CN105536898A - 微流控芯片、血细胞分离方法与系统及该系统的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种微流控芯片、基于该芯片的全血血细胞分离系统、该系统的制作方法及利用该系统进行全血血细胞分离的方法，用于对血细胞进行分离，能够克服现有技术分离效率低、小型化和轻量化不足的缺陷，满足现场即时血样分离需求。所述芯片通过将包含主要流道结构的基片层先后与微孔滤膜层和包含上层流道结构的柔性聚合物层键合制成，并在内部形成微沟道系统，所述微沟道系统包括：微泵区、循环区、第一沟道、第二沟道、第三沟道，以及由主要流道结构、微孔滤膜层和上层流道结构形成的过滤区。

Description

微流控芯片、血细胞分离方法与系统及该系统的制作方法

技术领域

本发明涉及血细胞分离技术领域，具体涉及一种微流控芯片、基于该芯片的全血血细胞分离系统、该系统的制作方法及利用该系统进行全血血细胞分离的方法。

背景技术

白细胞包含丰富的免疫系统信息，很多针对白细胞的检测需要将它们从全血中分离出来。离心分离等一些传统的分离方法，所用设备体积大、样品需求量多、操作复杂，很难与后续检测分析仪器集成。利用微流控芯片对白细胞进行分离是基于微流控芯片进行白细胞检测分析的基础。由于血细胞的浓度很高，而白细胞的含量又很少，在微流控芯片中高效地将白细胞从全血中分离出来仍具有很大的挑战。基于微过滤的血细胞分离方法，具有无须对细胞进行标记、操作相对简单以及易于同后续检测设备集成等优点。用于细胞分离的微过滤以过滤结构分类可以分为：堰式过滤、柱式过滤和膜式过滤；基于流动方向可分为：死端过滤和错流过滤，在死端过滤中主流的流动方向和过滤器垂直，而错流过滤中主流的流动方向和过滤器平行。其中膜式过滤相对易于加工并且具有更大的过滤面积。但基于膜式过滤的血细胞分离芯片具有以下最主要的问题：1.由于血细胞的浓度非常高，在过滤的过程中滤膜的微孔会被血细胞堵塞，导致部分微孔无法进行有效地过滤，极大地降低了芯片分离血细胞的效率；2.目前绝大多数血细胞分离芯片都需要外部的流体驱动源，如注射泵、蠕动泵、真空泵等，这导致整个血细胞分离系统很难做到小型化、轻量化，难以满足现场(pointofcare)即时分离需求。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种微流控芯片、基于该芯片的全血血细胞分离系统、该系统的制作方法及利用该系统进行全血血细胞分离的方法，用于对血细胞进行分离，能够克服现有技术分离效率低、小型化和轻量化不足的缺陷，满足现场即时血样分离需求。

为此目的，一方面，本发明提出一种微流控芯片，所述芯片由微孔滤膜层、包含主要流道结构的基片层和包含上层流道结构的柔性聚合物层组成，通过将所述包含主要流道结构的基片层先后与所述微孔滤膜层和包含上层流道结构的柔性聚合物层键合制成，并在内部形成微沟道系统；其中，

所述微沟道系统包括：微泵区、循环区、第一沟道、第二沟道、第三沟道，以及由主要流道结构、微孔滤膜层和上层流道结构形成的过滤区，所述过滤区的两层通道中一层通道的末端连接所述第一沟道，另一层通道的末端连接所述第二沟道，所述第二沟道与循环区连通，所述循环区与微泵区通过沟道连接，所述第三沟道与连接所述循环区和微泵区的沟道连通，所述微泵区与过滤区通过沟道连接，所述第一沟道的末端设置有第一出口以及与该第一出口相对应的第一出口微阀，所述第二沟道的末端设置有第二出口以及与该第二出口相对应的第二出口微阀，所述第一出口和第二出口中一个出口为目标细胞出口，另一个出口为废液出口，所述第三沟道的末端设置有血液入口、缓冲液入口以及与该血液入口相对应的血液入口微阀和与该缓冲液入口相对应的缓冲液入口微阀，所述循环区与第二沟道的连通处设置有循环区微阀，在所述包含上层流道结构的柔性聚合物层中贯穿所述包含上层流道结构的柔性聚合物层对应所述血液入口、缓冲液入口、目标细胞出口和废液出口分别设置有第一通孔、第二通孔、第三通孔和第四通孔，所述第一通孔、第二通孔、第三通孔和第四通孔为垂直通孔，所述第一通孔和第二通孔分别通过所述血液入口和缓冲液入口与第三沟道连接，所述第三通孔和第四通孔分别通过所述目标细胞出口和废液出口分别与所述目标细胞出口对应的沟道和废液出口对应的沟道连接，所述微泵区设置有双向蠕动微泵。

另一方面，本发明提出一种基于前述微流控芯片的全血血细胞分离系统，包括：

微流控芯片、微泵驱动装置、微阀驱动装置、控制模块和电源模块；其中，

所述微泵驱动装置，位于所述微流控芯片的微泵区上方，用于为所述微流控芯片的微泵提供驱动力；

所述微阀驱动装置，位于所述微流控芯片上方，用于打开和关闭所述微流控芯片的相应微阀；

所述控制模块，用于通过控制所述微泵驱动装置控制所述微泵的转动方向、转动速度及通过控制所述微阀驱动装置控制所述微阀的打开和关闭；

电源模块，用于为所述微泵驱动装置、微阀驱动装置及控制模块供电；

所述微阀驱动装置包括四个下端面为平面或者球面的可直线运动的结构，所述微阀驱动装置的四个可直线运动的结构分别对准所述微流控芯片的一个通孔，

若所述微泵为环形蠕动泵，则所述微泵驱动装置包括电机、固连在电机上的轴套、装于所述轴套中的弹簧和钢珠，若所述微泵为直线蠕动泵，则所述微泵驱动装置包括四个可直线运动的结构，所述可直线运动的结构为电磁铁或者能够输出直线位移的电机。

另一方面，本发明提出一种前述全血血细胞分离系统的制作方法，包括：

S11、在基片层上制作微沟道，在柔性聚合物层上制作微沟道，将微孔滤膜层和基片层键合在一起，将柔性聚合物层和基片层键合在一起，形成微沟道系统；

S12、在柔性聚合物层上打孔，制作出血液入口、缓冲液入口、目标细胞出口和废液出口对应的通孔，形成微流控芯片；

S13、在微流控芯片的微泵区上方布置微泵驱动装置；

S14、在微流控芯片上方布置四个可直线运动的结构，使每个可直线运动的结构分别对准一个通孔，其中，所述四个可直线运动的结构组成微阀驱动装置；

S15、在微流控芯片周围布置控制模块和电源模块，并将所述控制模块与所述微泵驱动装置和微阀驱动装置连接，将所述电源模块与所述微泵驱动装置、微阀驱动装置和控制模块连接。

另一方面，本发明提出一种利用前述全血血细胞分离系统进行全血血细胞分离的方法，包括：

S21、通过控制模块关闭血液入口微阀、目标细胞出口微阀、循环区微阀，打开缓冲液入口微阀和废液出口微阀，控制微泵驱动装置驱动微泵正向转动，从而从缓冲液入口吸入缓冲液，并使微流控芯片的沟道充满或者部分充满缓冲液；

S22、通过所述控制模块关闭缓冲液入口微阀，打开血液入口微阀，控制所述微泵驱动装置驱动所述微泵正向转动，从而从血液入口吸入一定量的全血样品；

S23、通过所述控制模块关闭血液入口微阀，打开缓冲液入口微阀，控制所述微泵驱动装置驱动所述微泵正向转动，从而从缓冲液入口吸入缓冲液，将全血样品推至过滤区进行过滤；

S24、过滤一段时间后，通过所述控制模块关闭缓冲液入口微阀和废液出口微阀，打开循环区微阀，控制所述微泵驱动装置驱动所述微泵反向转动，从而驱动微流控芯片的沟道内的流体反向流动，将堵塞在微孔滤膜层的微孔中的血细胞反向推出；

S25、通过所述控制模块控制所述微泵驱动装置驱动所述微泵正向转动，从而驱动微流控芯片的沟道内的流体在微流控芯片中循环过滤；

S26、通过所述控制模块关闭循环区微阀，打开缓冲液入口微阀和废液出口微阀，控制所述微泵驱动装置驱动所述微泵正向转动，从而从缓冲液入口吸入缓冲液，将剩余的红细胞和血浆从废液出口排出；

S27、重复执行步骤S24至S26若干次；

S28、通过所述控制模块关闭废液出口微阀，打开目标细胞出口微阀，控制所述微泵驱动装置驱动所述微泵正向转动，从而从缓冲液入口吸入缓冲液，将分离好的血细胞从目标细胞出口推出，收集分离好的目标细胞。

本发明实施例所述的微流控芯片、基于该芯片的全血血细胞分离系统、该系统的制作方法及利用该系统进行全血血细胞分离的方法，所涉及的微流控芯片利用蠕动微泵双向驱动的特点，可以快速改变芯片内流体的流动方向，将堵塞在滤膜微孔中的血细胞反向推出，有效避免多孔滤膜的堵塞；采用错流过滤和死端过滤相结合的方式对血细胞进行过滤，进一步减少滤膜的堵塞，可实现大量血样的分离；双向蠕动微泵集成在微流控芯片上，样品的输入输出无需外部流体驱动源，实现了系统的小型化和轻量化，为现场的快速、高通量血液分离提供了有效的手段。

附图说明

图1是本发明一实施例提供的微流控芯片的部分结构示意图；

图2是本发明另一实施例提供的微流控芯片的示意图；

图3是本发明另一实施例提供的微流控芯片的分层说明图；

图4是本发明另一实施例提供的微流控芯片的分层说明图；

图5是本发明另一实施例提供的微流控芯片的分层说明图；

图6是本发明另一实施例提供的微流控芯片的分层说明图；

图7是本发明另一实施例提供的微流控芯片的分层说明图；

图8是本发明另一实施例提供的采用环形蠕动泵的微流控芯片的示意图；

图9是本发明另一实施例提供的采用直线蠕动泵的微流控芯片的示意图；

图10是本发明另一实施例提供的一种微泵驱动装置的结构示意图；

图11是本发明另一实施例提供的一种微泵驱动装置的结构示意图；

图12是本发明另一实施例提供的微阀驱动装置的两种状态的对比示意图；

图13是本发明另一实施例提供的微阀驱动装置的两种状态的对比示意图；

图14是本发明另一实施例提供的血细胞分离错流过滤原理示意图；

图15是本发明另一实施例提供的血细胞分离死端过滤原理示意图；

图16是本发明另一实施例提供的采用环形蠕动泵的血细胞分离系统的示意图；

图17是本发明另一实施例提供的采用直线蠕动泵的血细胞分离系统的示意图；

图18是本发明一实施例提供的基于微流控芯片的全血血细胞分离系统的结构示意图；

图19是本发明一实施例提供的基于微流控芯片的全血血细胞分离系统的制作方法流程图；

图20是本发明一实施例提供的利用基于微流控芯片的全血血细胞分离系统进行全血血细胞分离的方法流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图3所示，本实施例公开一种微流控芯片，所述芯片由微孔滤膜层13、包含主要流道结构的基片层11(材料为无磁、透明材质的板材)和包含上层流道结构的柔性聚合物层15组成，通过将所述包含主要流道结构的基片层11先后与所述微孔滤膜层13和包含上层流道结构的柔性聚合物层15键合制成，并在内部形成微沟道系统；其中，

所述微沟道系统包括：微泵区16、循环区116、第一沟道、第二沟道、第三沟道，以及由主要流道结构、微孔滤膜层13和上层流道结构形成的过滤区17，所述过滤区17的两层通道中一层通道的末端连接所述第一沟道，另一层通道的末端连接所述第二沟道，所述第二沟道与循环区116连通，所述循环区116与微泵区16通过沟道连接，所述第三沟道与连接所述循环区116和微泵区16的沟道连通，所述微泵区16与过滤区17通过沟道连接，所述第一沟道的末端设置有第一出口以及与该第一出口相对应的第一出口微阀，所述第二沟道的末端设置有第二出口以及与该第二出口相对应的第二出口微阀，所述第一出口和第二出口中一个出口为目标细胞出口，另一个出口为废液出口，所述第三沟道的末端设置有血液入口18、缓冲液入口19以及与该血液入口18相对应的血液入口微阀112和与该缓冲液入口19相对应的缓冲液入口微阀113，所述循环区116与第二沟道的连通处设置有循环区微阀117，在所述包含上层流道结构的柔性聚合物层15中贯穿所述包含上层流道结构的柔性聚合物层15对应所述血液入口18、缓冲液入口19、目标细胞出口110和废液出口111分别设置有第一通孔、第二通孔、第三通孔和第四通孔，所述第一通孔、第二通孔、第三通孔和第四通孔为垂直通孔，所述第一通孔和第二通孔分别通过所述血液入口18和缓冲液入口19与第三沟道连接，所述第三通孔和第四通孔分别通过所述目标细胞出口110和废液出口111分别与所述目标细胞出口对应的沟道和废液出口对应的沟道连接，所述微泵区16设置有双向蠕动微泵。

本发明实施例所述的微流控芯片，利用蠕动微泵双向驱动的特点，可以快速改变芯片内流体的流动方向，将堵塞在滤膜微孔中的血细胞反向推出，有效避免多孔滤膜的堵塞；采用错流过滤和死端过滤相结合的方式对血细胞进行过滤，进一步减少滤膜的堵塞，可实现大量血样的分离；双向蠕动微泵集成在微流控芯片上，样品的输入输出无需外部流体驱动源，实现了系统的小型化和轻量化，为现场的快速、高通量血液分离提供了有效的手段，该芯片可以直接从未稀释的全血中分离出目标细胞，并可实现把目标细胞直接输送至后续检测模块。

可选地，参看图1和图3，在本发明微流控芯片的另一实施例中，所述过滤区17的上层通道的末端连接所述第一沟道，下层通道的末端连接所述第二沟道，所述第一出口为目标细胞出口110，第一出口微阀为目标细胞出口微阀114，所述第三通孔和第四通孔分别通过所述目标细胞出口110和废液出口111分别与所述第一沟道和第二沟道连接。

如图3所示，为本发明另一实施例提供的微流控芯片的分层说明图，所述芯片包含主要流道结构的基底层和微孔滤膜层可通过热压键合，再通过表面处理与包含上流道结构的柔性聚合物层键合。

可选地，如图4所示，为本发明另一实施例提供的微流控芯片的分层说明图，所述过滤区的上层通道的末端连接所述第二沟道，下层通道的末端连接所述第一沟道，所述第一出口为废液出口，第一出口微阀为废液出口微阀，所述第三通孔和第四通孔分别通过所述目标细胞出口和废液出口分别与所述第二沟道和第一沟道连接。

可选地，如图5所示，为本发明另一实施例提供的微流控芯片的分层说明图，所述包含上层流道结构的柔性聚合物层15包括：

包含上层流道结构的双面胶结构层140和柔性聚合物层150，所述芯片通过依次将所述微孔滤膜层13和包含主要流道结构的基片层11通过热压键合在一起，将所述柔性聚合物层150和微孔滤膜层13通过所述包含上层流道结构的双面胶结构层140粘接在一起，将所述柔性聚合物层150和包含主要流道结构的基片层11通过表面处理键合在一起制成。

本实施例中，微流控芯片中设有微沟道系统具体是指：在基片层11上表面上设置微沟道系统，或者在柔性聚合物层15的下表面设置微沟道系统，或者在双面胶结构层140上设置微沟道系统。

可选地，如图6所示，为本发明另一实施例提供的微流控芯片的分层说明图，所述芯片还包括：双面胶粘接层12，所述包含上层流道结构的柔性聚合物层15包括：包含上层流道结构的双面胶结构层140和柔性聚合物层150，

所述芯片通过依次将所述微孔滤膜层13和包含主要流道结构的基片层11通过所述双面胶粘接层12粘接在一起，将所述柔性聚合物层150和微孔滤膜层13通过所述包含上层流道结构的双面胶结构层140粘接在一起，将所述柔性聚合物层150和包含主要流道结构的基片层11通过表面处理键合在一起制成。

可选地，如图7所示，为本发明另一实施例提供的微流控芯片的分层说明图，所述包含主要流道结构的基片层11包括：基片层118和包含主要流道结构的双面胶粘接层120，所述包含上层流道结构的柔性聚合物层15包括：包含上层流道结构的双面胶结构层140和柔性聚合物层150，

所述芯片通过依次将所述微孔滤膜层13和基片层118通过所述双面胶粘接层120粘接在一起，将所述柔性聚合物层150和微孔滤膜层13通过所述包含上层流道结构的双面胶结构层140粘接在一起，将所述柔性聚合物层150和基片层118通过表面处理键合在一起制成。

可选地，参看图8和图9，在本发明微流控芯片的另一实施例中，所述柔性聚合物层为聚二甲基硅氧烷(PDMS)的聚合物层，所述基片为有机玻璃透明聚合物或玻璃，所述微泵为环形蠕动泵或直线蠕动泵。

如图8所示，微泵设置为环形蠕动泵，即微泵区为有一缺口的环形沟道161。如图9所示，微泵设置为直线蠕动泵，即微泵区为一直线沟道162。

参看图10和18，本实施例公开一种基于前述实施例任一项所述的微流控芯片的全血血细胞分离系统，包括：

微流控芯片1、微泵驱动装置2、微阀驱动装置3、控制模块4和电源模块5；其中，

所述微泵驱动装置2，位于所述微流控芯片1的微泵区上方，用于为所述微流控芯片1的微泵提供驱动力；

所述微阀驱动装置3，位于所述微流控芯片1上方，用于打开和关闭所述微流控芯片1的相应微阀；

所述控制模块4，用于通过控制所述微泵驱动装置2控制所述微泵的转动方向、转动速度及通过控制所述微阀驱动装置3控制所述微阀的打开和关闭；

电源模块5，用于为所述微泵驱动装置2、微阀驱动装置3及控制模块4供电；

所述微阀驱动装置3包括四个下端面为平面或者球面的可直线运动的结构，所述微阀驱动装置3的四个可直线运动的结构分别对准所述微流控芯片1的一个通孔，

若所述微泵为环形蠕动泵，则所述微泵驱动装置2包括电机21、固连在电机上的轴套22、装于所述轴套22中的弹簧23和钢珠24(使用电机21、轴套22、弹簧23和钢珠24的分离系统如图16所示)，若所述微泵为直线蠕动泵，则所述微泵驱动装置2包括四个可直线运动的结构，所述可直线运动的结构为电磁铁或者能够输出直线位移的电机。

如图11所示，直线蠕动泵的微泵驱动装置2为4个可直线运动的结构25、26、27、28(使用可直线运动的结构25、26、27、28的分离系统如图17所示)；所述可直线运动的结构25、26、27、28为电磁铁或者能够输出直线位移的电机。而直线蠕动泵的微泵驱动装置还可以使用高压气体气动泵。微泵也可以为其他集成在芯片上的压力驱动泵。

如图12所示，微阀驱动装置为可直线运动的结构3，布置于微流控芯片的上方，可直线运动的机构3为电磁铁或者能够输出直线位移的电机。可直线运动的机构3下端为球面。

如图13所示，微阀驱动装置为可直线运动的结构3，布置于微流控芯片的上方，可直线运动的机构3为电磁铁或者能够输出直线位移的电机。可直线运动的机构3下端为平面，其形状与微阀形状近似。

如图14所示，为血细胞分离过程中错流过滤原理图，主流的流动方向和滤膜方向平行。

如图15所示，为血细胞分离过程中死端过滤原理图，主流的流动方向和滤膜方向垂直。

在使用如图2、图3、图8、图10、图12和图14所示的结构的如图16所示的全血血细胞分离系统的实施例1中，基片层11的厚度为0.2mm-30mm，环形沟道161的环形外径为8-30mm，沟道的宽度为0.05-5mm，深度为0.01-1mm。血液入口微阀112、缓冲液入口微阀113、目标细胞出口微阀114、废液出口微阀115和循环区微阀117的深度为0.01-1mm。各个微阀对应的电磁铁31、32、33、34、35的下端均为球面，其半径为0.5-10mm。目标细胞为白细胞时，微孔滤膜层13微孔的孔径为2μm-7μm，微孔滤膜层13孔隙率为1％-80％，微孔滤膜层13的厚度为5-500μm。柔性聚合物15的厚度为0.05-3mm。血液入口18、缓冲液入口19、目标细胞出口110和废液出口111形状任意，顺序可以任意排列。

在使用如图2、图4、图8、图10和图12所示的结构的如图16所示的全血血细胞分离系统的实施例2中，实施例2与实施例1的区别在于：在血细胞分离的过程中，从缓冲液入口19持续吸入缓冲液，目标细胞在芯片内循环流动，尺寸较小、变形性较大的红细胞和血浆通过微孔滤膜层13并由110出口排出，目标细胞最终由111出口排出或注入后续检测设备。

在使用如图2、图3、图8、图10、图12和图14所示的结构的如图16所示的全血血细胞分离系统的实施例3(目标细胞为循环肿瘤细胞CTCs)中，实施例3与实施例1的区别在于：微孔滤膜层13微孔的孔径为7μm-12μm，微孔滤膜层13孔隙率为1％-80％，微孔滤膜层13的厚度为5-500μm。其他结构与实施例1相同，在此不再赘述。

在使用如图2、图3、图9、图11和图12所示的结构的如图17所示的全血血细胞分离系统的实施例4中，实施例4与实施例1的区别在于：微泵采用直线蠕动泵；微泵驱动机构25、26、27、28按一定规律运动，挤压柔性聚合物层15，使微沟道中的液体向一个方向流动；微泵驱动机构25、26、27、28为电磁铁或者能够输出直线位移的电机。其他结构与实施例1相同，在此不再赘述。

在使用如图2、图3、图8、图10、图13和图14所示的结构的如图16所示的全血血细胞分离系统的实施例5中，实施例5与实施例1的区别在于：血液入口微阀112、缓冲液入口微阀113、目标细胞出口微阀114、废液出口微阀115和循环区微阀117为形状任意凹槽，深度为0.01-3mm。各个微阀对应的电磁铁31、32、33、34、35的下端均为平面，其形状与微阀形状近似。其他结构与实施例1相同，在此不再赘述。

本发明实施例所述的全血血细胞分离系统，所采用的微流控芯片利用蠕动微泵双向驱动的特点，可以快速改变芯片内流体的流动方向，将堵塞在滤膜微孔中的血细胞反向推出，有效避免多孔滤膜的堵塞；采用错流过滤和死端过滤相结合的方式对血细胞进行过滤，进一步减少滤膜的堵塞，可实现大量血样的分离；双向蠕动微泵集成在微流控芯片上，样品的输入输出无需外部流体驱动源，实现了系统的小型化和轻量化，为现场的快速、高通量血液分离提供了有效的手段。

如图19所示，本实施例公开一种前述实施例所述的全血血细胞分离系统的制作方法，包括：

S11、在基片层上制作微沟道，在柔性聚合物层上制作微沟道，将微孔滤膜层和基片层键合在一起，将柔性聚合物层和基片层键合在一起，形成微沟道系统；

S12、在柔性聚合物层上打孔，制作出血液入口、缓冲液入口、目标细胞出口和废液出口对应的通孔，形成微流控芯片；

S13、在微流控芯片的微泵区上方布置微泵驱动装置(一具体实施例中，微泵驱动装置的钢珠对准微泵区的环形沟道)；

S14、在微流控芯片上方布置四个可直线运动的结构，使每个可直线运动的结构分别对准一个通孔，其中，所述四个可直线运动的结构组成微阀驱动装置；

S15、在微流控芯片周围布置控制模块和电源模块，并将所述控制模块与所述微泵驱动装置和微阀驱动装置连接，将所述电源模块与所述微泵驱动装置、微阀驱动装置和控制模块连接。

本发明实施例所述的全血血细胞分离系统的制作方法，所制成的全血血细胞分离系统包含微流控芯片，利用微流控芯片的蠕动微泵双向驱动的特点，可以快速改变芯片内流体的流动方向，将堵塞在滤膜微孔中的血细胞反向推出，有效避免多孔滤膜的堵塞；采用错流过滤和死端过滤相结合的方式对血细胞进行过滤，进一步减少滤膜的堵塞，可实现大量血样的分离；双向蠕动微泵集成在微流控芯片上，样品的输入输出无需外部流体驱动源，实现了系统的小型化和轻量化，为现场的快速、高通量血液分离提供了有效的手段。

如图20所示，本实施例公开一种利用前述实施例所述的全血血细胞分离系统进行全血血细胞分离的方法，包括：

S21、通过控制模块关闭血液入口微阀、目标细胞出口微阀、循环区微阀，打开缓冲液入口微阀和废液出口微阀，控制微泵驱动装置驱动微泵正向转动，从而从缓冲液入口吸入缓冲液(为磷酸盐缓冲液，比如PBS缓冲液)，并使微流控芯片的沟道充满或者部分充满缓冲液；

S22、通过所述控制模块关闭缓冲液入口微阀，打开血液入口微阀，控制所述微泵驱动装置驱动所述微泵正向转动，从而从血液入口吸入一定量的全血样品(未稀释)；

S23、通过所述控制模块关闭血液入口微阀，打开缓冲液入口微阀，控制所述微泵驱动装置驱动所述微泵正向转动，从而从缓冲液入口吸入缓冲液，将全血样品推至过滤区进行过滤；

S24、过滤一段时间后，通过所述控制模块关闭缓冲液入口微阀和废液出口微阀，打开循环区微阀，控制所述微泵驱动装置驱动所述微泵反向转动，从而驱动微流控芯片的沟道内的流体反向流动，将堵塞在微孔滤膜层的微孔中的血细胞反向推出；

S25、通过所述控制模块控制所述微泵驱动装置驱动所述微泵正向转动，从而驱动微流控芯片的沟道内的流体在微流控芯片中循环过滤；

S26、通过所述控制模块关闭循环区微阀，打开缓冲液入口微阀和废液出口微阀，控制所述微泵驱动装置驱动所述微泵正向转动，从而从缓冲液入口吸入缓冲液，将剩余的红细胞和血浆从废液出口排出；

S27、重复执行步骤S24至S26若干次；

S28、通过所述控制模块关闭废液出口微阀，打开目标细胞出口微阀，控制所述微泵驱动装置驱动所述微泵正向转动，从而从缓冲液入口吸入缓冲液，将分离好的血细胞从目标细胞出口推出，收集分离好的目标细胞。

在工作过程中，微泵驱动装置2的电机21和轴套22一起向微流控芯片1运动，轴套22内部的钢珠24压紧环形沟道161；接通电磁铁31、33、35以关闭血液入口微阀112、目标细胞出口微阀114、循环区微阀117，打开缓冲液入口微阀113和废液出口微阀115，电机21带动轴套22正向转动，在微泵的抽吸作用下从缓冲液入口19吸入缓冲液，并充满微沟道；关闭缓冲液入口微阀113，打开血液入口微阀112，微泵驱动装置2带动微泵从血液入口18吸入一定量的血液样品；关闭血液入口微阀112，打开缓冲液入口微阀113，微泵继续从缓冲液入口19吸入缓冲液，将血液样品推至过滤区17，在该区域尺寸较大的目标细胞被微孔滤膜层13阻拦，并聚集于目标细胞出口微阀114的上游，红细胞和血浆通过微孔滤膜层13，由废液出口111流出；过滤一段时间后，关闭缓冲液入口微阀113、废液出口微阀115，打开循环区微阀117，控制微泵驱动装置2的电机21反向转动，电机21同时带动轴套22和轴套内部的钢珠24反向转动，驱动微流控芯片1沟道内的流体反向流动，将堵塞在微孔滤膜层13微孔中的血细胞反向推出，有效避免了微孔滤膜层13的堵塞；不改变各个微阀的开闭状态，控制电机21正转，微泵驱动血液样品在芯片中循环过滤，样品依次经过微泵区16、过滤区17、循环区116及其相互连接的沟道，如此循环，该过程无需引入额外缓冲液；关闭循环区微阀117，打开缓冲液入口微阀113和废液出口微阀115，控制电机21正转，继续从缓冲液入口19吸入缓冲液，将剩余的红细胞和血浆从废液出口111排出；将反向冲洗、循环过滤和清洗过程重复几次，进一步提升血细胞分离效果；8、关闭废液出口微阀115，打开目标细胞出口微阀114，控制电机21以较慢的速度正转，继续从缓冲液入口19吸入缓冲液，将分离好的血细胞从目标细胞出口110推出，收集分离好的目标细胞。

本发明实施例所述的进行全血血细胞分离的方法，所使用的全血血细胞分离系统包含微流控芯片，利用微流控芯片的蠕动微泵双向驱动的特点，可以快速改变芯片内流体的流动方向，将堵塞在滤膜微孔中的血细胞反向推出，有效避免多孔滤膜的堵塞；采用错流过滤和死端过滤相结合的方式对血细胞进行过滤，进一步减少滤膜的堵塞，可实现大量血样的分离；双向蠕动微泵集成在微流控芯片上，样品的输入输出无需外部流体驱动源，实现了系统的小型化和轻量化；在循环过滤的过程中，无需引入额外缓冲液，减少了缓冲液的消耗；通过控制微泵的运转和微阀的开闭，全自动地实现进样、细胞分离、目标细胞输出等工作；集成微泵/阀结构的分离芯片一次性使用，避免了交叉污染的风险，为现场的快速、高通量血液分离提供了有效的手段。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种微流控芯片，其特征在于，所述芯片由微孔滤膜层、包含主要流道结构的基片层和包含上层流道结构的柔性聚合物层组成，通过将所述包含主要流道结构的基片层先后与所述微孔滤膜层和包含上层流道结构的柔性聚合物层键合制成，并在内部形成微沟道系统；其中，

所述微沟道系统包括：微泵区、循环区、第一沟道、第二沟道、第三沟道，以及由主要流道结构、微孔滤膜层和上层流道结构形成的过滤区，所述过滤区的两层通道中一层通道的末端连接所述第一沟道，另一层通道的末端连接所述第二沟道，所述第二沟道与循环区连通，所述循环区与微泵区通过沟道连接，所述第三沟道与连接所述循环区和微泵区的沟道连通，所述微泵区与过滤区通过沟道连接，所述第一沟道的末端设置有第一出口以及与该第一出口相对应的第一出口微阀，所述第二沟道的末端设置有第二出口以及与该第二出口相对应的第二出口微阀，所述第一出口和第二出口中一个出口为目标细胞出口，另一个出口为废液出口，所述第三沟道的末端设置有血液入口、缓冲液入口以及与该血液入口相对应的血液入口微阀和与该缓冲液入口相对应的缓冲液入口微阀，所述循环区与第二沟道的连通处设置有循环区微阀，在所述包含上层流道结构的柔性聚合物层中贯穿所述包含上层流道结构的柔性聚合物层对应所述血液入口、缓冲液入口、目标细胞出口和废液出口分别设置有第一通孔、第二通孔、第三通孔和第四通孔，所述第一通孔、第二通孔、第三通孔和第四通孔为垂直通孔，所述第一通孔和第二通孔分别通过所述血液入口和缓冲液入口与第三沟道连接，所述第三通孔和第四通孔分别通过所述目标细胞出口和废液出口分别与所述目标细胞出口对应的沟道和废液出口对应的沟道连接，所述微泵区设置有双向蠕动微泵。

2.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述过滤区的上层通道的末端连接所述第一沟道，下层通道的末端连接所述第二沟道，所述第一出口为目标细胞出口，第一出口微阀为目标细胞出口微阀，所述第三通孔和第四通孔分别通过所述目标细胞出口和废液出口分别与所述第一沟道和第二沟道连接。

3.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述过滤区的上层通道的末端连接所述第二沟道，下层通道的末端连接所述第一沟道，所述第一出口为废液出口，第一出口微阀为废液出口微阀，所述第三通孔和第四通孔分别通过所述目标细胞出口和废液出口分别与所述第二沟道和第一沟道连接。

4.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述包含上层流道结构的柔性聚合物层包括：

包含上层流道结构的双面胶结构层和柔性聚合物层，所述芯片通过依次将所述微孔滤膜层和包含主要流道结构的基片层通过热压键合在一起，将所述柔性聚合物层和微孔滤膜层通过所述包含上层流道结构的双面胶结构层粘接在一起，将所述柔性聚合物层和包含主要流道结构的基片层通过表面处理键合在一起制成。

5.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述芯片还包括：双面胶粘接层，所述包含上层流道结构的柔性聚合物层包括：包含上层流道结构的双面胶结构层和柔性聚合物层，

所述芯片通过依次将所述微孔滤膜层和包含主要流道结构的基片层通过所述双面胶粘接层粘接在一起，将所述柔性聚合物层和微孔滤膜层通过所述包含上层流道结构的双面胶结构层粘接在一起，将所述柔性聚合物层和包含主要流道结构的基片层通过表面处理键合在一起制成。

6.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述包含主要流道结构的基片层包括：基片层和包含主要流道结构的双面胶粘接层，所述包含上层流道结构的柔性聚合物层包括：包含上层流道结构的双面胶结构层和柔性聚合物层，

所述芯片通过依次将所述微孔滤膜层和基片层通过所述双面胶粘接层粘接在一起，将所述柔性聚合物层和微孔滤膜层通过所述包含上层流道结构的双面胶结构层粘接在一起，将所述柔性聚合物层和基片层通过表面处理键合在一起制成。

7.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述柔性聚合物层为聚二甲基硅氧烷的聚合物层，所述基片为有机玻璃透明聚合物或玻璃，所述微泵为环形蠕动泵或直线蠕动泵。

8.一种基于权利要求1所述的微流控芯片的全血血细胞分离系统，其特征在于，包括：

微流控芯片、微泵驱动装置、微阀驱动装置、控制模块和电源模块；其中，

所述微泵驱动装置，位于所述微流控芯片的微泵区上方，用于为所述微流控芯片的微泵提供驱动力；

所述微阀驱动装置，位于所述微流控芯片上方，用于打开和关闭所述微流控芯片的相应微阀；

所述控制模块，用于通过控制所述微泵驱动装置控制所述微泵的转动方向、转动速度及通过控制所述微阀驱动装置控制所述微阀的打开和关闭；

电源模块，用于为所述微泵驱动装置、微阀驱动装置及控制模块供电；

所述微阀驱动装置包括四个下端面为平面或者球面的可直线运动的结构，所述微阀驱动装置的四个可直线运动的结构分别对准所述微流控芯片的一个通孔，

若所述微泵为环形蠕动泵，则所述微泵驱动装置包括电机、固连在电机上的轴套、装于所述轴套中的弹簧和钢珠，若所述微泵为直线蠕动泵，则所述微泵驱动装置包括四个可直线运动的结构，所述可直线运动的结构为电磁铁或者能够输出直线位移的电机。

9.一种如权利要求8所述的全血血细胞分离系统的制作方法，其特征在于，包括：

S11、在基片层上制作微沟道，在柔性聚合物层上制作微沟道，将微孔滤膜层和基片层键合在一起，将柔性聚合物层和基片层键合在一起，形成微沟道系统；

S12、在柔性聚合物层上打孔，制作出血液入口、缓冲液入口、目标细胞出口和废液出口对应的通孔，形成微流控芯片；

S13、在微流控芯片的微泵区上方布置微泵驱动装置；

S14、在微流控芯片上方布置四个可直线运动的结构，使每个可直线运动的结构分别对准一个通孔，其中，所述四个可直线运动的结构组成微阀驱动装置；

S15、在微流控芯片周围布置控制模块和电源模块，并将所述控制模块与所述微泵驱动装置和微阀驱动装置连接，将所述电源模块与所述微泵驱动装置、微阀驱动装置和控制模块连接。

10.一种利用如权利要求8所述的全血血细胞分离系统进行全血血细胞分离的方法，其特征在于，包括：

S21、通过控制模块关闭血液入口微阀、目标细胞出口微阀、循环区微阀，打开缓冲液入口微阀和废液出口微阀，控制微泵驱动装置驱动微泵正向转动，从而从缓冲液入口吸入缓冲液，并使微流控芯片的沟道充满或者部分充满缓冲液；

S22、通过所述控制模块关闭缓冲液入口微阀，打开血液入口微阀，控制所述微泵驱动装置驱动所述微泵正向转动，从而从血液入口吸入一定量的全血样品；

S23、通过所述控制模块关闭血液入口微阀，打开缓冲液入口微阀，控制所述微泵驱动装置驱动所述微泵正向转动，从而从缓冲液入口吸入缓冲液，将全血样品推至过滤区进行过滤；

S24、过滤一段时间后，通过所述控制模块关闭缓冲液入口微阀和废液出口微阀，打开循环区微阀，控制所述微泵驱动装置驱动所述微泵反向转动，从而驱动微流控芯片的沟道内的流体反向流动，将堵塞在微孔滤膜层的微孔中的血细胞反向推出；

S25、通过所述控制模块控制所述微泵驱动装置驱动所述微泵正向转动，从而驱动微流控芯片的沟道内的流体在微流控芯片中循环过滤；

S26、通过所述控制模块关闭循环区微阀，打开缓冲液入口微阀和废液出口微阀，控制所述微泵驱动装置驱动所述微泵正向转动，从而从缓冲液入口吸入缓冲液，将剩余的红细胞和血浆从废液出口排出；

S27、重复执行步骤S24至S26若干次；

S28、通过所述控制模块关闭废液出口微阀，打开目标细胞出口微阀，控制所述微泵驱动装置驱动所述微泵正向转动，从而从缓冲液入口吸入缓冲液，将分离好的血细胞从目标细胞出口推出，收集分离好的目标细胞。