專利名稱：利用氣體發生的微型泵和細胞培養裝置及其生產方法
技術領域：
本發明涉及包括LOC的微結構微型泵和細胞培養裝置；更具體而言，涉及利用氣體發生的微型泵和細胞培養裝置及其生產方法，它通過一系列過程產生少量氣體，其中包括用于后續化學反應或其它方法的MEMS(微型電-機械系統)過程。
背景技術：
LOC(Lab-on-a-chip)是一種新式小型分析儀器，用于進行快速有效的自動分析，它采用顯微機械加工技術如影印石版法和蝕刻法，將一系列樣品分析儀器如制樣、反應、分離以及檢測儀器組合在厘米級大小的玻璃片、塑膠片或硅片上。μ-TAS(微全分析系統)就是LOC的典型應用。
由于LOC分離分析法只需極小量的樣品，因此它在難于獲得大量樣品的醫學診斷領域和生物學應用方面更具有優勢。雖然普遍用于活體外物質的分析如氨基酸和縮氨酸的分離、DNA排序和免疫測試方面，但其應用范圍正在擴大。在其它領域，值得注意的是在以下領域的應用要求實時野外分析的環境污染分析；需要便攜式微型實驗室以確定現場數據的新型生育生成診斷和測量方法；以及要求對許多樣品作快速分析的新藥研究。
但是，操作LOC時需要外部動力將物質輸送到小片中。到目前為止，輸送物質的方法包括采用電滲透和電泳原理的動電方法，或者采用泵如微型電動機泵。前述傳統的輸送方法必需連續的外部動力。這樣，缺點就是必須增大整個小片的大小或者必需額外的設備。因此，為使LOC商品化和野外應用，需要開發小型的動力設備和泵或其替代品。
進一步，為改進LOC技術，即將單元片改進為小型便攜式細胞培養裝置，必需控制溫度和pH值。溫度的控制可通過細加熱金屬絲來實現。另一方面，細胞培養介質pH的控制可通過供給二氧化碳來實現。因此，必需連續供給二氧化碳，這就產生下述缺點，即傳統的大細胞培養裝置不可避免地必定配備重達幾十千克的壓縮二氧化碳罐。
發明概述因此，本發明的目的是提供一種微型泵，它包括具有H2O2溶液池的硅基底；結合在SiO2/Si3N4膜上的PDMS，其中PDMS具有MnO2池和通過導管、注樣口和細通道與該池相連的樣品池。
本發明的另一目的是提供能供給二氧化碳的細胞培養裝置，它包括緊固池的玻璃基底；池底形成的加熱金屬絲；具有通過將PDMS結合到底表面上形成池的PDMS，以及通過導管與池連接的氣體供給管線；裝在PDMS上的可滲透PDMS薄膜，以及PDMS覆蓋物，其結合在PDMS膜上，還有細胞培養介質流通的通道和用于池刻記的培養表面。
附圖簡述
圖1為本發明第一個優選的具體實施方式
中利用氣體發生的微型泵的橫截面透視圖；圖2為根據本發明第一個優選具體實施方式
的圖1中沿A-A’線的橫截面圖；圖3A-3F說明本發明第一個優選具體實施方式
中利用氣體發生的微型泵的產生過程；圖4為本發明第二個優選具體實施方式
中利用氣體發生的微型泵的橫截面透視圖5為根據本發明第二個優選具體實施方式
的圖4中沿B-B’線的橫截面圖；圖6A-6E說明本發明第二個優選具體實施方式
中利用氣體發生的微型泵的產生過程；圖7為本發明第三個優選具體實施方式
中利用氣體發生的微型泵的橫截面透視圖；圖8為根據本發明第三個優選具體實施方式
的圖7中沿C-C’線的橫截面圖；圖9為本發明第四個優選具體實施方式
中利用氣體發生的微型泵的橫截面透視圖；圖10為根據本發明第四個優選具體實施方式
的圖9中沿D-D’線的橫截面圖；圖11為本發明第五個優選具體實施方式
中利用氣體發生的細胞培養裝置的上部橫截面透視圖；圖12為本發明第五個優選具體實施方式
中利用氣體發生的細胞培養裝置的下部橫截面透視圖；圖13為根據本發明第五個優選具體實施方式
的圖11中沿E-E’線橫截面圖；圖14為本發明第五個優選的具體實施方式
中，利用氣體發生的細胞培養裝置的氣體供給管示意圖；以及圖15為本發明第五個優選具體實施方式
中利用氣體發生的細胞培養裝置的介質管線示意圖。
優選的
具體實施例方式
詳述現在參看附圖，說明本發明的優選具體實施方式
。
第一個優選的具體實施方式
圖1和2分別為本發明中利用氧氣發生的微型泵的橫截面透視圖以及沿其A-A’的橫截面圖，其中用SiO2/Si3N4膜將H2O2溶液與MnO2隔開。
如圖1和2所示，根據本發明第一個優選具體實施方式
，利用氣體發生的微型泵的硅基底1上有一個H2O2溶液池4，上面放有SiO2/Si3N4膜2和3。PDMS(聚二甲基硅氧烷)7覆蓋整個設備。PDMS7有一個MnO2池5、細通道6、樣品池8、導管9、注樣口10等。當輕微的物理撞擊或壓力從外傳到PDMS 7時，SiO2/Si3N4膜2和3同時破裂為碎片，上部的MnO2和下部的H2O2溶液混合。這樣產生的氧通過細通道6釋放，用于后續反應或者將前面的液體樣品推出。
如圖1所示，導管9將H2O2溶液池4和MnO2池5與樣品池8相連。注樣口10在樣品池8端部，從這里注射樣品。
圖3A-3F說明本發明第一個優選具體實施方式
中利用氣體發生的微型泵的形成過程。具體而言，圖3A-3C表示PDMS中形成結構如MnO2池5、細通道6、樣品池8、導管9以及注樣口10的過程。圖3D-3F表示硅基底上形成H2O2溶液池4以及用PDMS覆蓋圖3C中硅基底的過程。
根據圖3A-3F，該過程按照下述順序進行(a)如圖3A所示，在硅基底12上旋轉地涂布陰性光蝕刻劑SU-8并形成圖案，從而形成大約65μm厚的涂層。
(b)如圖3B所示，通過在(a)的組裝體上再涂層，形成MnO2池的位置。這通過重復(a)中使用SU-8的過程來實現。
(c)如圖3C所示，將PDMS灌注在硅基底12和圖案化SU-8層13上并硬化。
(d)如圖3D所示，在硅基底1的兩邊，相繼形成SiO2膜2和Si3N4膜3。
(e)如圖3E所示，在已經形成SiO2/Si3N4膜2和3的硅基底的底面，相繼旋轉地涂上HMDS(六甲基二硅氨烷)和陰性光蝕刻劑AZ9260。利用掩模，將要蝕刻的部分暴露在紫外光下，使其顯影。然后，用RIE法(反應性離子蝕刻)除掉Si3N4膜，用BHF(緩沖HF)溶液除去SiO2膜。用硅蝕刻溶液TMAH(氫氧化四甲基銨)蝕刻硅基底，形成H2O2溶液池4，然后再形成乙烯基薄膜或玻璃基底11。
(f)如圖3F所示，從基底和SU-8圖案上移走PDMS并將它覆蓋在(e)的基底上，從而完成利用氣體發生的微型泵。
第二個優選的具體實施方式
圖4和5分別表示本發明第二個優選具體實施方式
中利用氧氣發生的微型泵的橫截面透視圖以及沿圖4中B-B’線的橫截面圖，其中H2O2溶液與MnO2之間采用石蠟隔離。
按照本發明第二個優選具體實施方式
，與外部電流相連的加熱金屬絲使石蠟熔化，MnO2進入H2O2溶液，由此產生氧氣。產生的氧氣推動細通道中液體移動。一旦MnO2進入H2O2溶液，它就留在H2O2溶液中繼續反應，即使將電流關閉。
如圖4和5所示，按照本發明第二個優選具體實施方式
，利用氣體發生的微型泵在玻璃基底21上形成H2O2溶液池24，后者具有一行或散亂的加熱金屬絲23。在加熱金屬絲23上，石蠟與MnO2粉末25混合在一起。形成池24并包括細通道26、樣品池28、導管29和注樣口30的PDMS 27覆蓋在玻璃基底21上。
如圖4所示，導管29將池24與樣品池28相連。在H2O2溶液池24和樣品池28的端部，都有注樣口30，用于注射H2O2和樣品。細通道26位于樣品池28后面。按照第二個優選具體實施方式
，利用氣體發生的微型泵的整個大小大約是2cm×1cm(寬×長)。
圖6A-6E表示按照本發明第二個具體實施方式
，利用氧氣發生的微型泵的形成過程，其中H2O2溶液與MnO2用石蠟隔離。
按照圖6A-6E，該過程按下述順序進行(a)如圖6A所示，通過熱蒸發形成厚度為0.2μm的鋁層，在玻璃基底21上形成加熱金屬絲。加熱金屬絲形成的面積大約為2mm×2mm，線寬度為30。
(b)如圖6B所示，在相繼旋轉涂上HMDS和光蝕刻劑AZ 5214后，利用加熱金屬絲圖案掩模，進行紫外光照射。在對與加熱金屬絲不相應的鋁部分進行蝕刻后，用丙酮除去光蝕刻劑。
(c)如圖6C所示，粘結PDMS，形成H2O2溶液池和MnO2池。
(d)如圖6D所示，在石蠟熔化、與MnO2粉末混合后，通過注射大約2μl的石蠟進入池中，從而形成層25。
(e)如圖6E所示，通過將具有結構如細通道的PDMS 27覆蓋在(d)的組裝體上，并注入大約5μl 30％(w/w)的H2O2溶液，從而完成氧氣發生器的形成。
第三個優選的具體實施方式
圖7和8分別表示本發明第三個優選的具體實施方式
中，用NaHCO3產生二氧化碳的微型泵的橫截面透視圖以及沿圖7中C-C’線的橫截面圖。
按照本發明第三個優選的具體實施方式
，與外部電流連接的細金屬絲將NaHCO3加熱，分解為Na2CO3、水和二氧化碳，化學反應式如下
產生的二氧化碳推動池或細通道中液體，使其移動。
如圖7和8所示，按照本發明第三個優選的具體實施方式
，利用氣體發生的微型泵包括用金屬膜如鋁在玻璃基底31上形成的細小加熱金屬絲33，以及用PDMS形成的NaHCO3池34。池34裝滿NaHCO3后，將上面有細通道36、樣品池38、導管39和注樣口40的PDMS 37覆蓋在玻璃基底31上。
按照本發明第三個優選的具體實施方式
，用NaHCO3產生二氧化碳的微型泵的形成過程與圖6A-6E所示第二個優選實施方式中采用石蠟隔離H2O2溶液和MnO2結構、產生氧氣的微型泵相同，唯一的區別是沒有與MnO2粉末25混合的石蠟層的形成過程，而且用NaHCO3代替H2O2溶液。
第四個優選的具體實施方式
圖9為用小水滴和NaHCO3與HOC(COOH)(CH2COOH)2的混合物產生二氧化碳的微型泵的橫截面透視圖。圖10為按照本發明第四個優選的具體實施方式
，沿圖9中線D-D’的橫截面圖。
根據本發明第四個優選的具體實施方式
，雖然NaHCO3與HOC(COOH)(CH2COOH)2的混合物本身穩定，但HOC(COOH)(CH2COOH)2與NaHCO3反應產生HOC(COOH)(CH2COONa)2、水和二氧化碳，此時由于有水，HOC(COOH)(CH2COOH)2變為水溶液，化學反應式如下
產生的二氧化碳推動池或細通道中液體，使其流動。
如圖9和10所示，按照本發明第四個優選的具體實施方式
，利用氣體發生的微型泵包括在玻璃基底41上形成的細微加熱金屬絲43。細微加熱金屬絲43由金屬膜組成，用材料如鋁制成。水滴和NaHCO3與HOC(COOH)(CH2COOH)2混合物的池子用PDMS制成。將水滴包裹在加熱金屬絲43上的Parafilm膜(制造商芝加哥Pechiney PlasticPackaging，一種遇熱容易熔化的防水防濕膜)里，加入NaHCO3與HOC(COOH)(CH2COOH)2混合物，然后用上面有細通道46、樣品池48、導管49和注樣口50的PDMS 47覆蓋在玻璃基底41上。當細微加熱金屬絲43被加熱后，Parafilm膜熔化，水滴45爆裂，放出水。隨后，HOC(COOH)(CH2COOH)2a與NaHCO3的反應開始，產生二氧化碳。
按照本發明第四個優選的具體實施方式
，用水滴和NaHCO3與HOC(COOH)(CH2COOH)2的混合物產生二氧化碳的微型泵的形成過程與圖6A-6E所示第二個優選實施方式中采用石蠟隔離H2O2溶液和MnO2結構、產生氧氣的微型泵相同，唯一的區別是水滴45的形成過程代替與MnO2粉末25混合的石蠟層的形成過程，NaHCO3與HOC(COOH)(CH2COOH)2的混合物代替H2O2溶液。
第五個優選的具體實施方式
圖11-13表示本發明第五個優選具體實施方式
中能供給二氧化碳的細胞培養裝置的上部和下部橫截面透視圖，以及沿圖11中線E-E’的橫截面圖。
根據本發明第五個優選的具體實施方式
，NaHCO3熱分解產生二氧化碳，流過氣體供給管線56(細通道)，再透過氣體供給管線上的PDMS薄膜58。然后，二氧化碳進入PDMS薄膜58上的細胞培養介質，其pH值可以得到控制。
如圖11-13所示，按照本發明第五個優選的具體實施方式
，利用氣體發生的細胞培養裝置包括玻璃基底51上的細微加熱金屬絲53。細微加熱金屬絲53由金屬膜組成，用材料如鋁制成。NaHCO3池54用PDMS制成。安放好具有氣體供給管線56的PDMS 57后，注入NaHCO3。通過介質入口，將細胞培養介質和細胞注入形成的小型細胞培養裝置。
然后，通過與外部電流連接的細微加熱金屬絲分解NaHCO3，提供二氧化碳。此時，通過調節細微加熱金屬絲上的電流，可以控制二氧化碳的供給量。
按照本發明第五個優選的具體實施方式
，利用氣體發生的小型細胞培養裝置的形成過程如下述順序(a)通過熱蒸發，在玻璃基底51上形成0.2μm厚的鋁層。
(b)相繼旋轉涂上HMDS和光蝕刻劑AZ 5214以后，用加熱金屬絲圖案掩模進行紫外光曝光。蝕刻除加熱金屬絲53外的鋁部分之后，用丙酮除去光蝕刻劑。
(c)粘接PDMS以緊固NaHCO3池54。
(d)通過進行紫外光曝光和將SU-8旋轉涂在晶片上，形成具有如圖14所示形狀框架的氣體供給管線56的壓紋。
(e)在(d)中壓紋上灌注PDMS并硬化，從而形成刻有氣體供給管線56的PDMS 57。將PDMS 57覆蓋(c)中整個組裝體。
(f)維持灌注在晶片上并旋轉涂層的PDMS的溫度為70℃或更高溫度，硬化3小時以上。(通過該過程，形成厚度為300μm～500μm的PDMS膜58。)(g)將NaHCO3注入(e)中裝置后，用(f)中PDMS膜58覆蓋裝置。
(h)使用如圖15所示形狀的掩模，進行(d)及(e)中相同過程，制成PDMS覆蓋物59，其上有細胞培養介質流動導管，并刻有細胞61(介質標線)培養面。
(i)將(h)中PDMS覆蓋物59覆蓋在(g)組裝體上，形成細胞培養裝置。
如果細胞培養裝置用于附著細胞，在過程(g)之后，還要通過表面處理，誘導細胞吸附，即細胞與聚L賴氨酸溶液在室溫下接觸10多分鐘。
雖然上述優選的具體實施方式
著眼于能產生二氧化碳的細胞培養裝置，但根據本發明第五個優選的具體實施方式
，利用氣體發生的細胞培養裝置也能供給氧氣，如同供給二氧化碳一樣，此時細胞培養裝置可以用于需要加入氧氣的情況。
雖然通過優選的具體實施方式
，對本發明進行了展示和說明，但本領域普通技術人員應當知道，可以進行不偏離本發明精神和范疇的各種改變和修飾。
按照本發明，利用氣體發生的微型泵和小型細胞培養裝置所產生的氣體的純度滿足后續過程和反應的需要。這種氣體也具有足夠的壓力和數量，將液體樣品推進池子或細通道中。使用30％(w/w)濃度的H2O2溶液時，產生的氧氣體積是H2O2溶液體積的100倍以上。視使用的催化劑而定，產生氧氣所需時間可從幾分鐘到更長時間。而且，由于本發明優選具體實施方式
的實現很便宜和簡單，可以一次性使用。進一步，優選具體實施方式
較少依賴外部設備，很容易與其它各種LOC和小型設備融合使用。其優勢還在于副產物是環境友好和生物相容的水和氧氣。小型細胞培養裝置的機動性典型地受到二氧化碳供給的限制，采用本發明的二氧化碳發生器則可使小型便攜式細胞培養裝置商業化。
權利要求
1.一種利用氣體發生的微型泵，包括具有其中形成的H2O2溶液池的硅基底；在硅基底上形成的SiO2/Si3N4膜；以及結合在SiO2/Si3N4膜上的PDMS，其中PDMS包括位于SiO2/Si3N4膜另一面，與H2O2溶液池相對的MnO2池，通過導管與MnO2池相連的樣品池，與樣品池一端連接的注樣口，以及從樣品池另一端通向微型泵外部的細通道。
2.一種利用氣體發生的微型泵的制造方法，包括以下步驟通過在硅基底上形成光蝕刻劑SU-8陰層并圖樣化，制成MnO2池，通過導管與MnO2池相連的樣品池，與樣品池一端連接的注樣口以，及從樣品池另一端通向微型泵外部的細通道；在SU-8層上形成PDMS；在另外硅基底上相繼形成SiO2膜和Si3N4膜；通過蝕刻其上形成的具有SiO2膜和Si3N4膜的硅基底底面，形成H2O2溶液池；將底板固定在H2O2溶液池底部；以及從硅基底和SU-8圖樣上移走PDMS，然后將PDMS結合在其中形成有H2O2溶液池的硅基底上。
3.一種利用氣體發生的微型泵，包括構成底部表面的底板；在底板上的池子中形成的加熱金屬絲；以及結合在底板上的PDMS，其中PDMS包括池，通過導管與池相連的樣品池，與樣品池一端連接的注樣口，以及從樣品池另一端通向到微型泵外部的細通道。
4.按權利要求3所述的利用氣體發生的微型泵，進一步包括加熱金屬絲上形成的與MnO2粉末混合的石蠟層，其中池子儲存H2O2溶液。
5.按權利要求3所述的利用氣體發生的微型泵，其中池子儲存NaHCO3溶液。
6.按權利要求3所述的利用氣體發生的微型泵，進一步包括包封在加熱金屬絲上布置的Parafilm膜中的水滴，其中池子儲存NaHCO3和HOC(COOH)(CH2COOH)2的混合物。
7.一種利用氣體發生的微型泵的制造方法，包括以下步驟在底板上池子中形成加熱金屬絲；將其中形成有池子的PDMS結合在底板上；以及結合上另外的PDMS，包括通過導管與池子相連的樣品池，分別與每一個池子和樣品池的一端連接的注樣口，以及從其中形成有池子的PDMS上的樣品池另一端通向微型泵外部的細通道。
8.一種利用氣體發生的細胞培養裝置，包括構成底部表面的底板；底板上盛有NaHCO3的池子中形成的加熱金屬絲；包括通過將PDMS結合在底部表面而形成的池子的PDMS，以及通過導管與池子相連的氣體供給管線；布置在PDMS上可滲透PDMS薄膜；以及PDMS覆蓋物，其結合在PDMS薄膜上，而且在PDMS膜另一面，與氣體供給管線相對處刻有介質標線。
全文摘要
一種利用氣體發生的微型泵，包括其上形成有H
文檔編號C01B13/02GK1816492SQ200380107854
公開日2006年8月9日 申請日期2003年11月28日 優先權日2002年11月28日
發明者李承燮, 崔約翰, 孫尚郁 申請人:波斯特米克羅公司