微流控芯片系統由于分析速度快、試劑消耗少、便于集成和高通量分析等優點而被廣泛應用于生化分析等各領域.過去20年中，伴隨材料科學的發展以及利用微加工技術操縱小尺度微流體的實現，微流控芯片技術取得了巨大的進步，目前，基于細胞、組織培養的微流控芯片系統已應用到高通量篩選、藥物開發及毒性測試等領域，未來還可將其應用到再生醫學等相關技術中.

水凝膠是一種三維親水性網絡狀聚合物，因其具有高含水量及靈活多變的柔性結構，并易于模擬活體組織而被廣泛應用于生物醫學工程領域.聚乙二醇PEG)基水凝膠材料的生物相容性好、免疫原性低且可操控性強，可通過物理或化學交聯的方法得到不同結構和功能的水凝膠，其中PEG丙烯酸酯類衍生物因具有較好的光聚合性能而成為最常用的PEG基水凝膠前體"”.在光引發劑和紫外光作用下，聚乙二醇雙丙烯酸酯能在室溫下迅速聚合成PEGDA水凝膠，反應時間短、成型快且耗能低·此外，紫外光聚合反應可實現空間與時間上的可控，形成結構多樣的水凝膠，不僅可以作為藥物載體或組織修復與再生的細胞支架材料，還可作為構建微流控芯片細胞培養平臺的基質材料.我們利用PEGDA水凝膠材料的上述優點，將其用于構建細胞培養及檢測的微流控芯片，通過紫外光聚合反應直接加工具有不同微結構的適于細胞培養及檢測的雙層水凝膠微流控芯片，建立了一種快速、高效且低成本的水凝膠微流控芯片加工方法.結合自主研發的卟啉可視陣列傳感器系統，實現了芯片細胞培養平臺上的細胞代謝指紋快速可視化傳感檢測.

芯片上的細胞培養
將制作好的芯片置于75%(體積分數)的乙醇中浸泡1h，再用紫外燈照射1h進行滅菌外理.將消毒后的芯片在無菌PBS緩沖溶液中漂洗，再轉入細胞培養液中浸泡.將芯片置于37℃、5%CO?(體積分數)的培養箱中孵育24h，再接種細胞懸液.用微量移液器將細胞懸液從芯片入口處緩慢接種至芯片中，細胞接種密度為2x10°cells/mL.靜置片刻后，再從入口處緩慢灌注培養液，使未被微井捕獲的細胞從出口處移出·將芯片置于培養皿內，放入培養箱中培養4h后更換新鮮培養基，此后以灌流的方式為芯片上所培養的細胞換液，并收集出口處的代謝液.
腫瘤細胞代謝指紋可視化傳感檢測
通過標準化的培養過程，在芯片上分別培養HepG2人肝癌細胞、MDA-MB-231人乳腺癌細胞和MCF-7人乳腺癌細胞并收集其代謝液.采用我們自主研發的卟啉可視陣列傳感器系統對腫瘤細胞代謝液進行檢測.該傳感器系統以卟啉及其衍生物和特異性染料作為傳感單元，傳感單元具有交叉敏感響應，每個傳感單元對不同代謝組分具有不同的響應能力，通過模式識別的方法對代謝物進行識別，實現對細胞的整體代謝特征響應并得到特征代謝指紋圖譜，從而實現對代謝物的區分檢測，其檢測過程如圖2所示，通過采集傳感陣列與細胞代謝液反應前后的可見光區陣列光譜圖，系統軟件自動提取并保存陣列上每個點的紅R，綠G)和藍B)數值，經標準化處理后得到反應前后的陣列響應紅綠藍RGB差譜圖，通過軟件分析可實現對目標物的識別.
芯片上的細胞捕獲與培養
細胞在芯片內的分布通過芯片中的3x15微井陣列捕獲細胞來實現.細胞進入培養腔后，隨著微流體的流動通過重力作用而被微井結構捕獲，并固定在微井結構中，未被捕獲的細胞則隨著流體從出口處移出，這樣的微井陣列結構可有效控制細胞的分布，以便觀察和分析.當一個微井結構布滿細胞后，細胞將流向下一個微井，使細胞均勻分布在每個微井結構中，與常規培養方式相比可有效提高細胞分析的準確性和可信度.圖4為細胞進樣前后顯微鏡下的微井結構圖，圖4A)顯示微井結構邊緣光滑整齊、分辨率高;圖4B)顯示細胞進樣后被微井結構所捕獲，均勻分布在各個微井結構中.重復性及平行性實驗表明，該微井結構對細胞具有很好的捕獲能力，并且水凝膠材料可以很好地模擬組織細胞生長的微環境，細胞在微井中生長狀況良好，細胞活性強.

腫瘤細胞代謝指紋檢測
收集HepG2人肝癌細胞、MDA-MB-231人乳腺癌細胞和MCF-7人乳腺癌細胞3種腫瘤細胞代謝液，用卟啉可視陣列傳感器系統對其進行檢測，所得可視指紋圖譜如圖5所示.由圖5可見，傳感陣列對腫瘤細胞代謝物具有顯著的響應，且對不同腫瘤細胞的響應結果不同，說明每種腫瘤細胞均具有各自特異的代謝指紋圖譜，用目視的方法即可區分.對3種腫瘤細胞代謝液檢測的RGB差譜數據進行聚類分析HCA及主成分分析PCA，結果如圖6所示.由HCA分析圖可見，聚類效果明顯，每種腫瘤細胞的5組平行樣各自匯聚在一起，能較好地識別和區分3種腫瘤細胞;并且同種腫瘤細胞的5組平行樣間聚類較近，說明實驗具有相對穩定的重復性。而通過主成分分析圖，在由前三維主成分為軸的立體空間內，同種細胞很好地團簇在一起.卟啉可視陣列傳感器系統能夠有效識別不同種類腫瘤細胞的整體代謝特征，以水凝膠微流控芯片為細胞培養、檢測平臺并結合卟啉可視陣列傳感器系統可實現對細胞代謝情況的快速檢測與區分.利用 PEG基水凝膠材料的紫外光聚合性能，通過掩模選擇性地聚合水凝膠材料，設計并制作了用于細胞培養及檢測的雙層水凝膠微流控芯片·顯微觀察及生物學代謝檢測實驗結果表明，該芯片的微井結構對細胞具有高效的捕獲與培養能力，且能夠有效控制細胞在芯片內的空間分布.PEG基水凝膠微流控芯片的制作工序簡單，加工成本低，且易于對水凝膠材料進行各種修飾以模擬組織細胞生長的微環境，非常適用于細胞生物學研究.將其與卟啉可視陣列傳感器系統結合使用，可實現芯片細胞培養平臺上的細胞代謝指紋快速可視化傳感檢測.
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審核編輯 黃宇