 微滴定板通常包括网格状模式的微滴定孔阵列。一种众所周知的排列形 式包括 96 个微滴定孔， 其中限定了 8 排且每排 12 个微滴定孔的阵列。该 96 孔板设计已成 为生物分子筛选协会 (Society for Biomolecular Screening) 规定的工业标准样式。
微滴定板通常由透明的聚合物制成， 比如丙烯腈 - 丁二烯 - 苯乙烯 (′ ABS′ )。 该透明特性使研究人员能够对微滴定孔内培养的细胞、 胚胎或幼虫进行各种光学试验。此 外， 微滴定孔适用于进行大量不涉及细胞材料的试验和研究。
微 滴 定 孔 在 使 用 时， 其 上 端 为 开 放 的。 可 使 用 电 子 控 制 的 计 量 器 (dosing apparatus) 向微滴定板的每个孔内注入培养溶液以及如试剂、 酶或者其他添加剂， 以研究 这些试剂、 酶或者其他添加剂对微滴定孔内细胞的作用。
为了方便起见， 参考处于操作方向的微滴定孔或生物微流体芯片来解释本发明中 所使用的术语， 比如 “上面的” 、 “在上方” 、 “下部的” 、 “垂直的” 、 “水平的” 、 “向上地” 以及 “向 下地” 。这样当生物芯片平放在比如试验台的水平面上且孔开口向上时， 可以理解这些术 语。然而应承认的是， 在使用生物芯片或其他细胞培养容器时， 其方向会发生改变， 比如作 为实验或观察程序的一部分， 对生物芯片或其他细胞培养容器进行离心或作其他摇动、 或 者倾斜或倒置。 但不应将上述术语以及相关的术语理解成将本发明的保护范围限制为培养 容器的特定方向或者任何特定的使用模式。
Christopher B.Rohde 等 人 所 著、 于 2007 年 8 月 28 日 刊 登 在 美 国 国 家 科 学 院 院 刊 (PNAS) 第 104 卷、 no.35， 13891-13895 的 “Microfluidic system for on-chip high-throughput whole-animal sorting and screening at subcellular resolution” 的论文公开了由用柔性聚合物制成的流动层和控制层组成的微流体装置。 该流动层包括微 通道， 用于对线虫 (C.elegans) 进行操作、 使其固定以便于成像， 以及用于传送培养基和试 剂。流动层还包含微室， 用于培养动物。控制层由微通道组成， 当对微通道加压时， 将膜折 透过透明的玻璃衬底， 可使用高分辨率 曲到流动通道中， 以阻止流体的流动或使流体改向。 的显微镜对流动管道 (flow line) 内的动物进行成像。
不应将本说明书中对先前公开文件或任何背景资料的列举或讨论视为承认该文 件或背景资料为现有技术的一部分或者常识。本发明的一个或多个方面 / 实施例可能解决 或者没有解决一个或多个背景问题。
发明内容
根据本发明的第一个方面， 提供了一种生物微流体芯片， 该生物微流体芯片包括： 衬底 ；
微流体入口， 该微流体入口在所述衬底表面上限定有开口 ；
微流体出口， 该微流体出口在所述衬底表面上限定有开口 ； 以及
多个孔， 自所述衬底的顶面延伸， 其中由一个或多个壁限定所述每个孔的边界， 流 入开口和流出开口设置于所述每个孔的壁上 ；
一个或多个微流体流入通道， 位于所述衬底内， 所述微流体流入通道将所述微流 体入口连接至所述孔壁上的所述每个流入开口 ； 以及
一个或多个微流体流出通道， 位于所述衬底内， 所述微流体流出通道将所述孔壁 上的所述流出开口连接至所述微流体出口。
在传统使用中， 流入通道向孔内运送流体， 流出通道将流体从孔内运送出去。然 而， 如果需要的话， 可颠倒该流动的方式。
生物微流体芯片 ( 生物芯片 ) 可用于培养和研究孔内的细胞、 胚胎以及幼虫 ； 微流 体通道可用于向孔内提供一种或多种微流体， 也可用于从孔内移除一种或多种微流体。在 一个实例中， 可向孔内提供药物或其他化合物和 / 或营养物， 以用于实验。在一些实施例 中， 可经微流体流出通道把会影响孔内实验进行的生物废物、 代谢物和 / 或细菌从孔内移 除。
根据本发明实施例的生物芯片能够改善在生物芯片的孔内进行的科学实验， 并且 能够以更低的成本以及更快的速度得到更精确更可靠的结果。
多个孔的壁可包括侧边界 ( 可视为侧壁 )， 也可包括底壁 ( 可视为孔的底 )。所述 壁可为平坦 / 平面的或者弯曲的。
要理解的是， 术语 “微流体” 与流体的运动方式、 精确控制和操纵有关， 且所述流体 在几何上限制为小、 通常为亚毫米的尺寸。
对于每个孔或者一部分孔而言， 微流体入口和孔壁上的流入开口之间的微流体通 道的长度大致相等。 即， 虽然有些孔离入口较远， 但是入口和流入开口之间的通道长度对每 个孔而言基本上相同。
这样， 微流体通道提供给每个单独的孔的流体的压力和流速基本上相同。这样可 减小不同孔的内容物发生交叉污染的机会， 并且可确保为每个孔提供相同的环境条件。从 而使本发明公开的一种或多种生物微流体芯片能够在相同的条件下在多个不同的孔内同 时进行可靠且可重复的实验。
同样， 对于每个孔而言， 孔壁上的每个流出开口和微流体出口之间的微流体通道 的长度大致相等。如上所述， 以同样的方式可确保以相同的流速将流体从每个孔内移除。
在一些实例中， 微流体通道的长度可变， 使得离入口最远的孔和离入口最近的孔 能在相同的时间接收到相同流速的流体。在每种情况下， 相同的可变长度可用于相应的微 流体通道以及孔内每个流入开口 / 流出开口。
所述生物微流体芯片可进一步包括 ：
温度控制入口和温度控制出口 ； 以及
温度控制通道， 用于在使用时沿着与所述多个孔中的一个或多个孔接近的路径将 温度控制流体从所述温度控制入口传输至所述温度控制出口， 以使热量可在所述温度控制 液体和所述孔的内容物之间进行交换。
设置这种内置的温度控制系统使生物芯片能够在实验过程中移动， 而使用单独的 温度控制装置会使生物芯片限制在具体的位置上。
热量可以交换， 以便生物芯片在使用过程中加热或冷却孔内的内容物， 并且可在 所有孔之间提供稳定并且恒定的温度。
温度控制液体可为水介质、 油、 或者任何其他适于在沿着温度控制通道流动时维 持所需温度的流体。
可为所述多个孔中的一部分孔设置一个或多个所述温度控制入口、 温度控制出口 和温度控制通道， 这样可单独控制各个孔或者一部分孔的温度。
在一些实例中， 与不同的温度控制入口和 / 或温度控制通道相关联的孔可共用一 个温度控制出口。来自多个入口的温度控制通道可在向出口开口前交汇， 以将每个通道的 已经完成加热或冷却孔作用的温度控制流体混合在一起。 这对于减少生物芯片所需端口数 量而言是有利的， 且也被视为可接受的， 因为来自每个温度控制入口的温度控制流体在混 合起来离开生物芯片之前已经完成了其作用。
所述多个孔可构成孔阵列， 且为所述孔阵列的每一排孔设置单独的温度控制入口 和温度控制通道。这样， 可独立于其他排的孔的温度来独立控制该排孔的内容物的温度。
所述孔壁上的所述流入开口的位置可低于所述流出开口。 这样能够使穿过微流体 通道进入或者流出孔的微流体在孔内得到有效使用。比如， 第一开口 ( 入口 ) 低于第二开 口 ( 出口 ) 可在孔内保持所需要的流体深度， 并且可确保微流体有效地穿过孔。
所述生物微芯片可进一步包括第二微流体入口， 以及位于所述每个孔壁上的第二 流入开口。所述第二流入开口可与所述第二微流体入口通过第二微流体流入通道流体连 通。这样， 比如通过混合来自孔中不同流入入口的不同流体， 可在孔中进行更复杂的实验。 在一个实施例中， 通过例如位于孔不同侧上的不同流入开口可向同一孔中提供不同的化合 物。也可能在孔中从第一微流体入口和第二微流体入口接收的不同流体 / 混合物之间出现 梯度效应。
所述孔壁上的所述第二流入开口的位置可低于所述孔壁上的所述流出开口。 这样 可确保从第一流入开口和第二流入开口接收的流体经由孔有效地流到流出开口。
要理解的是， 根据本发明实施例的生物微流体芯片可具有带多个流入开口和 / 或 流出开口、 以及多个入口和 / 或出口的孔。还要理解的是， 在一些实施例中， 入口和流入开 口可用作出口和流出开口， 反之亦然。
具有一个以上的流入开口和一个以上的流出开口的优点在于， 如果一个开口受 阻， 流体依然可通过其他开口流入孔中。
所述生物微流体芯片可进一步包括用于密封孔的盖。所述盖可为滑动的、 自动密 封的、 可移除的和 / 或被加热的。所述盖可由塑料、 橡胶、 硅树脂或其他这样的聚合物薄膜 构成， 且通过加热或粘合剂结合到玻璃上。所述盖也可经芯片内的专用微通道施加的真空 结合到芯片上。 所述盖也用于控制孔内的压力， 保护孔的上开口不接触异物、 以及不会因蒸发造成流体的损耗 ； 和 / 或当需要向孔中添加某些物体 ( 比如产品、 细胞或细胞群、 其他微 流体 ) 时， 所述盖可打开孔的上开口。加热的盖可减小在盖上形成冷凝物的可能性， 从而能 够透过盖进行更精确的成像操作。
所述生物微流体芯片可位于支架内。
当盖处于适当位置时， 每个孔相对于其他孔都是密封的。 因此， 孔与孔之间不会有 通过孔的上开口发生交叉污染 ( 例如细菌或其他病原体、 药物和其他化合物 ) 的风险。借 由微流体通道， 减小 / 防止了在两个或两个以上孔之间发生交叉污染的风险， 这是因为通 道较长并且包含流动的流体。因此， 污染物从一个孔传递到另一个孔要逆着流体流的方向 运动。
要理解的是， 根据本发明的实施例， 盖并非所述生物微流体的必要特征， 并且本发 明所描述的那些实例可在打开模式 ( 在适当位置没有盖 ) 或者关闭模式 ( 即， 盖覆盖孔的 上开口 ) 下进行操作。
所述生物微流体芯片是可重复使用的， 比如可用于大量相同或不同的试验。在 一些实例中， 在生物芯片使用完后， 可通过将清洗液流过微流体通道和孔来清洁该生物 芯片。清洁生物芯片可以为自动或半自动的工序， 以将生物芯片清洁到可重复的标准 (reproducible standard)。也可用流体、 辐照或紫外线对该芯片进行消毒。这样需要更换 根据本发明实施例的生物芯片的频率低于现有技术的生物芯片， 因此可提供更经济的生物 芯片。 所述衬底至少部分可由 D263 玻璃制成。与已知的聚苯乙烯产品相比， 已发现这种 类型的玻璃减少了自发荧光， 可用于通过其进行成像操作的生物芯片的至少一部分中。
所述多个孔在垂直截面上具有包括两个端对端相连的截头圆锥形 ； 其中， 所述截 头圆锥形的较窄端部分配置在一起。孔可具有为圆形或方形水平截面的 “沙漏” 形状。所 述截头圆锥形可为截头圆锥体或金字塔形， 比如方形基底的金字塔形。
所述生物芯片的衬底可包括顶层和底层， 且所述两个截头圆锥形在所述顶层和底 层之间的边界处配置在一起。同样， 第一微流体通道和 / 或第二微流体通道可设置于所述 衬底的顶层和底层之间。这些特征便于生物芯片的制作。
一个或多个所述微流体通道可包括微流体阀。根据要在孔内进行的实验的要求， 使用这些微流体阀来控制流体流动到孔内或者从孔内流出。 比如， 可根据特定的实验， 在期 望的时间将所需量的流体传送到孔内。 所述微流体阀也可用于减少不同孔的内容物之间发 生交叉污染的机会。
根据本发明的另一方面， 提供了一种使用所述生物微流体芯片的方法， 该生物微 流体芯片包括 ：
多个孔 ；
微流体入口 ； 以及
微流体出口 ；
所述方法包括 ：
将细胞提供给多个孔中的一个或多个孔， 其中所述细胞用于实验 ；
将流体提供给所述微流体入口， 以使所述流体进入所述一个或多个孔 ；
通过所述微流体出口从所述一个或多个孔内移除所述微流体 ； 以及
对所述一个或多个孔的内容物进行成像， 以获得所述一个或多个孔内的实验结果。 实验的实例可包括 ：
对斑马鱼胚胎 / 幼虫的实验， 比如胚胎 / 幼虫经一段时间的发育情况 ； 可使用的其 他胚胎包括其他动物和植物的胚胎 ；
在其他实施例中， 可对单层细胞进行实验， 比如心脏干细胞 ；
可将组织和细胞生长在孔内的基质或膜上， 以使细胞和 / 或组织能够进行两维或 者三维生长。
所述方法可进一步包括将温度控制流体提供至所述生物微流体芯片的温度控制 入口， 以控制所述一个或多个孔的内容物的温度。
为所述多个孔中的一个或多个孔提供细胞可包括将细胞注入所述一个或多个孔 的上开口， 或者通过所述微流体通道和端口导入细胞。
附图说明
下面参考附图， 通过非限制性实例来描述本发明的优选实施例， 其中 ： 图 1 示出了根据本发明实施例的生物微流体芯片 ； 图 2 示出了根据本发明实施例的生物微流体芯片的一个孔的垂直截面图 ； 图 3 示出了根据本发明另一实施例的生物微流体芯片 ； 图 4 示出了图 3 中的生物微流体芯片的进一步细节 ； 图 5 示出了图 3 中的生物微流体芯片的进一步细节 ； 以及 图 6 示出了在使用中的根据本发明实施例的生物微流体芯片 ； 图 7 示出了在根据本发明的支架内的生物微流体芯片。具体实施方式
本发明所描述的一个或多个实施例涉及一种具有多个孔 / 凹槽的生物微流体芯 片， 其中每个孔与微流体流入通道和微流体流出通道流体连通。这样， 可使流体通过孔， 以 移除任何随着时间累积的细菌或生物废物。同样， 可通过微生物通道将药物或营养物输入 孔内， 用于培养和研究胚胎、 多细胞生物的幼虫和成虫、 单 / 多层组织 / 器官、 细胞或细胞 系。或者或此外， 药物或其他化合物可通过孔的上开口导入每个孔内。
在一些实施例中， 对于每个孔或者一部分孔而言， 微流体入口和通向孔内的开口 之间的微流体流入通道基本上具有相同的长度。这样对于每个孔或者一部分孔而言， 可使 孔之间的压力相等， 且保持孔之间的流速。 在一些实例中， 这样可有利地降低不同孔的内容 物之间发生交叉污染， 且可为每个孔提供洁净的流体。
在其他实施例中， 微流体通道的长度可不同， 以便入口和一个或多个孔之间的压 力相等， 并保持其间的流速。 要理解的是， 可以任何方式设计微流体流入通道和微流体入口 的物理特征， 以能够为多个孔提供具有相同压力下且具有相同流速的流体。微流体流入通 道和 / 或微流体入口物理特征的实例包括可影响流体流动的长度、 直径、 截面形状和表面 特征。
在一些实施例中， 可以与微流体流入通道和微流体入口相似的方式设置微流体流出通道和微流体出口， 以将流体从一个或多个孔内移除。
图 1 示出了根据本发明实施例的生物微流体芯片 ( 生物芯片 )100。
生物芯片 100 包括具有微流体入口 104 和微流体出口 106 的衬底 102， 且入口 104 和出口 106 限定了衬底 102 的顶面 110 上的开口。微流体入口 104 和微流体出口 106 可当 作微流体通道通向外部环境的入口。多个凹槽 / 孔 108 从衬底 102 的顶面 110 向下延伸。
在图 1 所示的实施例中， 为了能够清楚地显示孔 108 的特征， 仅仅示出了两个孔 108a 和 108b。要理解在实际操作中， 生物芯片 100 可包括 32 个孔、 96 个孔、 869 个孔或者 任何所需数量的孔。生物芯片 100 的实施例的优点在于， 可在小区域内设置大量的孔及其 相关联的微流体通道。比如， 根据本发明实施例的生物芯片可容纳 869 个孔， 而传统的微滴 定板在相同的区域内仅可容纳 96 个孔。
每个孔 108 具有进入孔 108 侧壁的第一开口 112 和进入相对侧壁的第二开口 114。 第一开口 112 为流入开口 (inlet opening) 的实例， 第二开口 114 为流出开口 (outlet opening) 的实例。在该实例中， 孔 108 具有方形的水平截面。在其他实施例中， 可使用具有 各种截面形状的孔 108， 其侧壁可采用任何构形的侧边， 比如可为平坦的 / 平面的或者弯曲 的。 微流体流入通道 / 导管 116 将微流体入口 104 连接至孔 108 内的每个流入开口 112。同样， 微流体流出通道 118 将微流体出口 106 连接至孔 108 侧壁上的每个流出开口 114。
在该实例中， 孔 108 侧壁上的流出开口 114 高于第一开口 112， 即， 流出开口 114 离 上表面更近， 且孔 108 自该上表面向下延伸。流入开口 112 和流出开口 114 的这种配置可 有利地促使液体从流入开口 112 进入孔 108， 随后通过流出开口 114 离开孔 108， 而不会在 孔 108 内淤塞。开口 112 和开口 114 的配置可产生通过孔 108 的高效经济的流体吞吐量。
图 2 示出了根据本发明实施例的生物芯片 200 的孔 202 的截面侧视图。
生物芯片 200 包括衬底的第一层 / 顶层 204、 衬底的第二层 / 中间层 206 和衬底的 第三层 / 底层 218。 从下面的描述中可理解， 将衬底制作成三层可使微流体通道便利地位于 衬底的主体内、 且位于层与层之间。
从上方看该实例中的孔 202 时， 孔 202 具有圆形的水平截面。但图 2 中所示的结 构同样适用于具有不同截面形状的孔 202。 可认为图 2 中所示的孔 202 在垂直截面上为 “沙 漏 (hourglass)” 形状。
孔 202 的上部 ( 即， 孔 202 中穿过上层 204 的部分 ) 从衬底的第一层 204 的上表 面 214 向下延伸。在该实例中， 孔 202 的上部为截头圆锥形， 且其中与孔的上部相关的锥体 指向下面， 即远离衬底的第一层 204 的上表面 214 的方向。
孔 202 具有底部， 该底部延伸进入衬底的第二层 206。 孔 202 下部的水平截面也为 圆形。在该实例中， 孔 202 底部的形状还为截头圆锥形， 但是这次与孔 202 底部的截头圆锥 形相关的锥体指向上面， 即朝向衬底的第一层 204 的顶面 214 的方向。
对于层 204 和层 206， 孔 202 在衬底的第一层 204 和第二层 206 之间边界处的水平 截面基本相同， 从而得到了连续的孔 202。 要理解的是， 当孔 202 作为整体时， 孔 202 的两个 尖对尖的截头圆锥形部分在垂直截面上为 “沙漏” 形状。
具有沙漏形状的孔 202 可有利于对孔 202 的内容物进行成像。比如， 具有该形状
的孔 202 能够从生物芯片 200 的顶部或底部对孔 202 的内容物进行观察 / 分析 / 测量， 而 不需要透过衬底中的不必要区域 204 和 206 查看。通常使用显微镜进行成像， 微流体芯片 可由用于显微镜等级的玻璃层制成。 第一层 204、 第二层 206 和第三层 218 之间的边界不会 影响对孔内容物的成像。在其他实施例中， 孔壁可为平坦 / 平面的， 以使得孔沿其长度具有 恒定的截面形状和尺寸。
孔 202 具有与微流体通道 207 流体连通的第一开口 208。 在该实例中， 微流体通道 207 为流体的流入通道。开口 208 邻近孔 202 的下表面 216。
此外， 第二开口 210 设置于衬底的第一层 204 和第二层 206 之间的孔 202 的侧壁 上。第二开口 210 与第二微流体通道 212 流体连通。在该实例中， 第二微流体通道 212 为 微流体流出通道。在使用时， 胚胎或幼虫 ( 比如斑马鱼的胚胎或幼虫 ) 可位于孔 202 内 ； 营 养物、 药物或其他化合物可从微流体流入通道 207 和第一开口 208 泵入孔 202 内， 或者可通 过移液器从孔的上开口导入这些物质。
可通过孔 202 侧壁上的第二开口 210 将一种或多种流体从孔 202 内移除， 其中第 二开口 210 通向微流体流出通道 212。 要理解的是， 从孔 202 中提取出的流体可包括会随着 时间在孔 202 内形成的任何废物， 以及包括胚胎 / 幼虫和任何细菌或其他病原体生成的产 物、 或生物废物、 或药物或其他化合物、 或脱落的组织或基质。
图 3 示出了根据本发明实施例的生物芯片的又一实施例。
图 3 的生物芯片 300 具有孔 / 凹槽 302 的阵列。在该实施例中， 阵列为 32 个孔的 4×8 阵列。此外， 在生物芯片 300 的一端， 8 个入口 / 出口 304 设置为 4×2 阵列。要理解 的是， 端口和孔可为其他配置。图 3 中未显示从入口 / 出口 304 延伸出的微流体通道， 以便 使图清晰。而在图 4 和图 5 中则更详细地显示了从入口 / 出口 304 延伸出的流体通道及其 与孔 302 的相互关系。要理解的是， 分别在图 4 和图 5 中显示的微流体通道实际上同时存 在于图 3 所示的生物芯片 300 内， 但是为了清晰起见， 而单独予以显示。在该实例中， 从上 方看时， 孔的截面为方形， 但是也可为其他形状。
图 4 示出了图 3 的生物芯片 300、 从微流体入口 410 延伸至孔 302 的相关微流体流 入通道、 以及从微流体出口 412 延伸至孔 302 的微流体流出通道。
要理解的是， 微流体入口 410 适合连接至任何微流体源， 比如要提供给孔 302 的药 物或营养培养基。如图 4 所示， 微流体通道 414 从微流体入口 410 平行延伸至每排孔 302。 在该实例中， 孔设置为 4×8 阵列， 因此， 从入口 410 延伸出四个微流体通道分支 414( 每排 一个 )。
针对给定的一排孔 302 的每个微流体通道 414 进一步分支， 以与每个孔 302 内的 第一开口 418 流体连通。而且， 通过这种分支， 可以看到微流体通道 414 平行地为每个孔 302 提供流体。
在该实例中， 微流体通道 414 不直接从入口 410 延伸至孔 302 内的每个第一开口 418， 而是将通道 414 配置成使得微流体入口 410 和每个第一开口 418 之间的通道长度对 于每个孔而言基本上相同， 以便为每个孔提供保持相似流体流速的流体。这个目的可通过 在微流体通道 414 的主干道和不同孔 302 内的第一开口 418 之间设置不同的通道长度来实 现。比如， 微流体通道可沿着数次对折回原点的路径延伸， 以在入口 410 和第一开口 418 之 间设置需要的整个通道长度， 如图 4 中的附图标记 416 所示。要理解的是， 对于离入口 410较远的孔 302 而言， 微流体通道 414 的主干道和第一开口 418 之间的路径长度应较短， 以使 在入口 410 和第一开口 418 之间设置的整个通道长度为每个孔提供基本一致的流体流量。 这就意味着为每个孔供应流体时， 无论孔离端口的距离为多少， 流体受到的阻力大致相同， 因此， 可将流体均匀地供应给每个孔。
对于每个孔 302 而言， 这样设置的微流体通道 414 和 416 能够使得流体在到达孔 302 的路径中所经历的物理特征是相同的。 这就可为每个孔 302 提供具有相同压力的流体， 从而提供了具有相同流速的流体， 且因此减少了孔 302 的内容物被迫返回微流体流入通道 414 和 416 的可能性。反过来， 这能够减少各个孔 302 的内容物之间发生交叉污染的可能 性。
将相同的结构应用于微流体流出通道 424 和 422， 其中微流体流出通道 424 和 422 将微流体出口 412 连接至孔 302 内的第二开口 420。
图 5 示出了用于控制生物芯片 300 的孔 302 内温度的端口和通道。在该实例中， 从上方看， 孔 302 的截面为方形， 但也可以为其他形状。
在该实例中， 具有四个温度控制入口 510a、 510b、 510c、 510d ： 孔 302 阵列的每一排 孔具有一个温度控制入口。这样， 可单独控制每排孔 302 的温度。生物芯片 300 包括单个 温度控制出口 512。 其他可能的配置包括单个温度控制入口和单个温度控制出口， 在这种实 施例中， 可使整个生物芯片保持在统一的温度下。 从每个温度控制入口 510 延伸出温度控制通道 506， 沿着邻近与温度入口 510 相 关联的一排孔 302 的路径， 将温度控制液体从入口 510 输送至出口 512。要理解的是， “邻 近” 意味着温度控制通道 506 充分靠近孔 302， 使得热量可在孔 304 的内容物和温度控制通 道 506 内的温度控制流体之间进行交换。热量可交换到温度控制流体中， 或者从温度控制 流体中交换出热量， 以冷却或加热孔 302 的内容物。
在该实例中， 温度控制通道 506 沿着与孔 302 的水平方形截面四个侧边中的三个 侧边相邻的路径延伸， 以均匀地加热或冷却孔的内容物。要理解的是， 只要温度控制通道 506 内的温度控制流体和孔 302 的内容物之间可交换热量， 则温度控制通道 506 可采取任何 与孔 302 相关的路径。在孔 302 具有圆形水平截面的实例中， 温度控制通道可沿圆形孔壁 周长的部分或几乎全部进行延伸。
每排孔的温度控制通道 506 在经过孔后均交汇在一起， 以形成共同的温度控制返 回通道 508， 其中温度控制返回通道 508 与温度控制出口 512 流体连通。
已知现有技术的产品使用外部加热模块使生物芯片内的孔保持稳定的实验温度。 因此在现有技术的系统中， 微滴定板必须始终固定在加热模块上， 这样就不能在使用中移 动微滴定板。 因此， 如果每个孔需要统一的温度， 那么现有技术中的微滴定板不易用于自动 化的机器人处理系统中进行高通量筛选。相反， 本发明中所描述的生物芯片的实施例具有 内置的加热 / 冷却通道， 因此不需要固定在恒温模块上， 可在机器人系统中自由移动。这就 提供了一种在使用上比现有技术中的微滴定板更灵活的生物芯片。
本发明所描述的实施例可用于对孔内的斑马鱼胚胎 / 幼虫进行实验， 以及比如在 未经处理或经药物或其他化合物处理的情况下， 监控胚胎 / 幼虫经一段时间内的发育情 况。 在其他的实施例中， 可对孔内的单层细胞、 膜、 基体 (matrix) 或其他基质 (substratum) 进行实验。
在该实施例中， 生物芯片使用玻璃和 / 或 ( 熔融 ) 石英作为原材料。与已知的用 于 96 孔微滴定板的聚苯乙烯相比， 这种原材料可显著减少自发荧光。玻璃被认为是比较便 宜的材料， 但是玻璃和聚苯乙烯的混合物则因为要求了涂层技术而比较昂贵。 进一步地， 玻 璃的抗磨损能力和对反复清洗周期的抵抗能力都要好于塑料。
在该实例中， 生物芯片的表面为玻璃， 这就能够在 0.1 秒内完成对样品重新聚焦 的成像操作。相反， 已知的具有聚苯乙烯表面的生物芯片则因为这种生物芯片的表面较粗 糙而会产生漂移 (drift)， 且使作为成像操作一部分的红外线波长产生偏差。 这意味着对现 有技术的生物芯片进行重新聚焦， 每个孔需要 1 秒以上的时间， 这大大增加了进行大批量 胚胎筛选所需的时间。
图 6 示出了使用中的根据本发明实施例的生物芯片 300 的孔 602 的垂直截面图 ； 其中正在对斑马鱼胚胎 604 进行实验。
在该实例中， 胚胎 604 由其绒毛膜 606 包围， 并且包埋在低熔点琼脂糖 608 内 ( 由 机器人处理器注入孔内 )， 以防止胚胎在孔内移动。琼脂糖 608 凝固成凝胶体， 但不会损害 样本或防止气体 / 营养物的交换， 并且琼脂糖 608 便于进行穿过胚外膜 ( 绒毛膜 606) 的试 验药物的注射。凝胶体 608 也可限制潜在的感染的扩散。通过平行延伸的微流体流入通道 610 向生物芯片 600 内的每个孔 602 供应稳定或恒定的确定缓冲溶液， 从而降低了微生物交 叉污染和药物向相邻孔渗漏的危险。此外， 可由机器人移液处理器通过塑料或玻璃的滑动 盖来给药， 其中可缩回滑动盖以露出孔的开口注入药物。或者， 该盖可为自封式盖， 比如橡 胶或聚合物塞子、 层压薄膜或胶带。要理解的是， 琼脂糖 608 并非必不可少， 在其他实施例 中， 胚胎可自由地处于孔内流体或者任何其他物质中。 本发明所描述的生物芯片的一些实施例可包括盖， 用于覆盖生物芯片衬底顶面上 的孔的开口。该盖可为整合成生物芯片一部分的滑动盖。这样， 盖能够滑向一侧至打开位 置， 以露出孔的开口供在实验开始之前导入胚胎， 和 / 或在实验过程中导入药物。在实验过 程中， 盖可滑回覆盖位置。
在一些实例中， 盖可密封孔， 使得该孔不漏气和 / 或流体， 从而能够在孔内进行高 效的微流体流动。 可移除的盖使得能够在实验后回收胚胎， 以在生物芯片内的实验完成后， 进行进一步的详细分析， 比如聚合酶链反应 (PCR)、 提取信使核糖核酸 (mRNA) 等等。 盖的移 除可方便在实验后对孔的清洗， 从而使生物芯片可重复使用。
在一些实施例中， 可加热盖， 以减小盖上形成冷凝物的可能性。 减少冷凝物使得能 够透过使用中的盖进行更精确的成像操作。或者， 该盖可由塑料薄膜或多孔膜组成 ； 其中 塑料薄膜在加热下施用， 多孔膜上的孔眼与孔的上开口对准且与置于多孔膜上的玻璃盖对 准。该盖为薄膜时， 针穿过盖进入孔后， 盖可自密封。在某些情况下， 盖是光学清晰 / 透明 的， 能够对孔的内容物进行显微分析 ； 在其他情况下， 盖可具有如镜般的上表面或下表面。
图 7 示出了根据本发明实施例的生物芯片 200( 如图 2) 放置在根据本发明的支架 内时， 孔 202 的垂直截面图。该支架包括若干层材料， 当用螺钉将这些层连接起来时， 可将 生物芯片固定在特定位置。顶盖 1 由金属 / 塑料或者其他材料制成。板 2 为玻璃板或聚合 物密封件， 可安装在顶密封层 3 上。顶密封层 3 比如由硅树脂制成。层 4 为底 ( 硅树脂 ) 密封件。层 5 构成底盖， 可由金属和 / 或塑料或其他材料构成。虚线 6 之间的角表示用于 成像的底部视野。虚线 7 表示用于成像的层 3 内的孔的位置。虚线 8 之间的角表示用于成
像的顶部视野。本发明的支架不限于该特定配置。
现在根据本发明的实施例详细描述生物微流体芯片的具体实施过程。 该生物微流 体芯片的实施例可由 D263 玻璃制成， 因为发现与已知的聚苯乙烯产品相比， D263 玻璃减少 了自发荧光。
生物芯片内孔的截面积为 2mm2-4mm2， 这与已知的 96 孔微滴定板形成对比， 因为 96 2 2 孔微滴定板的孔的截面积显著较大， 即为 33.18mm ( 表面积 (πr )r ＝ 3.25mm ； h ＝ 10mm)。 因此， 在自动化系统内使用时， 该生物芯片的实施例可减少自动 “发现 & 标记” 的时间。 3
该生物芯片的实施例中， 单个孔的容量为 8mm ＝ 8μl(2mm×2mm×2mm)， 这与已 3 3 2 知的 96 孔板形成对比， 其中 96 孔板单个孔的容量大约为 250mm -331mm (33.18mm *(7.5mm 或者 10mm))。因此， 该生物芯片的实施例可减少化合物的使用成本， 估计减少 31％ -41％ (250/8 至 331/8)。
在 该 实例 中， 生物芯 片能够 容纳 869 个 孔， 而 传统 的微 滴定 板在 相同 的区 域 内 每 板 仅 容 纳 96 个 孔。 这 是 因 为 96 孔 板 的 表 面 积 ( 总 面 积 为 7823mm2 ； 宽×深： 2 72.3mm×108.2mm) 大约为 0.012 个孔 /mm 。相比之下， 根据本发明实施例的生物芯片可容 2 纳≥ 0.11 个孔 /mm ， 其中每个孔加上与其相关微流体通道的表面积为 3mm×3mm。 本发明所描述的实施例可用于在生物微流体芯片的孔内进行实验。 实验的研究对 象， 比如胚胎， 可添加入限定孔的衬底的上开口内。可选地， 衬底的上开口可用上述盖进行 覆盖。
本发明所描述的实例可将胚胎或其他研究对象固定在孔内， 随后该研究对象经从 微流体通道中接收的一种或多种流体处理 ； 其中， 微流体通道具有通向孔壁的开口。 作为一 个实例， 流体可为研究对象提供营养物质。且研究对象不会经微流体通道移入孔内或从孔 内移出。
本发明所描述的一种或多种生物微流体芯片内的孔可被认为是供研究对象生长 的容纳室 (holding chamber)， 也可被认为与长期培养实验 / 系统相关。其中， “长期” 可为 几天， 比如五天。
生物微流体芯片被认为与微流体蠕虫分选器属于不同的技术领域 ； 其中， 微流体 蠕虫分选器是通过吸力将蠕虫捕捉在密封室内。 与本发明所描述的具有孔的生物微流体芯 片相比， 这种微流体分选器可能需要不同的技术要求。