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生命科学仪器 2021年第4期19卷 64-70页

作者：董瑞张舒杨雅敏钱志余南京航空航天大学自动化学院江苏南京210016

细胞所在气体微环境与细胞生长代谢等生理活动紧密相关,基于微流控技术在体外构建与体内相近的气体微环境,可以为研究不同气体浓度下的细胞响应提供定量可控的手段,成为当前研究热点。为解决目前在微流控通道中生成不同气体浓度的常规... 详细信息

细胞所在气体微环境与细胞生长代谢等生理活动紧密相关,基于微流控技术在体外构建与体内相近的气体微环境,可以为研究不同气体浓度下的细胞响应提供定量可控的手段,成为当前研究热点。为解决目前在微流控通道中生成不同气体浓度的常规方法需引入额外试剂、干扰因素多、潜在细胞毒性大等问题,本文基于气体扩散原理,设计气体浓度梯度发生单元,结合仿真结果,研究二氧化碳(Carbon Dioxide,CO2)气体分子在多孔介质聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsilo-xane,PDMS)中自由扩散的情况及形成稳定气体浓度梯度的条件。该气体浓度梯度单元与适用于细胞动态培养的微流控芯片整合后,不同浓度的CO2经PDMS层扩散后在微通道中能够形成稳定可控的浓度梯度。本文设计的气体浓度梯度型微流控芯片为后续研究细胞与不同气体微环境的相互作用提供了一个新型技术平台。

关键词：微流控芯片聚二甲基硅氧烷多孔介质气体扩散气体浓度梯度

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一种基于气体浓度梯度驱动的气体源定位装置

一种基于气体浓度梯度驱动的气体源定位装置

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作者：温举洪赵永礼杨志蒙银建新彭志 201620 上海市松江区龙腾路333号

本发明涉及一种基于气体浓度梯度驱动的气体源定位装置，装置包括机器人移动平台以及同时置于其上的主控制器、传感器阵列模块、传动机构模块和人机交互模块；传感器阵列模块包括平板、电路接口和气体传感器；气体传感器用于实时检测所... 详细信息

标准号: CN113358817B

本发明涉及一种基于气体浓度梯度驱动的气体源定位装置，装置包括机器人移动平台以及同时置于其上的主控制器、传感器阵列模块、传动机构模块和人机交互模块；传感器阵列模块包括平板、电路接口和气体传感器；气体传感器用于实时检测所处区域的气体浓度并发送至主控器；传感器阵列模块与传动机构模块连接；主控器同时与传感器阵列模块、传动机构模块、人机交互模块和机器人移动平台连接，以基于气体浓度梯度方向通过变角度追踪驱动装置自动锁定气体源位置，具体采用了自动搜寻算法。本发明的装置结构简单，能够实现多种类气体的同时检测，不需要配置风向、风速测试等仪器元件，能够实现三维空间内的气体检测与气体源的准确定位。

关键词：传感器阵列模块机器人移动平台气体浓度梯度人机交互模块气体传感器气体源主控器三维空间追踪驱动装置气体源定位电路接口风速测试模块连接气体检测实时检测仪器元件主控制器装置结构准确定位自动搜寻自动锁定算法发送驱动风向检测配置

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一种基于气体浓度梯度驱动的气体源定位装置

一种基于气体浓度梯度驱动的气体源定位装置

引用

作者：温举洪赵永礼杨志蒙银建新彭志 201620 上海市松江区龙腾路333号

标准号: CN113358817A

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微纳尺度管道的构建、表征及应用

微纳尺度管道的构建、表征及应用

引用

作者：徐碧漪南京大学

学位级别：博士

微纳流控是在20世纪末兴起的一种基于微纳米结构特殊性、通过对超微量溶液在微观结构中的控制而实现一系列功能操作的研究领域。在精确尺度生物仿生,药物筛选和控制释放,实时在线生命监测系统,微电子等领域都具有广泛的应用前景。由于... 详细信息

微纳流控是在20世纪末兴起的一种基于微纳米结构特殊性、通过对超微量溶液在微观结构中的控制而实现一系列功能操作的研究领域。在精确尺度生物仿生,药物筛选和控制释放,实时在线生命监测系统,微电子等领域都具有广泛的应用前景。由于制备技术的局限性,在很长一段时间里对小微米尺度(100nm～10μm)的研究一直是接近空白的,其中的一些特殊性质也没能得到充分挖掘和应用。本论文基于结构决定性质的基本思路,从芯片小微米管道的制备出发,研发了基于小微米管道的多种芯片结构,研究了小微米管道参与的气液界面的特殊性质,并将其成功应用于芯片分子富集、芯片细胞培养和物质细胞毒性筛选、芯片纳米材料制备和芯片分子检测等领域。具体的研究工作如下： 1.玻璃过度刻蚀法制备微纳流控芯片新方法提出了一种简单实用的微纳结构制备方法。它主要基于微刻蚀法制备玻璃模具。这种刻蚀方法可以将玻璃模子上微米级的结构转化为亚微米的结构,并且具有图形设计的灵活性。通过结合氟化氢刻蚀过程中玻璃的各向同性以及表面铬层的阻挡效应,最终可以形成截面为脊状的玻璃突起结构。进一步的刻蚀会降低玻璃脊的尺寸,使之形成微米到纳米的结构。芯片尺寸的缩小具有自适应的特点,进入亚微米,尺寸缩小速度大大降低,增强了我们对小尺寸制备的控制性。通过PDMS倒模玻璃的结构,可以制得高重复性、力学稳定、并且可以外力调节的PDMS管道以及锥孔。我们通过扫描电镜(SEM)和激光干涉(LI)表征了这些微纳结构,通过单管道样品富集测试了小微米管道的可用性。 2.利用小微米管道构建芯片上稳定的气液界面利用疏水性的小微米管道(smaller microchannel array SMA,高度≤10μm)阵列连通两根大微米管道实现了稳定的气液界面分离。一根大微米管道内填充溶液,另一根填充气体。在这个结构中,稳定界面是由小微米管道阵列中的毛细管力维持的。详细讨论了小微米管道介导的气液界面稳定性的基本物理原理,并通过实验验证了管道结构与稳定性的定量关系,为小微米管道稳定气液界面的应用打下了基础。 3.芯片上动态稳定溶解气体浓度梯度的构建将稳定气液界面和一个单向流体场耦合形成了稳定的动态溶解气体浓度梯度(dissolved gas concentration gradient DgCG)。通过灵活设计小微米管道的疏密、分布和粗细,我们建立了对四种界面模式的理论模拟,可以获得线性分布甚至指数分布的溶解气体浓度梯度。 4.静态液体中稳定溶解气体及气液双重梯度的构建将PDMS薄膜的慢速气体透过特性与小微米管道的快速气体透过特性相结合,制备了静态气体浓度梯度芯片。芯片采用三明治结构的基本架构。在上层为动态液体输送层,中层为静态溶液槽阵列,其下表面为气体交换网络,溶液槽与气体交换网络通过小微米管道阵列连结。底层为光滑基片。通过控制气体交换层中每一行PDMS薄膜的厚度可以有效改变溶液槽中溶解气体浓度梯度。进一步通过与上层第二维度的液体浓度梯度耦合,我们首次实现了芯片上溶解气体和液体的双重静态梯度。5.基于定量液体填充功能的芯片上细胞培养和细胞毒性梯度筛选系统提出了一种基于上述三明治结构的新颖的微流控细胞培养和药物筛选芯片平台。芯片由一组细胞静态培养单元连结动态物质输送网络构成。细胞培养单元上部连结液体物质输送网络,下部连接气体管道网络。在这种结构里可实现对每个细胞培养单元的物质定量填充。又借由物质传输网络可实现纳米颗粒或者分子的实时物质交换。由于液流方向与培养槽的连结管道互相垂直,培养槽中的细胞处于静止环境,有效地免除了环境流体剪切力对细胞生长的影响。此平台被成功应用于：(1)对细胞连续物质输送和单次物质输送模式下的培养,(2)对悬浮和贴壁细胞的二维和三维培养。培养槽内的细胞可以回收。将细胞培养单元与液体浓度梯度结构相结合可以进一步实现芯片上药物筛选功能。该系统被成功应用于纳米材料细胞毒性筛选。由于此平台对细胞培养种类、培养模式具有的较宽的适用性,因此有望发展成一种微芯片细胞培养和筛选的标准平台。 6.气液双重界面用于生物相容性空心球壳型碳酸钙纳米颗粒的制备和实时分子掺杂基于单向流体场形成稳定溶解气体浓度梯度的基本原理,我们设计了具有小微米管道桥接气、液界面基本结构的碳酸钙微纳米结构生长条件筛选平台,探讨了碳酸钙的分布和结构变化特点与二氧化碳溶解梯度场的关系。基于这个工作的结论,我们进一步设计了碳酸钙纳米空心球的连续合成芯片平台。在此平台上可以实时形成具有空心结构的碳酸钙纳米球。通过调节流速可以控制溶解气体浓度梯度的基本分布,从而控制所得碳酸钙空心球的尺寸。由于实验只需室温进行,并且一步形成材料,因此通过直接加入分子可以实时对形成的纳米球壳进行掺杂。实

关键词：微流控小微米管道芯片制备液体填充液体浓度梯度气液界面气体浓度梯度纳米球壳材料纳米药物载体细胞培养条件筛选纳米材料毒性气液双重梯度液体挥发信号放大 DNA检测纳流控浓差极化

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细胞生长微环境多因素模拟平台构建及细胞响应探究

细胞生长微环境多因素模拟平台构建及细胞响应探究

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作者：张舒南京航空航天大学

学位级别：硕士

细胞是生命活动的结构和功能基础,细胞生长微环境的相对稳定是维持细胞正常增殖、分化、代谢和功能活动的必要条件。细胞微环境中理化因素众多,复杂多变,不同细胞所处的微环境有所不同。肿瘤微环境具有酸性缺氧等特征,在肿瘤细胞增殖、... 详细信息

细胞是生命活动的结构和功能基础,细胞生长微环境的相对稳定是维持细胞正常增殖、分化、代谢和功能活动的必要条件。细胞微环境中理化因素众多,复杂多变,不同细胞所处的微环境有所不同。肿瘤微环境具有酸性缺氧等特征,在肿瘤细胞增殖、浸润、转移和耐药等过程中发挥着重要作用。研究微环境中的关键因素对细胞的影响,将有助于深入理解不同细胞的响应特性、从而寻找新的疾病治疗靶点。依赖动物实验的方法中细胞微环境条件不可控,个体差异大,难于定量。因此,建立能够定量调控细胞生长微环境中各个因素的实验装置,实现体内微环境的体外模拟,对于构建不同生理及病理模型具有重要的指导意义。目前有关细胞微环境响应研究大都集中在研究单一环境因素,如二氧化碳（Carbon Dioxide,CO2）、氧气（Oxygen,O2）、酸碱度（Potential of hydrogen,p H）、温度等对细胞造成的影响方面,研究方法通量低,实验装置费时费力。因此本文构建高通量多因素细胞微环境研究平台,不仅在体外模拟体内微环境中的各个因素,重现不同细胞的生理特征,在体外重构细胞生长多因素微环境,也将有助于得到更接近在体实验的治疗效果评价。本文主要工作如下: （1）基于多孔介质内气体扩散原理,利用具有高孔隙率和纳米级平均孔隙半径的气凝胶材料,设计气体浓度梯度发生装置;结合COMSOL Mulitphysics仿真结果,分析材料孔隙率及平均孔隙半径对气凝胶内气体扩散的影响;将气凝胶材料与细胞培养板整合,搭建气体浓度梯度细胞培养实验平台。结果表明,在气凝胶内发生气体扩散后可形成稳定的线性气体浓度梯度,最终在96孔板中形成8个稳定的CO2浓度和O2浓度。（2）利用气体浓度梯度细胞培养平台,研究人宫颈癌细胞株Hela在不同气体浓度下作用不同时间后的响应机制;将气体浓度梯度发生装置与基于铝板热扩散的温度梯度发生装置整合,研究Hela细胞在多环境因素条件作用下的响应。结果表明,高CO2,低p H,低O2微环境以时间依赖性方式影响细胞增殖;高温对Hela细胞生长的抑制效应相较于气体微环境更加明显。（3）基于细胞生长多因素微环境模拟平台,以5-氨基乙酰丙酸（5-Aminolevulinic acid,5-ALA）为光敏剂前体,利用LED背光板实现光动力治疗过程中光照强度的控制,研究不同给药浓度、不同光照强度和不同气体微环境下体外光动力治疗对Hep G2的杀伤作用。结果显示,Hep G2细胞对5-ALA的吸收会达到饱和状态;酸性低氧影响体外光动力治疗效果;光照强度影响活性氧（Reactive oxygen species,ROS）产生;气体浓度和光照强度是影响体外光动力治疗效果的主要因素,给药浓度与气体浓度、给药浓度与光照强度以及三者之间存在交互作用。综上所述,本文建立了一个细胞生长微环境多因素模拟平台,可对细胞生长微环境中的多个关键因素进行定量调控,基于此平台本文研究了不同微环境因素共同作用下的细胞综合响应,探讨了多环境因素条件对光动力治疗疗效的影响,为阐明细胞在多环境因素下的生理响应提供理论依据,为高效筛选光动力疗法的治疗参数提供新型技术手段。

关键词：肿瘤微环境气体浓度梯度光照强度梯度多因素作用光动力治疗

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一种高导电顺排碳纳米管纺丝连续生产设备及制造方法

一种高导电顺排碳纳米管纺丝连续生产设备及制造方法

引用

作者：丁建宁袁宁一 213164 江苏省常州市武进区滆湖路1号

本发明涉及一种高导电顺排碳纳米管纺丝连续生产设备及制造方法，包括依次排列的进样系统、金属催化膜制备系统、碳纳米管生长系统以及拉膜镀膜纺丝卷绕系统，金属催化膜制备系统与碳纳米管生长系统之间设有纳米结构过渡系统，碳纳米管... 详细信息

标准号: CN109295424B

本发明涉及一种高导电顺排碳纳米管纺丝连续生产设备及制造方法，包括依次排列的进样系统、金属催化膜制备系统、碳纳米管生长系统以及拉膜镀膜纺丝卷绕系统，金属催化膜制备系统与碳纳米管生长系统之间设有纳米结构过渡系统，碳纳米管生长系统与拉膜镀膜纺丝卷绕系统之间设有转移过渡系统。本发明利用机械手传送硅片，将催化剂制备、顺排碳纳米管阵列的制备以及拉膜纺丝卷绕，串联起来实现连续化生产，反应腔室采用全真空平面结构和局部加热，气流方向、气体浓度梯度和温度梯度与顺排碳纳米管阵列的生长方向一致，有利于提高阵列生长质量，扩大工艺窗口。反应生长碳管的腔室材料不用石英管，采用金属材料，加工容易，腔室的直径也很容易做大。

关键词：碳纳米管生长纺丝卷绕拉膜顺排碳纳米管阵列过渡系统金属催化膜制备镀膜连续生产设备气体浓度梯度催化剂制备机械手传送连续化生产金属材料反应腔室工艺窗口进样系统局部加热纳米结构平面结构腔室材料生长方向碳纳米管温度梯度依次排列阵列生长高导电全真空石英管硅片纺丝腔室碳管制备串联生长加工制造

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用于药物筛选的高通量气体暴露仿生肺微流控芯片装置及其应用

用于药物筛选的高通量气体暴露仿生肺微流控芯片装置及其应用

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作者：谢复炜李泽之李翔薛靖贤冯博洋华辰凤尚平平赵俊伟刘克建聂聪刘惠民 450001 河南省郑州市高新区枫杨街2号

一种用于药物筛选的高通量气体暴露仿生肺微流控芯片装置及其应用，该装置包括上层芯片、多孔薄膜、下层芯片及底层基板，上、下层芯片中分别设有呈平行分布的四条气体通道和四条液体通道，其特征是：上、下层芯片中的各气体通道与各液... 详细信息

标准号: CN116640666A

一种用于药物筛选的高通量气体暴露仿生肺微流控芯片装置及其应用，该装置包括上层芯片、多孔薄膜、下层芯片及底层基板，上、下层芯片中分别设有呈平行分布的四条气体通道和四条液体通道，其特征是：上、下层芯片中的各气体通道与各液体通道呈上下垂直对应设置，下层芯片中的四条液体通道各设有独立的液体通道入口和一个汇集在一起的液体通道出口。本发明可通过向不同通道注入含有不同种类药物的培养基对芯片气体暴露进行干预，进行体外高通量药物筛选；且可形成高通量的测试场景。该芯片可用于对不同药物成分在不同气体浓度梯度暴露时的药效筛选。

关键词：芯片液体通道下层气体暴露气体通道高通量高通量药物筛选微流控芯片装置气体浓度梯度液体通道出口测试场景底层基板多孔薄膜平行分布上下垂直药物筛选药效筛选种类药物培养基可用体外上层干预暴露应用

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一种“菇”式土壤呼吸检测装置及有效计算方法

一种“菇”式土壤呼吸检测装置及有效计算方法

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作者：胡军国姜俊杰谷恪忱 311300 浙江省杭州市临安区武肃街666号浙江农林大学数学与计算机科学学院学11-509室

本发明属于土壤呼吸监测技术领域，且公开了一种“菇”式土壤呼吸检测装置，包括“菇”形气室与数据接收处理模块；所述“菇”形气室包括圆柱通气室、菇形气帽和闭气环，所述圆柱通气室的上下开口尺寸相同，且底部可与闭气环连接，所述... 详细信息

标准号: CN116183870A

本发明属于土壤呼吸监测技术领域，且公开了一种“菇”式土壤呼吸检测装置，包括“菇”形气室与数据接收处理模块；所述“菇”形气室包括圆柱通气室、菇形气帽和闭气环，所述圆柱通气室的上下开口尺寸相同，且底部可与闭气环连接，所述圆柱通气室的顶部还安装有菇形气帽。本发明通过气室采用蘑菇形、底部带有通气孔的开放式可分离动态气室进行监测，一方面降低了土壤呼吸的抑制作用，解决了由于气室密闭导致室内气压增大和气体浓度梯度减小引起的计算结果偏低的问题，另一方面也能够避免土壤排放的气体不断被稀释和装置周围空气湍流运动而引起的复杂问题，从而提高土壤呼吸监测的精确度，并给出高效的计算方法。

关键词：气室土壤呼吸通气室闭气环菇形气帽监测数据接收处理模块气体浓度梯度复杂问题检测装置上下开口室内气压湍流运动周围空气可分离蘑菇形通气孔密闭稀释减小排放土壤

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一种浓度、气体和光照多因素的细胞培养芯片装置及方法

一种浓度、气体和光照多因素的细胞培养芯片装置及方法

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作者：胡宁李正勇余元骏胡俊杰廖彦剑杨军 400044 重庆市沙坪坝区沙正街174号

本发明公开了细胞体外培养领域的一种浓度、气体和光照多因素的细胞培养芯片装置，包括光源板，光源板上设有发光体；气体浓度梯度芯片，气体浓度梯度芯片上开设有进气口和出气口，进气口和出气口通过进气通道连通，进气通道上设有气体... 详细信息

标准号: CN118146948A

本发明公开了细胞体外培养领域的一种浓度、气体和光照多因素的细胞培养芯片装置，包括光源板，光源板上设有发光体；气体浓度梯度芯片，气体浓度梯度芯片上开设有进气口和出气口，进气口和出气口通过进气通道连通，进气通道上设有气体腔室；细胞培养芯片，细胞培养芯片设于气体浓度梯度芯片底部、光源板的上方，细胞培养芯片上设有进样口和出样口，进样口通过进样通道和出样口连通，进样通道上设有培养腔室，捕获器，捕获器设于培养腔室中；以及该芯片的制作方法，本发明的有益效果为：通过在细胞培养芯片的上方设置光源板和气体浓度梯度芯片对细胞腔室实现光因素、气体梯度浓度和浓度多因素影响下的细胞培养，为细胞体外培养研究提供了基础。

关键词：细胞培养芯片气体浓度梯度光源板芯片进气口细胞体外培养进气通道进样通道培养腔室捕获器出气口出样口进样口连通细胞培养因素影响发光体细胞腔体腔光照制作研究

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氧气浓度梯度微环境的构建方法及其应用

氧气浓度梯度微环境的构建方法及其应用

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作者：杨薇罗春雄吴蓥男 325000 浙江省温州市龙湾区永中街道金联路1号

氧气浓度梯度微环境的构建方法及其应用，其属于荧光检测仪器的技术领域。该方法利用微流控芯片中微米级的腔室通道构建氧气分压微环境，装置体积小、成本低、气体平衡用量少、浓度梯度构建时间短，能够避免空气中氧气分压的干扰，而且... 详细信息

标准号: CN114894761A

氧气浓度梯度微环境的构建方法及其应用，其属于荧光检测仪器的技术领域。该方法利用微流控芯片中微米级的腔室通道构建氧气分压微环境，装置体积小、成本低、气体平衡用量少、浓度梯度构建时间短，能够避免空气中氧气分压的干扰，而且可以同时构建两种及以上的氧气微环境，适用于多种氧气分压环境的并行调控及测试。该体系气体浓度梯度稳定，测试通道形式灵活多变，应用范围广泛。比如，可以对测试区域进行稳定的氧气分压调控；可以对溶液中氧气敏感探针的响应响应曲线进行快速检测；由于装置底部为透明玻璃片，能够配合常规荧光成像/荧光寿命成像仪器，还可以进行活细胞实验，用于定量分析活细胞在氧气浓度梯度分压环境中对氧气浓度的响应情况。

关键词：氧气分压构建微环境氧气氧气浓度梯度活细胞气体浓度梯度荧光检测仪器荧光寿命成像透明玻璃片微流控芯片定量分析测试区域测试通道常规荧光快速检测敏感探针浓度梯度气体平衡腔室通道响应曲线响应体积小微米级调控分压成像应用并行测试灵活配合

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