摘要
新药开发与筛选历来是一项规模大、历时长的工程，往往受低效率、高成本、高难度，样品消耗大等因素制约，导致新药发展速度缓慢，尤其是在抗癌药物的筛选上。随着微流控技术的迅速发展和应用，微流控芯片以其微型化、快速化、可集成化、高通量化以及良好的生物亲和性等特点，在抗癌药物筛选领域应用上越来越得到重视。 本文针对抗癌药物的高通量药物筛选需求，依托微纳流动与传输理论，并基于微纳加工技术，设计并制造一种适用于高通量抗癌药物筛选的集成化微流控芯片。本设计芯片主要包括药物生成区及单细胞捕获区两大功能区，可实现单细胞的高效捕获与定位，抗癌药物的单一药物筛选与药物联用筛选，达到快速、高通量的要求，提高药物的筛选效率。 综合考虑芯片所要达到的功能需求及微尺度下流体的独特性质，整体芯片设计为双层结构，从左至右依次排布药物生成区与单细胞捕获区。在整体芯片的结构设计与几何尺寸的确定上，结合流体力学中哈根-泊肃叶定律，并采用计算流体力学(CFD)的方法对芯片的核心结构尺寸(微阱定位半径R、微阱内部间隙b、微阱间间距m、核心混合区的深宽比h/w)进行数值模拟，获取适用于本研究芯片的最佳几何参数;同时，在所确定几何参数的芯片模型上，进行入口速度的模拟仿真，为实验研究提供参考。根据模拟仿真情况，分别进行芯片上的功能测试与药物实验，探究不同入口速度、不同细胞初始浓度对细胞捕获效果及达到稳定状态所需时间等影响，确定其最佳入口速度及细胞初始浓度;在良好的细胞定位基础上，进行芯片上的药物筛选研究，分别探究单一药物与药物联用的作用下，对芯片内细胞存活率的影响，为后续芯片的集成化设计及功能应用提供研究基础。 研究结果表明，当微阱定位半径R=6μm，微阱内部间隙b=5μm，微阱间间距m=25μm，核心混合区的深宽比h/w=1/4，最佳入口驱动速度V=100μm/s时，芯片可达到良好的捕获效果。在实验研究中，采用不同的入口驱动速度(0.2μl/s-0.8μl/s)及细胞初始浓度Ccell（1×105个/ml-1.5×106个/ml）进行芯片上的功能测试，确定最优的实验条件为:V=0.6μl/s-0.8μl/s，Ccell为1×106个/ml;在良好的细胞实验基础上，进行单一药物筛选与组合药物筛选，在单一药物筛选中，确定了适用于本芯片的最佳药物使用浓度:顺铂、洛铂、盐酸吉西他滨50μg/ml，紫杉醇20μg/ml，紫杉醇的药物作用效果最强;在组合药物筛选中，四种均表现为协同作用。 综上所述，本文所设计的药筛芯片，可以应用于抗癌药物的筛选功能。通过建立微流控实验平台，将抗癌药物筛选过程在微流控芯片内实现，为新药开发及后续药理作用的研究提供了有力支撑。
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