基于微流控芯片的纳米颗粒与细胞相互作用模拟

摘      要

纳米颗粒是新兴的药物载体和体内成像探针。纳米颗粒在与血管壁细胞相互作用并穿透管壁后才能达到靶点，因此研究其在微血管系统中的运输及与血管壁内皮细胞的相互作用，对实现高效的靶向运输具有重要意义。微流控芯片自20世纪90年代被提出以来，广泛应用于流体力学、组织工程等领域。在微流道表面修饰内皮细胞层后，微流控芯片成为研究纳米颗粒在微血管系统中运输的良好平台。在本项目中，我们分析人和仓鼠微血管网络造影图，提取了微血管网络的主要几何要素：分支分叉、管径变化、弯曲和转角，设计并制作了基于以上结构的PDMS（聚二甲基硅氧烷）微流控芯片，在微流道中植入单层人脐静脉内皮细胞，实现了在微流控芯片上对微血管系统基本结构的体外模拟。基于以上装置，我们采用100nm的绿色荧光聚苯乙烯颗粒对纳米颗粒与内皮细胞在微血管中的相互作用进行了研究。实验发现，在较低流速（10μL/h）和较高流速（20μL/h）下，细胞与纳米颗粒相互作用后的荧光强度，均高于静止状态下两者相互作用同等时间后的荧光强度，且较低流速下的荧光强度最强。在管径突缩狭窄处，流速剧增使管壁剪切率剧增，细胞无法耐受，故在血管狭窄处易发生贴壁细胞的损伤和流失。而在微流道分叉处，纳米颗粒因其自由扩散系数较低，其运输行为按照流体的流动分布。在管径不等的分叉中，纳米颗粒随液流主体进入阻力较小的较宽分叉流道；在管径相等的分叉中，纳米颗粒均匀进入两分叉流道。本项目提供了研究纳米颗粒体内运输情况的新方法，该结果对纳米药物的开发设计及其体内运输的机理研究有重要意义。

关键词： 纳米颗粒， 微流控技术，细胞与颗粒的相互作用

目    录

1. 绪论 1

1.1研究意义 1

1.2研究现状分析 3

1.2.1纳米颗粒在微血管系统中运输情况的研究 3

1.2.2微流控芯片技术的发展现状 4

1.2.3微流控芯片上细胞网络的建立 9

1.2.4在微流控芯片上研究颗粒运输情况的现状 10

1.3项目研究内容 13

2.实验材料和方法 14

2.1微流控芯片模版的制备 14

2.1.1仪器及试剂用品 14

2.1.2 AutoCAD微流道制图 14

2.1.3光刻制作微流道模版 15

2.2 软模版刻蚀法制作PDMS微流道芯片 16

2.2.1仪器及试剂用品 16

2.2.2 微流道芯片的制作步骤 17

2.3微流道芯片底面内皮细胞网络的建立 18

2.3.1 仪器及试剂用品 18

2.3.1人脐静脉内皮细胞的培养 19

2.3.2 微流道底面内皮细胞层的种植 20

2.4荧光纳米颗粒溶液的制备 20

2.5微流道内纳米颗粒与细胞相互作用 21

2.5.1仪器及试剂用品 21

2.5.2向微流道内通入纳米颗粒的具体操作 21

2.6细胞荧光强度的分析与统计 22

2.7采用COMSOL对微流道内底面流体速度分布进行数值模拟 22

3. 实验结果分析与讨论 23

3.1 微流道底面内皮细胞网络的建立 23

3.2 流速对细胞吞噬纳米颗粒的影响 25

3.3 管径突变处流体对内皮细胞的影响 29

3.4 管道分叉处纳米颗粒与细胞相互作用分析 31

4结论与展望 38

致谢 40

参考文献 41