CN114700124A - 一种基于蛋白质光刻胶的仿生生物芯片的加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于蛋白质光刻胶的仿生生物芯片及其加工方法，其包括：根据生物芯片的设计需求将生物芯片分解为单层或多层微流道和腔室结构图形；清洗并烘干生物芯片的基片，在清洗后的基片上旋涂蛋白质光刻胶并固化；根据每一层微流道和腔室结构设计图，利用光刻加工技术对蛋白质光刻胶薄膜进行辐照，在蛋白质光刻胶薄膜上形成所需结构；将除底层基片外的图案化蛋白质光刻胶薄膜与底层基片剥离，然后按照顺序将图案化蛋白质光刻胶薄膜与底层基片组装，并进行封装。本发明用蛋白质光刻胶制作芯片，为细胞和各种生物大分子提供了更接近于生物体的培养环境，能够更好地对生物体进行模拟。
Description
技术领域
本发明属于生物芯片技术领域，具体涉及一种基于蛋白质光刻胶的仿生生物芯片的加工方法。
背景技术
生物芯片崛起的动力是生命科学领域快速发展所产生的强烈需求，而以半导体加工方法为核心的微流控技术与细胞生物学交叉研究的成就积累，是生物芯片得以快速发展的重要保障。长久以来，生命科学和医学研究的主要目的是为了解析人类生命现象，探究人体生理活动以及疾病过程，并寻求有效治疗方案。尽管生命科学领域的快速发展已为改善人类健康发挥了极其重要的作用，但是长期以来，大量的生物学实验仍依赖于非常简单的单层细胞培养方式。研究人员将不同来源细胞接种在具有刚性的基板上进行培养，研究观察多种细胞行为。由于生物体的复杂性，这种过于简化的研究方式不仅难以反映体内复杂的组织生物功能特点，更难以反映生物体体组织生物对外界刺激产生的真实响应。仅以药物研发为例，美国食品药品监督管理局(FDA)调查显示，每种新药的研发周期平均长达10年，费用约为5亿—10亿美元；而约92％的药物经动物实验证实安全有效之后，在临床人体试验中失败，从而形成了新药研发领域高投入、高风险和低产出的尴尬局面。正是这些迫切需求催生了仿生生物芯片这一新兴技术的出现，同时也为解决上述瓶颈问题提供了一种基于组织和生物水平的创新研究体系和系统解决方案。
目前，基本上所有的生物芯片都是通过非生物材料，如PDMS、PMMA、石英、树脂、水凝胶和硅等制备，与人和动物体内的生物有机环境相去甚远，无法贴切地对人和动物内环境进行模拟。
发明内容
基于现有技术中所存在的问题，为了克服上述现有技术中存在的缺点，本发明提供了一种基于蛋白质光刻胶的仿生生物芯片的加工方法。
依据本发明的技术方案，提供一种基于蛋白质光刻胶的仿生生物芯片的加工方法，其为利用光刻加工技术实现基于蛋白质光刻胶的仿生生物芯片的制备方法，其包括以下步骤：
步骤S1，根据生物芯片的设计需求，将生物芯片分解为单层或多层微流道和腔室结构图形；
步骤S2，清洗并烘干生物芯片的衬底基片；
步骤S3，在清洗后的衬底基片上旋涂蛋白质光刻胶并固化；
步骤S4，根据步骤S1中的每一层微流道和腔室结构设计图，利用光刻加工技术对在步骤S3得到的蛋白质光刻胶薄膜进行辐照，在蛋白质光刻胶薄膜上形成所需结构；
步骤S5，将除底层基片外的图案化蛋白质光刻胶薄膜与其衬底基片剥离，然后按照顺序将图案化蛋白质光刻胶薄膜与底层基片组装，并进行封装。
其中步骤S2清洗基片为前处理步骤，选择合适材质的基片作为衬底，可根据具体材料选择使用食人鱼洗液浸泡基片，然后用去离子水冲洗。最后将清洗后的基片彻底烘干后作为衬底。
优选的，为进一步增强底层基片与蛋白质光刻胶的粘附力，可进一步通过氧等离子体处理底层基片。
进一步地，步骤S3在清洗后的基片上旋涂蛋白质光刻胶，包括以下步骤：将清洗烘干后的基片放入匀胶机载物台上，在表面均匀的滴上一层蛋白质光刻胶溶液后在一定的转速下进行旋涂。旋涂后，将蛋白质光刻胶薄膜在80℃加热10min以上使其固化，得到蛋白质负胶薄膜。
优选地，步骤S3中匀胶机转速分别设置为1000rpm、2000rpm和3000rpm，旋涂时间设置为120秒。
更进一步地，可根据需求多次旋涂蛋白质光刻胶，使胶层达到所需厚度。
更进一步地，可以将步骤S3得到的蛋白质负胶薄膜浸没到甲醇中20min，使蛋白质交联，可获得蛋白质正胶薄膜。
优选地，步骤S3中所述蛋白质光刻胶为蚕丝蛋白溶液、蜘蛛丝蛋白溶液、羊毛角蛋白溶液或其转基因蛋白溶液。
进一步地，步骤S4在固化的蛋白质光刻胶薄膜上加工设计好的流道和腔室结构，包括以下步骤：将涂有蛋白质光刻胶薄膜的基片放入曝光机，通过设计好的掩模板进行曝光。然后在去离子水中对曝光后的蛋白质光刻胶显影，得到单层芯片结构。
另外地，步骤S4中辐照所使用的曝光机也可以是激光直写机，无需掩模板，直接对蛋白质光刻胶薄膜进行曝光。
进一步地，步骤S5根据芯片的结构设计，可加工多层图案化蛋白质薄膜结构，然后将除底层基片外的图案化蛋白质光刻胶薄膜与其衬底基片脱离，并按照顺序将其与底层基片组装，并进行封装，可用于对生物体器官结构等进行模拟。
与现有技术相比较，本发明利用蛋白质光刻胶加工仿生生物芯片的方法有益效果在于：
1、本发明利用蛋白质光刻胶加工仿生生物芯片的方法中，用蛋白质光刻胶制作芯片，构筑的微流道和培养腔室整体材料为蛋白质，为细胞和各种生物大分子提供了更接近于生物体的培养环境，能够更好地对生物体进行模拟；
2、本发明利用光刻加工技术对芯片整体结构进行层层加工，各层芯片上的微流道和培养腔室可以根据需求进行灵活调整，具有很大的设计和实验便捷性，可以实现多种生物器官或结构的模拟和不同尺寸的灵活构建；
3、本发明利用蛋白质光刻胶加工仿生生物芯片的方法中，蛋白质光刻胶及其显影液安全无毒，是一种优良的环境友好型材料。
附图说明
图1为本发明的一种基于蛋白质光刻胶的仿生生物芯片加工方法的流程图；
图2为依据本发明的实施例1中通过光学曝光法加工得到的单层蚕丝蛋白负胶仿生生物芯片(左)及其微腔室显微镜照片(右)；
图3为依据本发明的实施例2中通过光学曝光法加工得到的单层蜘蛛丝蛋白负胶仿生生物芯片的微流道显微镜照片；
图4为依据本发明的实施例3中通过激光直写法加工得到的单层蚕丝蛋白正胶仿生生物芯片的照片；
图5为依据本发明的实施例4中通过光学曝光法加工多层转基因蚕丝蛋白负胶仿生生物芯片的加工方法流程图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
本发明的一种基于蛋白质光刻胶的仿生生物芯片的加工方法，其为利用光刻加工技术实现基于蛋白质光刻胶的仿生生物芯片的制备方法，其包括以下步骤：
步骤S1，根据生物芯片的设计需求，将生物芯片分解为单层或多层微流道和腔室结构图形；
步骤S2，清洗并烘干生物芯片的衬底基片；
步骤S3，在清洗后的基片上旋涂蛋白质光刻胶并固化；
步骤S4，根据步骤S1中的每一层微流道和腔室结构设计图，利用光刻加工技术对在步骤S3得到的蛋白质光刻胶薄膜进行辐照，在蛋白质光刻胶薄膜上形成所需结构；
步骤S5，将除底层基片外的图案化蛋白质光刻胶薄膜与其衬底基片剥离，然后按照顺序将图案化蛋白质光刻胶薄膜与底层基片组装，并进行封装。
其中步骤S2清洗基片为前处理步骤，选择合适材质的基片作为衬底，可根据具体材料选择使用食人鱼洗液浸泡基片，然后用去离子水冲洗。最后将清洗后的基片彻底烘干后作为衬底基片。
优选的，为进一步增强底层基片与蛋白质光刻胶的粘附力，可进一步通过氧等离子体处理底层基片。
进一步地，步骤S3在清洗后的基片上旋涂蛋白质光刻胶，包括以下步骤：将清洗烘干后的基片放入匀胶机载物台上，在表面均匀的滴上一层蛋白质光刻胶溶液后在一定的转速下进行旋涂。旋涂后，将蛋白质光刻胶薄膜在80℃加热10min以上使其固化，得到蛋白质负胶薄膜。
优选地，可以将匀胶机转速分别设置为1000rpm、2000rpm和3000rpm，旋涂时间设置为120秒。
更进一步地，可根据需求多次旋涂蛋白质光刻胶溶液，使胶层达到所需厚度。
更进一步地，可以将步骤S3得到的蛋白质负胶薄膜浸没到甲醇中20min，使蛋白质交联，可获得蛋白质正胶薄膜。
优选地，步骤S3中所述蛋白质光刻胶溶液为蚕丝蛋白溶液、蜘蛛丝蛋白溶液、羊毛角蛋白溶液或其转基因蛋白溶液。
进一步地，步骤S4在固化的蛋白质光刻胶薄膜上加工设计好的流道和腔室结构，包括以下步骤：将涂有蛋白质光刻胶薄膜的基片放入曝光机，通过设计好的掩模板进行曝光。然后在去离子水中对曝光后的蛋白质光刻胶显影，得到单层芯片结构。
另外地，步骤S4中辐照所使用的曝光机也可以是激光直写机，无需掩模板，直接对蛋白质光刻胶薄膜进行曝光。
进一步地，步骤S5根据芯片的结构设计，可加工多层图案化蛋白质薄膜结构，然后将除底层基片外的图案化蛋白质光刻胶薄膜与其衬底基片脱离，并按照顺序将其与底层基片组装，并进行封装，可用于对生物体器官结构等进行模拟。
实施例1
依据本发明的基于蛋白质光刻胶的仿生生物芯片的加工方法，本实施例提供一种通过光学曝光法制备单层蚕丝蛋白负胶仿生生物芯片的方法。如图2所示，具体的加工方法如下：
步骤W1，将电路板基片作为底层基片，将其放入乙醇中超声清洗10min后取出，再用去离子水冲洗，然后用氮气枪吹干后，置入等离子体清洗机，18W功率下处理3min后取出；其对应于依据本发明的基于蛋白质光刻胶的仿生生物芯片的加工方法的步骤S1，其为步骤S1进一步的细化。
步骤W2，在处理好的电路板基片上，以1000rpm的转速旋涂一层蚕丝蛋白质光刻胶溶液，于80℃烘干10min，得到一层厚度100μm的蚕丝蛋白质负性光刻胶薄膜；其对应于依据本发明的基于蛋白质光刻胶的仿生生物芯片的加工方法的步骤S2，其为步骤S2进一步的细化。
步骤W3，将步骤W2中制备得到的蚕丝蛋白质负胶薄膜放入曝光机，通过设计好的掩模板曝光10min，然后在去离子水中对曝光后的蛋白质光刻胶显影10min，得到单层芯片结构，并通过双面胶粘贴对芯片流道和腔室进一步封装。除双面胶粘贴外，芯片还可以通过其它胶粘剂、等离子体键合和热压键合等方法进行粘贴封装，本实施例对具体的粘贴封装方法并不具体限制。仿生生物芯片及其微腔室显微镜照片如图2所示。
实施例2
依据本发明的基于蛋白质光刻胶的仿生生物芯片的加工方法，本实施例提供一种通过光学曝光法制备单层蚕丝蛋白负胶仿生生物芯片的方法。如图3所示，具体的加工方法如下：
步骤Q1，将硅/氧化硅作为支撑基片，将其放入乙醇中超声清洗10min后取出，去离子水冲洗氮气吹干后，再放入食人鱼洗液中浸泡30min后取出，再用去离子水冲洗，然后用氮气枪吹干后，置入等离子体清洗机，18W功率下处理3min后取出；其对应于依据本发明的基于蛋白质光刻胶的仿生生物芯片的加工方法的步骤S1，其为步骤S1进一步的细化。
步骤Q2，在处理好的硅/氧化硅支撑基片上旋涂一层蜘蛛丝蛋白质溶液，于80℃烘干30min，得到一层厚度10μm的蜘蛛丝蛋白质负性光刻胶薄膜；其对应于依据本发明的基于蛋白质光刻胶的仿生生物芯片的加工方法的步骤S2，其为步骤S2进一步的细化。
步骤Q3，将步骤Q2中制备得到的蚕丝蛋白质负胶薄膜放入曝光机，通过设计好的掩模板曝光3min，然后在去离子水中对曝光后的蛋白质光刻胶显影10min，得到单层芯片结构，并通过等离子体键合对芯片流道和腔室进一步封装。除等离子体键合外，芯片还可以通过其它胶粘剂、双面胶粘贴和热压键合等方法进行粘贴封装，本实施例对具体的粘贴封装方法并不具体限制。仿生生物芯片的微流道显微镜照片如图3所示。
实施例3
依据本发明的基于蛋白质光刻胶的仿生生物芯片的加工方法，本实施例提供一种通过激光直写法加工单层羊毛角蛋白正胶仿生生物芯片的方法。如图4所示，具体的加工方法如下：
步骤N1，将石英作为支撑基片，将其放入乙醇中超声清洗10min后取出，去离子水冲洗氮气吹干后，再放入食人鱼洗液中浸泡30min后取出，再用去离子水冲洗，然后用氮气枪吹干后，置入等离子体清洗机，18W功率下处理3min后取出；其对应于依据本发明的基于蛋白质光刻胶的仿生生物芯片的加工方法的步骤S1，其为步骤S1进一步的细化。
步骤N2，在处理好的石英支撑基片上旋涂一层羊毛角蛋白溶液，于80℃烘干30min，得到一层厚度500nm的羊毛角蛋白负性光刻胶薄膜；将步骤Q2得到的蛋白质负胶薄膜浸没到甲醇中20min，使蛋白质交联，可获得羊毛角蛋白正胶薄膜。其对应于依据本发明的基于蛋白质光刻胶的仿生生物芯片的加工方法的步骤S2，其为步骤S2进一步的细化。
步骤N3，将步骤N2中制备得到的羊毛角蛋白正胶薄膜放入激光直写机，根据设计好的图形进行曝光，然后在去离子水中对曝光后的蛋白质光刻胶显影5min，得到单层芯片结构，并通过等离子体键合对芯片流道和腔室进一步封装。除等离子体键合外，芯片还可以通过其它胶粘剂、双面胶粘贴和热压键合等方法进行粘贴封装，本实施例对具体的粘贴封装方法并不具体限制。通过激光直写法加工得到的单层羊毛角蛋白正胶仿生生物芯片的照片如图4所示。
实施例4
依据本发明的基于蛋白质光刻胶的仿生生物芯片的加工方法，本实施例提供一种通过光学曝光法加工多层转基因蚕丝蛋白负胶仿生生物芯片的方法。如图5所示，具体的加工方法如下：
步骤H1，将PMMA(PMMA为“聚甲基丙烯酸甲酯”)作为支撑基片，将其放入乙醇中超声清洗10min后取出，使用去离子水冲洗且使用氮气吹干后，置入等离子体清洗机，18W功率下处理3min后取出；其对应于依据本发明的基于蛋白质光刻胶的仿生生物芯片的加工方法的步骤S1，其为步骤S1进一步的细化。
步骤H2，在处理好的PMMA支撑基片上旋涂一层转基因蚕丝蛋白溶液，于80℃烘干30min，得到一层厚度50μm的转基因蚕丝蛋白负性光刻胶薄膜；其对应于依据本发明的基于蛋白质光刻胶的仿生生物芯片的加工方法的步骤S2，其为步骤S2进一步的细化。
步骤H3，将步骤H2中制备得到的转基因蚕丝蛋白负性光刻胶薄膜放入曝光机，通过设计好的掩模板曝光15min，然后在去离子水中对曝光后的蛋白质光刻胶显影20min，得到单层芯片结构；
顺序重复步骤H1至H3，得到第二层和第三层芯片结构；
步骤H4，将第二层芯片结构和第三层芯片结构从支撑基片上剥离，然后按照顺序将这两层蛋白质芯片结构与底层基片及其上的单层芯片结构进行组装，并通过热压键合对其进一步封装。除热压键合外，芯片还可以通过其它胶粘剂、双面胶粘贴和等离子体键合等方法进行粘贴封装，本实施例对具体的粘贴封装方法并不具体限制。通过光学曝光法加工多层转基因蚕丝蛋白负胶仿生生物芯片的加工方法流程图如图4所示。
上述制备过程中的电路板基片、硅/氧化硅、石英和PMMA还可以替换为其它如玻璃、铜板和氮化硅之类的其它材料。
本发明提供了利用蛋白质光刻胶加工仿生生物芯片的加工方法。用蛋白质光刻胶制作芯片，构筑的微流道和培养腔室整体材料为蛋白质，为细胞提供了更接近于生物体的培养环境，能够更好地对生物体进行模拟。此外，利用光刻加工技术对芯片整体结构进行层层加工，各层芯片上的微流道和培养腔室可以根据需求进行灵活调整，具有很大的设计和实验便捷性，可以实现多种生物器官或结构的模拟和不同尺寸的灵活构建。另外，蛋白质光刻胶及其显影液安全无毒，是一种优良的环境友好型材料。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于蛋白质光刻胶的仿生生物芯片的加工方法，其特征在于，其为利用光刻加工技术实现基于蛋白质光刻胶的仿生生物芯片的制备方法，其包括以下步骤：
步骤S1，根据生物芯片的设计需求，将生物芯片分解为单层或多层微流道和腔室结构图形；
步骤S2，清洗并烘干生物芯片的基片；
步骤S3，在清洗后的基片上旋涂蛋白质光刻胶并固化；
步骤S4，根据步骤S1中的每一层微流道和腔室结构设计图，利用光刻加工技术对在步骤S3得到的蛋白质光刻胶薄膜进行辐照，在蛋白质光刻胶薄膜上形成所需结构；
步骤S5，将除底层基片外的图案化蛋白质光刻胶薄膜与基片剥离，然后按照顺序将图案化蛋白质光刻胶薄膜与底层基片组装，并进行封装。
2.根据权利要求1所述的基于蛋白质光刻胶的仿生生物芯片的加工方法，其特征在于，步骤S2清洗基片为前处理步骤，选择合适材质的基片作为衬底，可根据具体材料选择使用食人鱼洗液浸泡基片，然后用去离子水冲洗；最后将清洗后的基片彻底烘干后作为衬底。
3.根据权利要求2所述的基于蛋白质光刻胶的仿生生物芯片的加工方法，其特征在于，步骤S2通过氧等离子体处理底层基片。
4.根据权利要求2所述的基于蛋白质光刻胶的仿生生物芯片的加工方法，其特征在于，步骤S3在清洗后的基片上旋涂蛋白质光刻胶，包括以下步骤：将清洗烘干后的基片放入匀胶机载物台上，在表面均匀的滴上一层蛋白质光刻胶溶液后在一定的转速下进行旋涂。
5.根据权利要求4所述的基于蛋白质光刻胶的仿生生物芯片的加工方法，其特征在于，旋涂后将蛋白质光刻胶薄膜在80℃加热10min以上使其固化，得到蛋白质负胶薄膜。
6.根据权利要求2所述的基于蛋白质光刻胶的仿生生物芯片的加工方法，其特征在于，步骤S3中匀胶机转速分别设置为1000rpm、2000rpm和3000rpm，旋涂时间设置为120秒。
7.根据权利要求2所述的基于蛋白质光刻胶的仿生生物芯片的加工方法，其特征在于，步骤S3中根据需求多次旋涂蛋白质光刻胶，使胶层达到所需厚度。
8.根据权利要求2所述的基于蛋白质光刻胶的仿生生物芯片的加工方法，其特征在于，步骤S3中的蛋白质光刻胶为蚕丝蛋白溶液、蜘蛛丝蛋白溶液或羊毛角蛋白溶液。
9.根据权利要求2所述的基于蛋白质光刻胶的仿生生物芯片的加工方法，其特征在于，步骤S4在固化的蛋白质光刻胶薄膜上加工设计好的流道和腔室结构，其包括以下步骤：将涂有蛋白质光刻胶薄膜的基片放入曝光机，通过设计好的掩模板进行曝光；然后在去离子水中对曝光后的蛋白质光刻胶显影，得到单层芯片结构。
10.根据权利要求2所述的基于蛋白质光刻胶的仿生生物芯片的加工方法，其特征在于，步骤S4中辐照所使用的曝光机是激光直写机，无需掩模板且直接对蛋白质光刻胶薄膜进行曝光。
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2022
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