CN104138844B - 一种微流控药物筛选芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微流控药物筛选芯片，该筛选芯片包括上层通道(4)和下层通道(5)上下两层通道构成，其中，上层通道(4)是单通道，其上层通道入口(2)通过毛细管(13)连接于微蠕动泵或微注射器(14)，上层通道出口(3)通过毛细管(13)连接于芯片上层通道液体收集装置(18)；下层通道(5)，在通道中间区域是下层筛选通道(12)；在通道右端是下层通道的入口(1)，通过毛细管(13)连接于微蠕动泵或微注射器(14)；本发明主要通过编码微球的重力作用、编码微球和筛选通道尺寸的对应关系，以及流体对编码微球的推动作用进行目标物的分离和编码，从而实现药物筛选过程，整个操作简单方便，且具有较高的灵敏度和精确性。

Description

一种微流控药物筛选芯片

技术领域

本发明涉及微流控技术领域、药物筛选领域及生物检测领域，具体是一种基于尺寸对编码微球进行分离，从而实现药物筛选的微流控药物筛选芯片。

背景技术

随着社会的不断发展和科技的迅猛进步，人类对自身的健康水平有了更高的关注，不仅对疾病预防、治疗更加重视，而且对药物的安全性、有效性也有了更深的认识。药物筛选是当前药物开发流程中非常关键的一步，其本质是把不同的靶分子(或者药物靶点)捕获出来，再通过对被捕获出来的生物分子、化合物等进行合适的药理活性实验，来评估新开发化合物药物的药理活性，从而发现其药用价值和临床用途，为发展新药提供最初始、最关键的依据和资料。药物筛选是从大规模的合成或天然化合物中提取出有效、有针对性的目标分子的关键，如何有效地提升筛选的速度、规模，以及筛选的准确性，是提高药物发现的数量和质量的先决条件，也是当今药物研究领域的热点。

目前，社会上使用的较为传统的药物筛选方法主要有两种：第一种是以药理活性为基础的筛选，其基本方法是研究药物与靶点的结合能力和对靶点功能的影响；第二种是以药代动力学性质为基础的筛选，通过对药物的吸收、分布、代谢、排泄的性质和毒性进行评估，排除不具有类药属性的药物。在众多的药物筛选手段中，利用抗原和抗体之间的特异性识别能力作为以药理活性为基础的筛选方法，具有较高的选择性和特异性。

微流控芯片分析技术是把整个化验室的功能，包括采样、预处理、加试剂、反应、衍生、分离、检测等集成在微小的芯片上，且可多次使用，因此较生物芯片有更广泛的适用性及应用前景。它不仅使生物样品与试剂的消耗降低至纳升(nl),甚至皮升(pl)级，而且在一定程度上提高了分析速度，降低了分析费用，缩短了分析时间，从而为分析测试技术普及到户外、家庭开辟了一条新路。微流控芯片分析技术因具有低耗样量、分析快速、信息量大、制作成本低等优点，为大规模高通量药物筛选提供了绝佳的实验和检测技术平台，所以在药物和天然产物活性成分的高通量筛选研究中其优势尤为突出。

发明内容

技术问题:本发明的目的是提供一种基于尺寸对编码微球进行分离，从而实现药物筛选的微流控药物筛选芯片，其具有检测和分离快速、灵敏度高、样品需要量小、准确性高等优点。

技术方案:将药物筛选和微流控芯片分析技术相结合，我们开发出微流控芯片药物筛选技术作为药物筛选的手段，不但可以在一定程度上提升筛选的速度和规模，以及筛选的准确性，而且也使得药物筛选更加系统、全面、小巧、低耗。这一技术以微流控芯片为载体，将样品的反应、固定、分离及检测等基本操作单元集成到芯片上，并配合自动化的检测装置，对采集到的数据信号进行分析，从而实现对药物的筛选。该技术的优点在于通过对样品全分析过程的缩微化和集成化，可达到高灵敏度的快速检测、高通量的输出，以及在线自动化操作，整个过程样品耗量低，非常适合天然产物及合成化合物的活性成分的筛选。

本技术立足于传统药物筛选方法和技术，将基于微流控芯片的药物筛选技术和不同尺寸的编码微球相结合，从而避免了传统药物筛选技术的一些缺陷与不足。

为解决上述技术问题，本发明的微流控药物筛选芯片采用的技术方案是：

该筛选芯片包括上层通道和下层通道上下两层通道构成，其中，上层通道是单通道，其上层通道入口通过毛细管连接于微蠕动泵或微注射器，上层通道出口通过毛细管连接于芯片上层通道液体收集装置；下层通道，在通道中间区域是下层筛选通道；在通道右端是下层通道的入口，通过毛细管连接于微蠕动泵或微注射器；在下层通道左端是下层二级第一通道，下层二级第二通道，下层二级第三通道，下层通道中下层二级通道第一出口、下层二级通道第二出口和下层二级通道第三出口通过毛细管连接于不同尺寸编码微球收集装置；

在下层通道中间区间，利用纳米光刻技术将其分为多个区域，每个区域内又刻蚀出多条相同的与编码微球粒径相对应宽度的下层筛选通道，每个区域间的下层筛选通道的宽度成梯度变化趋势，从上层通道入口方向开始，结合编码微球尺寸依次递增，上层通道呈一个倾角置于下层筛选通道上面，增加反应液流过下层筛选通道的路程，使其充分分离编码微球；上层通道和下层通道除相接触部分以及下层通道入口、上层通道入口和上层通道出口、下层二级通道第一出口、下层二级通道第二出口和下层二级通道第三出口外，均利用芯片材料封闭，使其隔离空气。

所述下层通道根据编码微球的尺寸种类做适应性的调整，下层筛选通道在微米级；下层二级通道第一出口、下层二级通道第二出口和下层二级通道第三出口宽度为微米到厘米级；上层通道的总宽度是厘米级。

以PDMS(Polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)或是PMMA(PolymethylMethacrylate,聚甲基丙烯酸甲酯)等作为整体芯片的材料，以PS(Polystyrene，聚苯乙烯)或二氧化硅光子晶体作为编码微球，利用纳米光刻技术在芯片材料上刻蚀出上下两层通道。其中，上层通道是一定宽度的单通道。下层通道是复合通道：入口处是单通路通道；中间段是多通路通道(筛选通道)，包含多个区域，而每个区域内又是宽度均一的多通路通道，每个区域间的通道宽度根据编码微球的粒径从反应液流入方向成梯度增加；出口处连接于中间段多通路通道的每个区域。上层通道呈一定角度置于下层通道上面，这样就可以在有效的尺寸上增加反应液流过下层通道的路程，使其充分分离编码微球。上层通道和下层通道除相接触部分以及通道入口和出口处外，均利用芯片材料封闭，使其隔离空气。

当反应液和编码微球充分反应后，以一定的速度从上层通道入口处流入，而多余的反应液则从上层通道出口处流出。在液体流经上层通道的过程中，反应后的编码微球经过宽度依次增加的筛选通道上方时，粒径较小的编码微球首先落入宽度较窄区域的筛选通道，而经下层通道入口处流入的液体的冲洗，小粒径的编码微球首先通过下层通道中间区域的筛选通道而被分离出。同理，随着在上层通道液体中的流动，编码微球根据粒径大小逐次被分离出来，从而实现对不同尺寸编码微球进行分离编码的功能。

本发明的原理是使与目标检测物反应后的编码微球，在通过芯片上层通道的过程中，利用其自身的重力作用落入下层不同区域的筛选通道中，实现编码微球的分离，从而实现药物的筛选。最后，利用下层通道中流动液体对筛选通道中编码微球所产生的作用力对分离出的编码微球进行收集，最终实现高通量的多元药物筛选。

有益效果：药物筛选是从大规模的合成或天然化合物中提取出有效、有针对性的目标分子的关键，如何提高药物筛选的质量和数量一直以来都是新药开发与应用的壁垒。本发明主要是基于不同尺寸的编码微球和微流控芯片，利用光子晶体微球的尺寸对药物进行编码，利用流速以及宽度呈梯度增加的筛选通道对不同尺寸的编码微球进行分离，从而达到药物筛选和编码的目的。所以，在整个过程中，基于尺寸对编码微球进行分离，从而实现药物筛选的微流控生物检测芯片具有以下的优点：

(1)操作简易：在整个操作中，只要设计好与编码微球尺寸相对应、宽度呈梯度变化的筛选通道区域，控制上层通道中反应液，以及下层通道中洗液的流动速度，就可以实现对目标物的分离。

(2)检测多元化：通过编码微球尺寸以及筛选通道的不同设计，本发明可以实现多种目标物的同时分离。只要适当增加不同宽度的筛选通道区域，以及与之相对应尺寸的编码微球，就可以较灵活地实现多种目标物的同时分离。

(3)灵敏度、精度高：根据反应液中编码微球的数量以及反应液的黏度，在控制合适反应液流速的情况下具有较好的灵敏度、精确度。

(4)芯片小型化：微流控芯片分析技术的利用，使高通量的药物筛选成为可能。同时，微通道的构建、微纳米编码微球的使用，使得微流控芯片具有小型化的特点，扩大了它在其他领域的应用。

(5)可扩展性高：由于采用了微流控检测芯片的形式，本发明可以方便地同样品预处理等其他环节的微流控芯片相集成，促进了分析系统的微型化和自动化。

本发明意在结合多元生物检测芯片技术、抗原抗体的特异性结合技术、药物筛选技术和微流控芯片分析技术的优势，将不同的探针固定于不同尺寸的编码微球上，用于捕获不同的目标分子，从而实现在微流控筛选通道内高效、快速地对编码微球进行分离。

附图说明

图1为本发明芯片的俯视图。

图2为本发明芯片筛选通道的截面示意图。

图3为本发明芯片使用时，整个装置的结构示意图。

以上的图中有：下层通道入口1、上层通道入口2、上层通道出口3、上层通道4、下层通道5、下层二级通道第一出口6，下层二级通道第二出口7，下层二级通道第三出口8、下层二级第一通道9，下层二级第二通道10，下层二级第三通道11、下层筛选通道12、毛细管13、微蠕动泵和微注射器14、芯片上层通道15，芯片下层通道16、不同尺寸编码微球收集装置17、芯片上层通道液体收集装置18。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明做详细说明：

本发明微流控药物筛选芯片如图1、图3所示，主要是基于上下两层通道。其中，上层通道4是一定宽度的单通道，其上层通道入口2通过毛细管13连接于微蠕动泵和微注射器14，上层通道出口3通过毛细管13连接于芯片上层通道液体收集装置18。下层通道5的中间区域是多通路下层筛选通道12；下层通道5的右端是下层通道的入口1，通过毛细管13连接于微蠕动泵和微注射器14；下层通道5的左端是多个二级通道即下层二级第一通道9，下层二级第二通道10，下层二级第三通道11，在本实施例中，二级通道为三个。下层通道尾端的二级通道的出口处即下层二级通道第一出口6，下层二级通道第二出口7，下层二级通道第三出口8通过毛细管13连接于不同尺寸的编码微球收集装置17。在下层通道中间区域，利用纳米光刻技术将其分为多个区域(根据不同尺寸的编码微球种类进行最合适的区分，本实施例中为三个区域)，每个区域连接于后面的二级通道即下层二级第一通道9，下层二级第二通道10，下层二级第三通道11，区域内又刻蚀出多条宽窄相同，且与编码微球粒径相对应宽度的下层筛选通道12，每个区域间的微通道的宽度成梯度变化趋势，沿上层通道液体流动方向开始，结合编码微球尺寸逐步递增。上层通道4呈一定角度置于下层筛选通道12上面，这样就可以在有效的尺寸上增加反应液流过下层筛选通道12的路程，使其充分分离编码微球。上层通道和下层通道除相接触部分以及下层通道入口1、上层通道入口2和上层通道出口3、下层二级通道第一出口6，下层二级通道第二出口7，下层二级通道第三出口8外，均利用芯片材料封闭，使其隔离空气。

当反应液和编码微球充分反应后，以一定的速度从上层通道入口2流入，而多余反应液则从上层通道出口3流出，通过毛细管13流入芯片上层通道液体收集装置18。在液体流经筛选通道12的过程中，反应后的编码微球经过宽度依次增加的下层筛选通道12上方时，粒径较小的编码微球首先落入较窄区域的筛选通道中，经下层通道入口1处流入液体的冲洗，小粒径的编码微球首先通过下层通道中间区域的筛选通道被分离出。同理，随着上层通道4中液体的流动，编码微球根据粒径大小依次被分离出来，从而实现对不同尺寸编码微球进行分离编码的功能。

本发明主要利用编码微球在流体中的重力作用，随着流体对编码微球的推动，不同尺寸的编码微球会依次落入宽度逐渐增加的筛选通道内，最后利用下层通道5中的液体的作用力带动落入筛选通道内的编码微球进入不同的微球收集装置17。整个操作相对于一般的药物筛选手段，或是分离样品手段更为简单明了，同时，只要合理地控制上下两层通道内液体的流速和黏度，就可以获得较为准确的分离结果，这就使得本发明在多元生物检测中具有良好的应用前景。

我们以PDMS作为整体芯片的材料，将10um，50um，80um的SiO₂(二氧化硅)或PS光子晶体作为编码微球，选择黏度合适的PBS(PhosphateBufferedSaline，磷酸盐缓冲液)缓冲液作为反应液。在一定流速(本次实验上层通道流速为100ul/min，下层通道流速为1ml/min)的作用下通过将不同尺寸的编码微球分选到不同药物活性检测区域进行分离和编码，从而实现对血管内皮生长因子(VEGF)、白细胞介素6(IL-6)、肿瘤坏死因子(TNF)的药物筛选反应，其多元检测的步骤如下：

(1)筛选通道的制备：利用微纳加工技术制备出如示意图1所示的芯片结构。下层通道5的整体长度约为5cm,宽度约为3cm。其中，筛选通道12的第一个分离区域(下层三级第一通道11所相连的筛选通道)中单个沟槽的宽度为20um，总共宽度约为1cm；第二个分离区域(下层二级第二通道10所相连的筛选通道)中单个沟槽的宽度为60um，总共宽度约为1cm；第三个分离区域(下层二级第一通道9所相连的筛选通道)中单个沟槽的宽度为90um，总共宽度约为1cm。

(2)对不同尺寸的光子晶体微球进行表面修饰：将10um，50um，80um的SiO₂或PS光子晶体(每种尺寸的光子微球数量为100个)表面分别连接上特异性识别血管内皮生长因子、白细胞介素6、肿瘤坏死因子的抗体作为捕获抗体。

(3)将表面进行特异性修饰后的三种编码微球加入到含有血管内皮生长因子、白细胞介素6、肿瘤坏死因子三种药物的PBS混合液中，在37oC的条件下充分反应。

(4)利用蠕动泵以稳定合适的速度(1ml/min)推动注射器，将洗液以一定的速度稳定地从下层通道入口1中注入下层通道5中，其目的是带动落在不同宽度筛选通道中的编码微球进入相对应的二级通道内。

(5)利用蠕动泵以稳定合适的速度(100ul/min)推动注射器，将混合不同尺寸编码微球的反应液从上层通道入口2注入上层通道4中，使与目标物反应过的不同尺寸的编码微球落在不同宽度的筛选通道中。

(6)最后，在不同的收集池内对编码微球进行收集。不同的收集池连接于不同药物活性检测区域，实现利用微球尺寸进行编码和分离的过程，从而完成药物筛选反应。

最终，我们在与下层二级通道第三出口8相连的收集池内收集到98个10um的光子晶体微球；在与下层二级通道第二出口7相连的收集池内收集到97个50um的光子晶体微球，以及2个10um的光子晶体微球；在与下层二级通道出口6相连的收集池内收集到98个80um的光子晶体微球，以及3个10um的光子晶体微球；而在芯片上层通道液体收集装置18内收集到2个80um的光子晶体微球。通过对实验数据的分析，我们可以看出：在合适的流速作用下，我们可以较精准地对微球进行编码和分离，从而实现血管内皮生长因子、白细胞介素6、肿瘤坏死因子三种物质的分离，其准确度可以达到95％以上。

Claims (2)

1.一种微流控药物筛选芯片，其特征在于：该筛选芯片包括上层通道(4)和下层通道(5)上下两层通道，其中，上层通道(4)是单通道，其上层通道入口(2)通过毛细管(13)连接于微蠕动泵或微注射器(14)，上层通道出口(3)通过毛细管(13)连接于芯片上层通道液体收集装置(18)；下层通道(5)，在通道中间区域是下层筛选通道(12)，在通道右端是下层通道入口(1)，通过毛细管(13)连接于微蠕动泵或微注射器(14)；在下层通道(5)左端是下层二级第一通道(9)，下层二级第二通道(10)，下层二级第三通道(11)，下层通道中下层二级通道第一出口(6)、下层二级通道第二出口(7)和下层二级通道第三出口(8)通过毛细管(13)连接于不同尺寸编码微球收集装置(17)；

在下层通道中间区间，利用纳米光刻技术将其分为多个区域，每个区域内又刻蚀出多条相同的与编码微球粒径相对应宽度的下层筛选通道(12)，每个区域间的下层筛选通道(12)的宽度呈梯度变化趋势，从上层通道入口(2)方向开始，结合编码微球尺寸依次递增，上层通道(4)呈一个倾角置于下层筛选通道(12)上面，增加反应液流过下层筛选通道(12)的路程，使其充分分离编码微球；上层通道和下层通道除相接触部分以及下层通道入口(1)、上层通道入口(2)和上层通道出口(3)、下层二级通道第一出口(6)、下层二级通道第二出口(7)和下层二级通道第三出口(8)外，均利用芯片材料封闭，使其隔离空气。

2.根据权利要求1所述的一种微流控药物筛选芯片，其特征在于：所述下层通道(5)根据编码微球的尺寸种类做适应性的调整，下层筛选通道(12)在微米级；下层二级通道第一出口(6)、下层二级通道第二出口(7)和下层二级通道第三出口(8)宽度为微米到厘米级；上层通道(4)的总宽度是厘米级。