近年来,随着对细胞异质性的深入研究,单细胞分析也成为目前生命科学研究领域中的一个热点。传统批量试验往往由于对结果的平均化处理而忽略同一细胞群体内细胞间的差异,单细胞分析则可以实现对这些被忽略的现象进行观察和研究,有助于发现来自于单个或少数细胞的关键信息。为了实现对细胞功能,异质性以及细胞间相互作用在单细胞水平进行快速,便捷和自动化平行分析,简单可靠的单细胞分析技术成为一个急需研究和解决的问题。微流控技术作为物理,生物,化学和计算机学等多个学科交叉的产物,在单细胞分析中具有可对微小尺度液体及粒子进行精确操控,易于操作,集成化和可实现高通量分析等独特优势,目前已被广泛应用于单细胞分析领域。本研究以微流控技术为基础,结合气动微阀阵列和微管道中的可控空气柱,分别提出了两种多重单细胞阵列的构建方法,并成功构建了包含不同种类细胞的多重单细胞阵列,多种样式的多重单细胞图形化阵列和异种单细胞对阵列,这两种方法操作便捷,简单可靠,且具有普适性和可扩展性,在未来可以用于高通量单细胞药物筛选,组织工程,神经元细胞网络构建和单细胞水平细胞间相互作用等方面的研究。本论文具体研究结果如下:1.本研究将气动微阀阵列与流体动力学单细胞捕获位点相结合,提出了包含不同种类细胞的多重单细胞阵列的构建方法。通过驱动压强的精确控制,气动微阀阵列在流动层管道中形成可逆的微坝结构,控制不同种类的细胞被分步捕获于相应的单细胞捕获位点,形成多重单细胞阵列。根据该方法,本研究首先设计了一个集成有两组气动微阀阵列的微流控芯片,并在完成通用实验条件优化之后成功构建了包含两种细胞的多重单细胞阵列。在该芯片中,成功将悬浮生长的K562细胞和贴壁生长的A549细胞应用于多重单细胞阵列的构建,证明了该方法在细胞种类选择上的普适性。2.在理论分析和仿真模拟的基础上,本研究进一步设计了一个集成有四组独立控制气动微阀阵列的微流控芯片,并利用所得到的通用实验条件成功构建了包含三种细胞的多重单细胞阵列,证明了气动微阀控制多重单细胞阵列构建方法的可扩展性。也就是说,通过设计更复杂的气动微阀阵列和更多的操作步骤,可以构建包含更多种类细胞的多重单细胞阵列。最后,所构建的多重单细胞阵列被应用于三种细胞的单细胞水平酯酶异质性分析,结果表明三种细胞的酯酶活力不仅在种类之间存在差异,而且在同一种细胞群体内也存在单细胞水平的差异。3.本研究利用微流控芯片常用制备材料聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)的疏水性和透气性,提出了一种空气柱辅助快速便捷构建多重单细胞阵列的微流控方法。通过控制灌注流速,在所设计的不同类型的旁侧管道处完成空气柱的可控生成与消除,使其发挥微阀的控制作用。将可控空气柱与做为单细胞捕获位点的旁侧管道相结合,本研究成功实现了包含A549细胞和K562细胞的多重单细胞阵列的快速构建,证明了该方法在细胞种类选择上的普适性。同时通过对阵列中细胞间距的分析,证明了该多重单细胞阵列中,细胞位置是稳定可控,且可预测的,这将有助于自动化数据处理方法的开发。4.利用所提出的空气柱辅助多重单细胞阵列构建方法,本研究通过改变主管道宽度,使每两个相邻旁侧管道之间距离相等,同时将两种类型旁侧管道在芯片内的位置进行重新排列组合,完成了多种样式多重单细胞图形化阵列的构建。进一步扩展了该方法的应用范围,在组织工程,细胞间旁分泌通讯和神经元细胞网络构建等方面具有良好的应用前景。5.本研究设计了一个用于快速便捷构建异种单细胞对阵列的微流控芯片。该芯片以空气柱辅助多重单细胞阵列构建方法为基础,通过将两个不同类型的旁侧管道整合到一个细胞捕获位点处,在不同灌注流速控制下成功实现了不同种类细胞分步被捕获定位于同一位点处,形成异种单细胞对阵列,在未来可以用于单细胞水平细胞间相互作用的研究。