新型微試樣黏度檢測裝置及其在細胞生物學(xué)中的應(yīng)用.pdf

1、流體黏性的檢測在生物醫(yī)學(xué)，化學(xué)，材料等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。例如，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，基礎(chǔ)及臨床研究顯示體液黏性與許多疾病密切相關(guān)：心腦血管病患者與正常人相比，血液表觀黏度有顯著的變化；退行性關(guān)節(jié)病，風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎病引起關(guān)節(jié)滑膜液的黏性改變等。目前許多研究涉及到各種類型的生物體液，例如小型動物體液獲取困難，代價很高，降低黏性檢測中的樣品消耗尤為重要。
　　另一方面，黏度也可能影響到腫瘤細胞的黏附行為。黏度是微粒分散體系中粒子的沉降速率的決定因素之一

2、，對于多相流體，當(dāng)微粒的密度大于分散介質(zhì)的密度，就會發(fā)生沉降，根據(jù)Stokes定律，黏度越大，沉降速度越小，懸浮液中的粒子越穩(wěn)定，越不易發(fā)生沉降。而腫瘤細胞在血管壁的黏附可以簡化成一個粒子在血液中沉降—與管壁接觸—黏附的過程，在這一過程中，黏度可能影響到血流中接觸到管壁的腫瘤細胞數(shù)，因此，黏度對腫瘤細胞黏附行為的影響是值得考察的。
　　此外，由于微流控裝置具備微型化、集成化的優(yōu)勢，近年來被廣泛應(yīng)用在生物技術(shù)，化學(xué)化工等領(lǐng)域。如何在

3、微小的芯片內(nèi)精確地掌控流體的運動形態(tài)是微流控技術(shù)的最為基礎(chǔ)而重要的一環(huán)。而黏度，作為一項基本的流變學(xué)參數(shù)，對分析流體的運動行為是極為關(guān)鍵的。因此，為了滿足微流控實驗微量化的樣品需求，高效的測量實驗所涉及的流體黏度便成為現(xiàn)代黏性測量技術(shù)的主要課題之一。
　　然而，現(xiàn)有微試樣黏度計的研究面臨著一些瓶頸：
　?。?）由于尺度的縮小，末端效應(yīng)、表面張力等在宏觀尺度下可忽略的效應(yīng)陡然增大，并導(dǎo)致了顯著的誤差。這使得現(xiàn)有微試樣黏度計的測

4、量準確度普通較低，尤其是在低剪切率的條件下測量低黏度的樣品時這一問題尤為突出（誤差：5％~24%）。
　?。?）盡管現(xiàn)有的微試樣黏度計芯片本身樣品容積量很小，但為了驅(qū)動流體進行檢測，需要連接容積量很大的泵和導(dǎo)管，因此總的樣品消耗量仍然居高不下。
　?。?）同樣由于尺度的縮小，通道的表面粗糙度過大會給流動造成明顯的擾動導(dǎo)致宏觀流體力學(xué)的失效。因此，微試樣黏度計的制作需要嚴格控制通道的表面粗糙度，要求更為嚴格的制作工藝，這使得系

5、統(tǒng)搭建及制作成本很高。
　?。?）由于芯片體積小樣品少，熱容量小，對環(huán)境溫度變化特別敏感，這對測量環(huán)境的溫度控制提出了更嚴格的要求。而現(xiàn)有的微試樣黏度計未能很好地解決這一問題。基于上述原因，現(xiàn)有的微試樣黏度計一直未能得到商業(yè)化的運用。因此，提供更加精確、穩(wěn)定、微試樣的黏性測量方法，為科研工作者提供可靠的流體黏度數(shù)據(jù)，是論文所需完成的主要目標。
　　本文提出了一種高效、精確、微試樣低成本的微流控黏性檢測芯片（后簡稱為芯片黏度計

6、），可以用于生物類流體的黏度測量。在對末端效應(yīng)、表面張力、動能修正項等引入的誤差進行評估后，研究者對芯片的構(gòu)型及尺寸進行了優(yōu)化：通道的兩端加入了一對匹配的光滑圓管，幾乎完全避免了表面張力的影響。芯片的尺寸通過誤差分析決定，優(yōu)化后的芯片誤差被嚴格控制在0.5%以下，且每次測量消耗量僅為200μl。本文采用自制的配套模具，結(jié)合抽絲法，能夠輕易地在芯片內(nèi)部形成表面光滑的圓管，適應(yīng)了通道表面粗糙度需要嚴格控制的加工需求。為了保證測量環(huán)境的溫度恒

7、定，本文為芯片黏度計設(shè)計了一套專門的測量平臺。測試時，芯片置于特制的恒溫水浴槽中，樣本流體加載于芯片的上游儲液池中，被外部壓力控制裝置驅(qū)動，樣品通過主通道后流入到下游儲液池中。測試流體在黏度測量芯片內(nèi)的流動狀態(tài)通過CCD對儲液池的液面流動情況進行記錄，并利用一段圖像處理程序?qū)σ曨l進行處理。通過程序自動提取運動軌跡信息、自動輸出黏度值，不但使操作更簡單，又減少了人為因素引入的誤差，使測量結(jié)果具有良好的復(fù)現(xiàn)性。
　　相較于其他微試樣黏

8、度計，本文研制的芯片黏度計結(jié)果更加準確：通過將本文所研制的芯片黏度計與美國國家標準局（NIST）公布的參考值，傳統(tǒng)毛細管黏度計，傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)黏度計進行橫向比對，可以看出芯片黏度計的測量結(jié)果與標準值、傳統(tǒng)烏氏黏度計測量值三者吻合良好，相對誤差小于2%。本文還根據(jù)國際標準化組織以及國際電工委員會（ISO/IEC）發(fā)布的《測量不確定度評估指南》對芯片黏度計進行完整的不確定度評估，計算其擴展相對不確定度 U95=2.2%，較主流的微試樣黏度芯片準確

9、度提高了2倍以上。
　　在芯片黏度計制作完成后，本論文為了考察黏度與腫瘤細胞黏附行為的關(guān)系，本文還設(shè)計構(gòu)建了一個理想化的HepG2細胞黏附模型，用于模擬腫瘤細胞在人體血管環(huán)境里的黏附行為。在此模型中，本文綜合考慮了黏度、流場等力學(xué)因子對腫瘤細胞黏附行為產(chǎn)生的影響。首先，本文通過有限元分析預(yù)測了芯片模型中的流場、紊流分布強度等信息，在此基礎(chǔ)上，我們通過三組對比實驗考察了黏度、細胞密度以及它們與流場之間的相互作用對芯片底面 HepG2

10、細胞黏附數(shù)量產(chǎn)生的影響。
　　研究結(jié)果表明，當(dāng)血管分岔角增大時，紊流強度也增大。流場中紊流的增加能有效的提高芯片底面黏附的HepG2細胞數(shù)量，但黏附細胞的總數(shù)受芯片底部管壁容納極限的影響，因此紊流強度達到一定程度后，黏附細胞數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定不再繼續(xù)增大。增加細胞密度相當(dāng)于增加細胞與底面接觸的幾率，也能起到增加底面黏附細胞數(shù)的效果，其作用效果在低紊流環(huán)境下格外顯著。而流體黏度對底面黏附細胞數(shù)的影響較為復(fù)雜，對于不同紊流環(huán)境其效果相差較

11、大，一方面黏度增大了流動阻力，降低了HepG2細胞的移動速度，增加了HepG2細胞在底面黏附的可能性；另一方面，黏度的增加降低了HepG2的沉降速度，更多的HepG2懸浮在溶液中，不與管壁接觸。因此，在黏附能力較弱的低紊流環(huán)境下，這兩個因素互相抵消，黏附細胞數(shù)保持穩(wěn)定。而在黏附能力較強的高紊流環(huán)境里，后者的影響占主要，因此黏度增加，芯片底部的黏附細胞數(shù)大幅度降低。實驗結(jié)果與我們的預(yù)期吻合較好。
　　本文所研制的芯片黏度計還具有樣品

12、消耗量小，制造簡單，成本低廉，操作方便且易于維護的優(yōu)勢。它基于抽絲法構(gòu)建，與傳統(tǒng)的軟蝕刻技術(shù)相比，不需要依賴各種昂貴設(shè)備和器材。僅利用微絲和自制的配套模具，將毛細管，儲液池，壓力接口全部整合于一塊芯片中，一方面大幅度的降低了制造成本，另一方面又避免了各部件的連接和密封不良可能導(dǎo)致的漏液，減少了連接部位產(chǎn)生的壓降損失從而降低了誤差。由于價格低廉，它可以作為一次性用品以避免芯片之間的樣品污染，也可以多次清洗重復(fù)使用進一步降低成本。本黏性測量