一种用于对软骨细胞施加动态压缩刺激的微流控平台

这种气动激活的微流控压缩装置可用于研究生长板软骨细胞在三维水凝胶培养中的力学生物学特性。该微流控装置具有成本低、耗时短的优点，能够同时在少量样品上施加多种强度的压缩力，并且可结合多种显微成像技术进行观察。我们的方法也可应用于其他细胞类型的力学生物学研究。

为了制备微通道层，首先将PDMS预聚体与固化剂按10:1的质量比混合，并搅拌5分钟。接着将模具置于泡沫垫上，将混合物倒入主模具中。在真空腔中对PDMS脱气30分钟，然后将脱气后的PDMS夹在一张透明薄膜之间。

将夹层结构（包括玻璃板、泡沫垫和有机玻璃板）用夹具固定。在80摄氏度下固化PDMS六小时，然后从夹层结构中分离出PDMS层和透明薄膜。使用等离子清洗仪对PDMS表面和一块洁净的玻璃板表面活化处理一分钟，随后将PDMS键合到玻璃板上，并在80摄氏度的烘箱中加热30分钟。

然后移除透明薄膜。为了制备薄PDMS膜，将未固化的PDMS在透明薄膜上以1,000转/分钟的转速旋涂1分钟，得到厚度为60微米的PDMS层。将旋涂后的PDMS在80摄氏度下部分固化20至30分钟，然后使用等离子清洗仪对玻璃板上的微通道PDMS层和薄PDMS层进行活化处理，处理时间为1分钟。

然后将薄的PDMS膜层键合到微通道PDMS层上，并将各层置于80摄氏度的烘箱中过夜。对于导管块的制备，将金属管垂直放置在培养皿中，缓慢倒入未固化的PDMS，直至约3/4的管子被浸没。在真空腔室中对PDMS脱气30分钟后，于60摄氏度的烘箱中固化超过六小时。

固化过程结束后，切下一小块含有一个管道的PDMS块，并在薄PDMS层上打一个用于进样口的孔。使用等离子清洗仪对PDMS块和薄PDMS层进行活化。一分钟后，将PDMS块与薄PDMS层的进样孔对准并粘合，然后将整个驱动单元置于80摄氏度的烘箱中过夜。

制备琼脂糖凝胶模具时，将5%琼脂糖和200毫摩尔氯化钙加入去离子水中混合，并加热琼脂糖凝胶溶液至沸腾。将煮沸的琼脂糖凝胶溶液倒入铝制模具中，并用玻璃板夹紧模具。五分钟后，从铝制模具中取出已凝固的琼脂糖凝胶。

将150微升海藻酸盐-软骨细胞溶液滴加到氨基硅烷化玻璃板上，并用琼脂糖凝胶模具覆盖溶液，孵育3分钟。孵育结束后，使用剃刀刀片去除多余的海藻酸盐凝胶溶液，并从玻璃板上取下琼脂糖凝胶模具。随后将海藻酸盐-软骨细胞构建物放入交联溶液中，该溶液含有50毫摩尔氯化钙和140毫摩尔氯化钠，溶剂为去离子水，作用时间为1分钟。

组装装置时，将四个厚度为1毫米的PDMS垫片放置在驱动单元薄PDMS层的四个角上。用700微升软骨细胞培养基覆盖薄PDMS层的气室。在体视显微镜下，将海藻酸盐-软骨细胞构建物置于薄PDMS层上，注意将构建物与气室对齐，并使用3D打印夹具将装置夹紧。

启动装置时，使用一段硅胶管将气泵的出口与电磁阀的入口相连。再用另一段管路将电磁阀的出口与已组装好的装置的入口连接。将电磁阀连接至函数发生器，并使用函数发生器输出的1赫兹方波信号来控制电磁阀的开关。

然后打开气泵，以气动方式驱动装置。微流控软骨细胞压缩装置包含一个5×5排列的圆柱形海藻酸-软骨细胞构建体阵列，这些构建体可受到五种不同幅度的压缩。在此示例中，凝胶柱的高度被最大的PDMS气囊压缩了33.8%，凝胶构建体所产生的压缩应变随着PDMS气囊直径每增加0.2毫米而约增加5%。

通过在凝胶构建体中心附近一个613 × 613 × 40至55微米的体积内对软骨细胞成像，确定了软骨细胞的压缩形变。此处显示的是一个被最大PDMS气球压缩了16%的软骨细胞图像。在此图中，可观察到所测细胞压缩应变值的分布情况。

在此分析中，较大的聚二甲基硅氧烷（PDMS）气球对细胞的整体压缩程度更高。综上所述，这些数据表明，在14千帕的恒定压力下，海藻酸盐凝胶的量以及软骨细胞的压缩程度由PDMS气球的直径所控制。为确保装置性能的可重复性，制备厚度和弹性均一的薄PDMS膜至关重要。

采用此方法后，可进行多种生物学检测，例如免疫荧光和原位杂交。利用该技术，可解答有关生长板或关节软骨细胞中机械转导的诸多问题。