技术领域 本发明涉及一种用于细胞培养的装置。更具体的说，本发明涉及用 于细胞培养的微流体装置，更特别用于包括哺乳动物细胞复制和/或再生 产的哺乳动物细胞培养。在一个应用中，本发明使用来培养用于体外受 精(试管受精)的胚胎。 背景技术 微流体技术是一种用于设计，模仿，制造和大量生产微系统的技 术，其中该微系统可处理体积小至毫微或者微微升体积的流体，气体， 蒸汽或者液体。有源的和无源的微结构控制流体的流量和混合，从而以 快速，成本有效的方式产生物理的，化学的，生物化的和微生物学的反 应。微流体技术具有一些范围的应用，包括细胞的培养和高度人工的实 验室处理过程的自动化，例如在单个基片上的体外受精(IVF)。 在单个培养装置中，不同细胞或者细胞的不同群例如胚胎的培养会 产生某些困难。已经证明某些自动分泌，旁分泌和内分泌的分子的交换 会改善培养细胞的成功率，并且在不同细胞之间的流体性的连通被认为 有益于在培养环境中的细胞。然而，有益之处还存在于在培养环境中细 胞的分离以及不同于其它细胞的独特的细胞的提供。 人们已经认为物理阻挡会允许在细胞之间的流体性的连通，但是会 限制细胞的掺杂。物理阻挡提供了自动分泌，旁分泌和内分泌分子的交 换，以及不同细胞的保持的有益之处。然而，物理阻挡的提供需要利用 大的流体体积，并且在物理阻挡之间的介质交换经常会导致细胞从它们 所需位置强行去除。物理阻挡还经常导致阻碍流体输送的死体积和截留 气体气泡。而且，物理阻挡还增加在培养处理过程期间需要来交换培养 介质的时间，并且其中在不同细胞之间没有流体性的连通存在，介质的 交换会是艰苦的以及会暴露细胞到机械的，热的和化学的应力下。 本发明设法克服，或者至少最小化与现有技术相关的问题。 发明内容 在第一方面，本发明提供培养细胞使用的装置，该装置包括至少一 个细胞培养室和流体容器，该细胞培养室具有锥形侧壁并且通过流体通 路与流体容器流体连通，该流体通路经由在培养室中的孔连接到培养 室，该孔小于待培养的细胞的直径，从而使得细胞保持在细胞培养室的 内部。 在另一个方面，本发明提供一种培养细胞的方法，该方法包括在根 据本发明的第一方面的装置的至少一个细胞培养室中提供培养介质以 及孵化该装置。 附图说明 图1A示出了根据本发明装置的示意的透视图。 图1B示出了从顶部看过去的装置的平面示意图。 图1C示出了从底部看过去的装置的平面示意图。 图1D示出了通过图1B的装置的AA′的示意的横截面。 图2是通过穿过细胞培养室的剖视图。 图3A示出了该装置的横截面的侧视图。 图3B示出了该装置的横截面的侧视图。 图4A示出了细胞培养区域的示意平面图。 图4B示出了细胞培养室的示意平面图。 图4C、4D和4E示出了该装置的变化形式的示意剖面图。 图5A，5B，5C，5D，5E，5F，5G和5H示出了根据本发明 的装置的侧横截面图。 图6A-6J示出了根据本发明的装置的侧横截面图。 图7示出了细胞培养室的标记的例子。 图8A示出了底板的示意的透视图。 图8B示出了底板的示意平面图。 图8C示出了通过图8B的装置的AA′的示意的横截面。 图9A示出了细胞培养装置组件的示意的透视图。 图9B示出了细胞培养装置组件的示意的横截面。 具体实施方式 本发明的装置提供不同细胞的协同培养，例如可产生胚胎的细胞， 从而使得共同的培养介质能被使用。本装置还提供一种物理阻挡以制止 胚胎的混合。本装置还提供用于培养介质的变化逐渐实施，以便减小培 养情况中的突变引起的冲击。 在第一方面，本发明提供培养细胞使用的装置，该装置包括至少一 个细胞培养室和流体容器，该细胞培养室具有锥形侧壁并且通过流体通 路与流体容器流体连通，该流体通路经由在培养室中的孔连接到培养 室，该孔小于待培养的细胞的直径，从而使得细胞保持在细胞培养室的 内部。 不被限制的情况下，具有锥形侧壁的细胞培养室的提供允许操作者 易于访问和/或允许较好质量的光学成象。 在优选实施例中，细胞培养室的锥形侧壁相对于细胞培养室的水平 轴倾斜大约45度到大约60的角度。 在另一个优选实施例中，细胞培养室具有另一个侧壁，其相对于细 胞培养室的水平轴倾斜大约80度到大约90度的角度。 在进一步优选实施例中，该装置包括多个流体性连接的细胞培养 室。 在又一个实施例中，该装置包括多个流体容器，其中每个流体容器 彼此流体连通并且与细胞培养室流体连通。 在另一个优选实施例中，流体容器具有加载口，其具有与一个装置 匹配的壁，例如流体导入装置。更优选，该流体容器具有加载口，其具 有与一个装置匹配的锥形壁，例如流体导入装置。 在一个优选实施例中，装置1可装配到底板18上并且覆盖有盖23 (见图9A)。 底板18包括装配区19和一系列的1到7个流体容器20(见图8A， 8B)。 流体容器20可用来预先调节培养或者需要在孵化期间随后培养步 骤处理的介质的温度和PH值。 装配区19的直径可大于装置1的直径，因此在装置1的外围产生 溢出通道17，以收集从细胞培养室和/或流体容器中溢出的介质(见图 9B)。 底板18包括外边缘22，其垂直尺寸充分大以使得操作者可靠的和 坚固的握住。更优选的，外边缘22的垂直尺寸是3到8毫米(见图8C)。 盖23的直径可以等于或者小于底板18的外边缘22的直径(见图 9B)，以改善操作者对装配的装置的处理并且减少了在操作期间落下装 配装置的危险。 在装配状态下，盖23停留在底板18的盖背脊21上，留出易握住 和操纵的外边缘22。 在进一步优选的实施例中，细胞培养室基于符号代码用标签做标 记。优选的，符号代码对于装置的右手和左手操作是可读的。更优选的， 该符号代码从该装置上方或下方是可读的。 现在参见附图，图1A是根据本发明的装置的透视图。装置1包括 多个细胞培养室2和流体容器3。图1D是通过图1B的装置1的AA′的 横截面并且示出了流体连接容器3和细胞培养室2的流体通路4。 多种材料可用于制造本发明的装置。优选的，装置1是从包括环烯 烃共聚物(COC)、聚碳酸酯(PC)、聚苯乙烯(PC)、聚甲基丙烯 酸甲酯(PMMA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰亚胺(Pl)、 聚醚酰亚胺(PEI)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、丙烯腈丁二烯苯乙烯 (ABS)、醋酸纤维素(CA)、醋酸丁酸纤维素(CAB)、高密度聚乙 烯(HDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)、聚酰胺(PA)、聚对苯二甲酸 丁二醇酯(PBT)、聚醚醚酮(PEEK)、聚对苯二甲酸乙二醇酯乙二醇 (PETG)、聚甲基戊烯(PMP)、聚甲醛(POM)、聚丙烯(PP)、 聚砜(PSM)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚氯乙烯(PVC)、聚偏二氯乙 烯(PVDC)或者聚偏二氟乙烯(PVDF)或者它们的组合的组中选出的 材料进行制造。优选该选择的材料具有低的水蒸汽渗透性，低吸水率和 /或光透明度。该材料的二氧化碳渗透性通常取决于工艺规则。 该装置的一个或者所有部分可利用阻挡层涂在一个或者所有表面 上，例如聚对二甲苯(帕利灵，Parylene)，为了致使散装材料非细胞 毒素的，以降低散装材料的吸水率，降低散装材料的水蒸气吸收并且保 护散装材料免于与培养介质或者培养油的潜在有害相互作用。 根据本发明的装置可采用对本领域技术人员已知的微制造技术进 行制造，该技术包括模制技术，例如热压印，印记或者注入模制，或者 通过在模具内部聚合先驱聚合体。该装置1可以制造为单个对象或者包 括多个部分，例如包括流体通路和结构的结构化部分，隔离物和包括底 板的部分，它们结合以形成本发明的装置1。 该结构化部分可通过微铣销或者类似的机械微加工制成。在优选的实 施例中，细胞培养室2和流体容器3被铣销在一个表面上并且流体通路 4在另一个面上。 如果装置1由单独的部分组成，可采用胶粘剂，或者其它的粘合方 法，例如热扩散粘合，超声波焊接，溶剂粘合和激光焊接对这些部分连 接。 在优选的实施例中，流体通路4可采用具有厚度等于流体通路4所 需厚度的预结构化的隔离物实现。例如，流体通路4可利用热激活带或 压力激活带(例如透明胶带)实现，其定义了流体通路4以及提供在结 构化部分和基底部分之间的机械结合。 隔离物结构还可结合入或者基底部分或者结构化部分上，或者到基 底和结构化部分两者上。 本发明的装置还用于在每个细胞培养室2培养单个细胞，或者在每 个细胞培养室2培养细胞群。在优选的实施例中，单个细胞可在细胞 培养室中培养。 细胞培养室2用于限制细胞的运动并且保持细胞在细胞培养室2 中。细胞培养室还保持细胞的唯一地址，以便于通过自动分泌，旁分 泌和内分泌分子交换的细胞连通，并且便于介质交换。 在优选的实施例中，微流体表面的亲水性可通过诸如等离子体聚合 的表面处理技术进行改进，紫外线处理，皂化，聚环氧乙烷移植，表面 纹理化处理或者电湿可被应用。 优选的，细胞培养室2的体积是大约0.1μl到1.5μl。更优选的， 细胞培养室2的体积是大约0.1μl到0.3μl。更优选的，细胞培养室2 的体积是大约0.125μl。 在优选实施例中，装置1包括多个流体连接的细胞培养室2。为了 便于细胞的加载与卸载，优选多个细胞培养室2是定向为相同的方向(见 图1A，1B，1C和4A)。 图2是穿过细胞培养室2的横截面，示出了细胞培养室2的基底的 优选尺寸。孔5连接到细胞培养室2和流体通路4，并且可以为任何形 状。优选的，流体通路4的直径是40到120μm。细胞培养室2具有锥 形侧壁6，其相对于细胞培养室2的水平轴倾斜大约45度到大约60的 角度。该细胞培养室2通常还具有另一个侧壁7，其相对于细胞培养室2 的水平轴稍微倾斜成大约80度到大约90度的角度。侧壁的锥形允许容 易制造，制止气泡的形成和/或辅助光学检验。细胞培养室2的上边缘8 和下边缘9通常被倒圆，例如，以帮助流体流动和/或避免气泡。 在细胞培养室2中的孔5(图2)可通过提供重叠铣削深度(例如， 用于细胞培养室2的铣削深度和用于流体通路4的铣削深度的总和大于 结构化部分的厚度)或者通过在两个铣削结构之间钻出孔5来实现。该钻 孔可通过例如传统的机械打孔或者通过激光微观构造实现。可选择的， 该孔5在细胞培养室的形成期间通过注入模制形成(例如通过放置适当 构造的插入物进入注射模具以形成孔5)。 在优选实施例中，细胞培养室2被标记。细胞培养室2的标记可通 过字母数字代码，基于符号的代码，条形码，点代码或者通过可读的任 何其它这种方法，优选通过利用反转的或者传统的显微镜的光学检验(参 见图7)。优选的，标签对于装置的左手和右手操作是可读的，和/或用于 从上面或者下面读出。 在优选的实施例中，细胞培养室2在其基底具有大约200μm到大 约600μm的直径。更优选的，细胞培养室2在其基底具有大约300μm 到大约500μm的直径。 优选的，多个流体容器提供在装置1中，其中每个流体容器优选彼 此流体连通以及与细胞培养室2流体连通。该流体容器3可用于流体从 细胞培养室2的进入和流出两者。 流体容器3可包括在其上边缘的旋转锁定(luer lock)配件，围绕 它的上环的O形环，与优选流体导入装置(例如实验室移液管)匹配的 锥形进入口和/或围绕它的上环的临时密封装置，以帮助在流体容器3 中交换流体。 流体容器3可具有集成的芯吸装置，例如海绵。优选的，芯吸装置 可被集成，从而芯吸装置的下侧的位置定义了细胞培养室2的所需的装 填高度。 在优选的实施例中，诸如步级或者标记的流体体积指示器形成在流 体容器3的壁上以指示流体体积。 在优选的实施例中，细胞培养介质喷射入流体容器3中。从流体 容器3开始，细胞培养介质优选通过毛细流动或者通过外加电压差异经 由流体通路4流入到细胞培养室2的孔5中，并且随后填满细胞培养室 2。在细胞培养室2中的流体水平通常直接取决于喷射流体体积。流体 水平可通过诸如重力进行平衡。 未被理论限制，从上面利用培养介质填充细胞培养室2将几乎确定 地捕集细胞培养室2中的气泡，并且因此制止成功的细胞培养。从下面 填充细胞培养室2克服了捕集气泡的问题。 图3A和3B示出了装置1的横截面的侧视图并且在图3A中示出了 应用到流体容器3中的介质10。图3B示出了介质10从流体容器3流 动通过流体通路4，并且从下面填充细胞培养室2。图4B是细胞培养室 2的平面示意图并且示出了细胞培养室2通常具有至少两个侧壁，它们 倾斜成大约30度到大约90度的角度。 图4C，4D和4E是穿过细胞培养室2的横截面示图，并且示出了 用于锥形侧壁6的不同结构，该侧壁6相对于细胞培养室2的水平轴倾 斜大约45度到大约60的角度。该细胞培养室2通常还具有另一个侧 壁7，其相对于细胞培养室2的水平轴稍微倾斜成大约80度到大约90 度的角度。图4E示出了变化形式，其中细胞培养室2的上边缘8和下 边缘9通常被倒圆。细胞培养室2的通常的深度，300到2000μm还被 指示出。 在优选实施例中，在使用时，在细胞培养室2中的介质大体上由物 质覆盖，例如细胞培养油，诸如石蜡基油，诸如Cook悉尼试管受精培 养油或者硅树脂基油，以最小化蒸发。优选如果使用培养油，细胞不会 接触到培养油。 优选的，流体容器3中的介质还大体上由物质覆盖，例如细胞培养 油，诸如石蜡基油，诸如Cook悉尼试管受精培养油或者硅树脂基油， 以最小化蒸发。 在另一个方面，本发明提供一种培养细胞的方法，该方法包括在根 据本发明的第一方面的装置的至少一个细胞培养室中提供培养介质以 及孵化该装置。 图5是装置1的侧横截面示图和用于在细胞培养室2中改变介质的 优选方法的示意流程图。图5示出了细胞11的群体，例如胚胎，其位 于细胞培养室2中。在图5A中，细胞培养油12已经分层在细胞培养 室2的细胞培养介质14上，使得该培养油12大体上覆盖培养介质的表 面。代替的介质13被应用于细胞培养室2并且通过培养油12扩散(图 5B)。原来的介质14经由细胞培养室2中的孔吸出细胞培养室2并且 通过流体通路4运动到流体容器3中。原来的介质14通过例如移液管 或者使用注射器(图5C)，通过从流体容器3除去原来介质14而从细 胞培养室2中吸出。一旦原来的介质14的大部分已经移去，在细胞培 养室2中的介质的水平返回到所需的水平。 在优选的实施例中，代替的介质13通过例如，注射器或者移液管 (图5E，5F)在培养油层之下注入。原来的介质14经由细胞培养室2 中的孔吸出细胞培养室2并且通过流体通路4运动到流体容器3中。原 来的介质14通过例如移液管或者使用注射器(图5G)，从流体容器3 除去原来介质14而从细胞培养室2中吸出。一旦原来的介质14的大部 分已经移去，在细胞培养室2中的介质的水平返回到所需的水平(图 5H)。 在优选的实施例中，细胞培养介质通过移液管，芯吸或者泵吸从流 体容器3中引入和除去。 下面是相关于图6的利用本发明的装置的一种方式的一般说明，用 于在胚胎的植入接受者的生殖道之前胚胎的体外生长。 限定体积的Cook悉尼试管受精分裂介质15(Cook悉尼试管受 精分裂介质是合成的碳酸氢盐缓冲液介质，其包含抗氧化剂，非必需氨 基酸和人血清白蛋白，但是没有葡萄糖(见表1))被注射入流体容器3 中。从那里，它或者通过毛细流动或者通过施加压力从下面填充细胞 培养室。对介质体积进行选择，从而使得流体的上部水平低于细胞培养 室2的上边缘。 然后胚胎采用移液管吸入细胞培养室2中。诸如石蜡或者硅树脂 基油12的IVF培养油应用到细胞培养室2区域和流体容器3中，从而 使得它大体上覆盖在细胞培养室2和流体容器3中的介质表面。然后装 置1在需要的时间(通常48到72小时)被孵化。 限定体积的Cook悉尼试管受精胚泡介质16(Cook悉尼试管受 精胚泡介质是碳酸氢盐缓冲液介质，其包含必需的和非必需的氨基酸、 葡萄糖和人血清白蛋白以促进早期胚胎到的胚泡生长(见表2))被应 用入细胞培养小室2中。由于低的比重，IVF培养油12将上升到Cook 悉尼试管受精胚泡介质16层的顶部。然后一些量的介质从流体容器 3中取出，优选通过芯吸，移液管吸或者泵吸。 该处理过程可重复，直到所有的Cook悉尼试管受精分裂介质或 者完全地除去或者稀释到需要体积，例如细胞培养介质的总体积的5 ％。 在培养介质交换之后，油层12停留靠在细胞培养室2中的介质的 顶部。然后装置1在需要的时间(通常48到72小时)被孵化。该胚胎 可以通过，例如移液管吸，如所需的从细胞培养室2中吸出。 在另一个实施例中，限定体积的Cook悉尼试管受精分裂介质15 被注射入流体容器3中。从流体容器3开始，介质通过毛细流动或者 通过施加压力从下面填充细胞培养室。对介质体积进行选择，从而使得 流体的上部水平低于细胞培养室2的上边缘。试管受精培养油，诸如石 蜡或者硅树脂基油12应用到细胞培养室2和流体容器3中。然后装置 被用热的方法和以化学方法平衡(通常在孵卵器中)。然后胚胎被移液 管吸入低于油层的细胞培养室2中。然后，装置1在需要的时间(通常 48到72小时)适当地被孵化。 在另一个实施例中，限定体积的Cook悉尼试管受精分裂介质15 被注射入流体容器3中。从流体容器3开始，介质通过毛细流动或者 通过施加压力从下面填充细胞培养室。没有另外的试管受精培养油被使 用。然后装置被用热的方法和以化学方法平衡(通常在孵卵器中)。然 后胚胎被移液管吸入细胞培养室2中。然后，装置1在需要的时间(通 常48到72小时)适当地被孵化。 表1 表1Cook悉尼试管受精分裂介质 氯化钠 庆大霉素 L-天冬酰胺一水合物 氯化钾 乙二胺四乙酸二钠盐 L-天冬氨酸 正磷酸二氢钾 L-牛磺酸 L-谷氨酸 硫酸镁 L-谷氨酸盐 L-脯氨酸 碳酸氢钠 氨基乙酸 L-丝氨酸 丙酮酸钠 工艺用水 人血清白蛋白 半乳酸钙 L-丙胺酸 表2 表2Cook悉尼试管受精胚泡介质 氯化钠 L-牛磺酸 L-蛋氨酸 氯化钾 工艺用水 L-酪氨酸二钠二水合物 正磷酸二氢钾 氨基乙酸 L-色氨酸 硫酸镁 L-半胱氨酸二钠一水合物 L-丙胺酸 碳酸氢钠 L-精氨酸 L-缬氨酸 丙酮酸钠 L-异亮氨酸 L-天冬氨酸 半乳酸钙 L-组氨酸 L-天冬酰胺一水合物 庆大霉素 L-赖氨酸 L-谷氨酸 D-葡萄糖 L-亮氨酸 L-丝氨酸 L-谷氨酸盐 L-苯基丙氨酸 L-脯氨酸 人血清白蛋白 例子 本发明的适用性通过试图跟随如上所述的规程从2细胞阶段(包含 仅仅2个相同尺寸细胞的胚胎)到胚泡阶段(采用由细胞薄层环绕的分 裂腔的大约4天年纪的胚胎)生长老鼠胚胎进行验证。 根据说明书的装置通过微铣削用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)制造。 部件涂有聚对二甲苯C并且通过热扩散粘合结合在一起。该装置使用净 化水冲洗进行清洁，以除去任何潜在的微粒污染物。雌性老鼠被排卵过 量并且与配种雄性交配。它们在随后的几天牺牲并且2细胞胚胎从输卵 管中除去。这些胚胎被放置在装置的细胞培养室中，其已经充满了平衡 的培养介质。同时，大约20个2细胞胚胎被放置入标准的细胞培养皿 中，其已经填满了合理数量的相同的平衡培养介质。在标准细胞培养皿 中的胚胎充当对照样品，以说明在胚胎生存能力和环境条件中的变换。 然后测试和对照样品两者(分别为根据本发明的装置和标准细胞的 培养皿)用于在5-6％二氧化碳富集的大气中，在37摄氏度下孵化72 小时。在72小时之后，每个胚胎的发育阶段被记录并且对于试样和对 照样品分别计算已经达到胚泡阶段的胚胎的百分比。然后，对于试样的 百分比结果用对照样品的百分比结果来标准化。 如果已经达到胚泡发展阶段的2细胞胚胎的标准化百分比是80％或 者更高，该装置认为已经通过老鼠胚胎试验。根据本发明的该装置的原 型已经满足此标准，因此已经通过试验。 在此整个说明书中，单词″包括″或者其变换包含″和″由...构成″将理 解为意味着包括所指的元件，整体或者步骤，或者元件，整体和步骤的 组，而不是排除了其它任何的元件，整数或者步骤或者元件、整数或者 和步骤的组。 在此说明书中提到的所有出版物在此作为参考结合。已经包括在本 发明中的文件，作用，材料，装置和物品等等的所有讨论仅仅为了提供 用于本发明的背景。不认为允许的是任何或者所有这些内容形成现有技 术基础或者是在相关于本发明的领域中的公知常识，当它在本申请的每 个权利要求的优先权日之前存在于澳大利亚或者别处时。 本领域技术人员应当理解的是在具体实施例所示的对本发明所进 行的许多的变化和/或修改没有脱离如概括描述的本发明的精神或者范 围。因此，这些实施例在各方面认为是示例的而不是限制的。