CN106190779B - 基于微流控芯片的单细胞分离和包封装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种基于微流控芯片的单细胞分离和包封装置和方法，该装置包括依次连通的单细胞连续流单元、缓冲液分离单元和液滴包裹单元，所述单细胞连续流单元将细胞溶液形成均一的稳定的单细胞流，包括细胞溶液管道、缓冲液管道和分离管道，所述细胞溶液管道和缓冲液管道分别连通于所述分离管道的一端；所述缓冲液分离单元包括分别连通于所述分离管道另一端的缓冲液排放管道和单细胞稳态管道；所述液滴包裹单元包括包裹液体入口管道，该包裹液管道与所述单细胞稳态管道相交。本发明芯片的优点在于：高度集成；包裹效率高；灵活性强。

Description

基于微流控芯片的单细胞分离和包封装置和方法
技术领域
本申请属于微流控技术领域，涉及单细胞分离和包封技术，特别是涉及一种基于微流控芯片的单细胞分离和包封装置和方法。
背景技术
单细胞的研究在重大疾病早期诊断，治疗，药物筛选和细胞生理、病理过程的研究方面具有重要意义。随着分子水平分析检测技术等领域的研究取得突破性进展，基于单细胞水平的研究越来越受到重视并成为一种研究趋势。
微液滴可以作为独立的微反应器的特性受到广泛关注，因此利用微液滴包裹单细胞，在独立的液滴内部对细胞进行一些列的单元操作，并进行分析检测，是目前的研究热点。然而由于细胞和液滴的尺寸小，理化性质不稳定，尤其是细胞容易发生团聚，想要获得稳定的液滴包裹细胞异常困难。本发明采用微流控芯片的方式，通过改变管路的设计，实现了细胞的分离和包封，实现了高效高成功率的液滴包裹细胞单元操作。
发明内容
本发明的目的在于提供一种成本低、简单实用的基于微流控芯片的单细胞分离和包封装置和方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本申请实施例公开一种基于微流控芯片的单细胞分离和包封装置，包括依次连通的单细胞连续流单元、缓冲液分离单元和液滴包裹单元，
所述单细胞连续流单元将细胞溶液形成均一的稳定的单细胞流，包括细胞溶液管道、缓冲液管道和分离管道，所述细胞溶液管道和缓冲液管道分别连通于所述分离管道的一端；
所述缓冲液分离单元包括分别连通于所述分离管道另一端的缓冲液排放管道和单细胞稳态管道；
所述液滴包裹单元包括包裹液体入口管道，该包裹液管道与所述单细胞稳态管道相交。
优选的，在上述的基于微流控芯片的单细胞分离和包封装置中，所述细胞溶液管道的直径为3-6倍的细胞当量直径。
优选的，在上述的基于微流控芯片的单细胞分离和包封装置中，所述缓冲液管道和分离管道的直径为4-8倍的细胞当量直径。
优选的，在上述的基于微流控芯片的单细胞分离和包封装置中，所述单细胞稳态管道的直径为2-4倍的细胞当量直径。
优选的，在上述的基于微流控芯片的单细胞分离和包封装置中，所述缓冲液排放管道的直径为0.8-2倍的细胞当量直径。
优选的，在上述的基于微流控芯片的单细胞分离和包封装置中，所述包裹液体入口管道的直径为3-8倍的细胞当量直径。
相应的，本申请还公开了一种基于微流控芯片的单细胞分离和包封方法，包括：
(1)、采用所述的单细胞分离和包封装置，细胞溶液管道和缓冲液管道分别外接细胞溶液和缓冲溶液，调节两相溶液的流速比，使缓冲溶液和细胞溶液在细胞溶液管道和缓冲液管道交口处发生湍流，使得团聚或者沉降的细胞分开，随着细胞液向管路下游流动，细胞沿分离管道上壁流动，并进入缓冲液分离单元；
(2)、细胞在缓冲液排放管道和单细胞稳态管道的交口处进入细胞稳态管道，部分缓冲液进入到缓冲液排放管道；
(3)、包裹液管道内通入油相包裹液，通过剪切力作用形成包裹细胞的独立液滴，通过调节包裹液体流速调控液滴形成速率和直径。
优选的，在上述的基于微流控芯片的单细胞分离和包封方法中，所述步骤(1)中，采用磁力搅拌或振荡方法保持细胞液浓度均一。
优选的，在上述的基于微流控芯片的单细胞分离和包封方法中，所述缓冲溶液为PBS。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)、高度集成。将细胞分离和液滴形成，甚至其他后续操作(细胞裂解、核酸扩增等)全部集成与一个厘米见方的微流控芯片上，高度集成，便于携带。
(2)、包裹效率高。通过引入缓冲液分离单元等结构，提高了细胞包裹效率，避免了资源浪费。
(3)、灵活性强。芯片上的稳定细胞流、缓冲液分离、细胞包裹结构都可以采用其他的经典结构，以此达到不同的包裹效率等。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1所示为本发明具体实施例中微流控芯片的结构示意图。
具体实施方式
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详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅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的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。
结合图1所示，简单快捷实现液滴包裹单细胞的微流控芯片体系主要包括了单细胞连续流单元100、缓冲液分离单元200、液滴包裹单元300。
微流控芯片需要配备注射泵、恒压泵、或者蠕动泵等作为动力系统，动力系统作用是将细胞溶液、缓冲液或者包裹液注入到芯片中。
单细胞连续流单元100功能是将浓度较高的细胞液形成均一的稳定的单细胞流。
单细胞连续流单元100包括细胞溶液管道101、缓冲液管道102和分离管道103，细胞溶液管道101和缓冲液管道102分别连通于所述分离管道103的一端。
细胞溶液管道101入口外接细胞溶液，为了保持细胞液浓度均一，可以采用磁力搅拌和振荡等方法，然后芯片和细胞液容器之间需要管路连接，不可避免的会发生细胞沉降或者团聚。
缓冲液管道102入口通入PBS等缓冲溶液，通过调节两相溶液的流速比，使缓冲液和细胞液在分离管道交口104处发生湍流，从而使得团聚或者沉降的细胞分开，随着细胞液向管路下游流动，溶液整体趋于稳定，通过流体力学可知，细胞倾向于在分离管道上壁1031附近流动。
优选的，细胞溶液管道101直径在3-6Dc(细胞当量直径)，缓冲液管道102直径为4-8Dc，该直径保持到分液管道交口不变。两相液体流速根据细胞直径和粘附性、以及目标细胞浓度而决定。其中分离管道交口形状除了图1中所采用的T型结构，还可以是十字交叉、Y型、或者螺旋形等通过流体力学方式产生稳定颗粒流动的结构。
缓冲液分离单元200是为了去除多余的缓冲液，避免细胞流中细胞和细胞之间的间距过大，保证液滴包裹细胞的成功率。
缓冲液分离单元200包括分别连通于分离管道103另一端的缓冲液排放管道201和单细胞稳态管道202。
流体力学可知，细胞倾向于在分离管道上壁1031处流动，因此在分液管道交口处设置两个分支，细胞会在交口处进入细胞稳态管道202，部分缓冲液进入到缓冲液排放管道201。
优选的，单细胞稳态管道当量直径在2-4Dc，缓冲液排放管道当量直径在0.8-2Dc，缓冲液排放管道直径取决于目前细胞液浓度，如有必要可以通过闭合出口或者增加流阻的方式，减少缓冲液的排放，从而调节细胞浓度。如果要求细胞浓度较高，还可以通过串联缓冲液分离单元的方式实现。
液滴包裹单元300采用传统的T型结构，包裹液体入口管道301，该包裹液管道301与单细胞稳态管道202相交。
包裹液是和缓冲液性质差别较大的油相(二者界面张力较大)，通过剪切力等作用，形成包裹细胞的独立液滴。
优选的，包裹液管道301当量直径在3-8Dc。通过调节包裹液体流速调控液滴形成速率和直径。最终包裹细胞的液滴在收集口302进行收集，可以进行下一步的单元操作和相关检测。液滴形成结构还可以是十字交叉或者Y型结构，采用不同的结构，可以实现不同的细胞包裹速率。
液滴包裹细胞收集口302可以连接其他的功能单元，比如细胞裂解、核酸扩增、光学检测等单元，实现单细胞的一系列单元操作。
整体芯片材质可以是玻璃或者透明工程塑料材质，加工方法可以是湿法刻蚀、数控CNC或者开模注塑等方法，要求管路表面粗糙程度较小，避免发生细胞挂壁现象。管路的截面圆形或者椭圆最佳，避免方形管路产生的死体积等问题。
利用上述芯片进行单细胞分离和包封的方法包括：
细胞液入口处通过外接动力设备，将细胞液注入到芯片管路中，同时通过动力设备将缓冲注入到缓冲液液入口，两种液体在T型分离管道交口处碰撞，通过调节流速，形成类似湍流现象，从而使团聚的细胞发生分离，在向管路下游流动过程中，逐步形成稳定的细胞流。由于细胞倾向于沿分析管道上壁流动，在缓冲液分离单元处增加了Y型缓冲液分离单元，去除多余的缓冲液。最终稳定的单细胞流在液滴包裹单元处形成稳定的液滴包裹单细胞产物。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

Claims (9)

1.一种基于微流控芯片的单细胞分离和包封装置，其特征在于，包括依次连通的单细胞连续流单元、缓冲液分离单元和液滴包裹单元，
所述单细胞连续流单元将细胞溶液形成均一的稳定的单细胞流，包括细胞溶液管道、缓冲液管道和分离管道，所述细胞溶液管道和缓冲液管道分别连通于所述分离管道的一端；
所述缓冲液分离单元包括分别连通于所述分离管道另一端的缓冲液排放管道和单细胞稳态管道，缓冲液和细胞液在分离管道交口处发生湍流，使得团聚或者沉降的细胞分开后，随着细胞液向管路下游流动，细胞倾向于在分离管道上壁处流动，因此，设置Y型分别与分离管道上壁连接的单细胞稳态管道和与分离管道下壁连接的缓冲液排放管道，使细胞在交口处进入细胞稳态管道，部分缓冲液进入到缓冲液排放管道；
所述液滴包裹单元包括包裹液体入口管道，该包裹液管道与所述单细胞稳态管道相交，
还包括将细胞溶液、缓冲液或者包裹液注入到芯片中的动力系统。
2.根据权利要求1所述的基于微流控芯片的单细胞分离和包封装置，其特征在于：所述细胞溶液管道的直径为3～6倍的细胞当量直径。
3.根据权利要求1所述的基于微流控芯片的单细胞分离和包封装置，其特征在于：所述缓冲液管道和分离管道的直径为4～8倍的细胞当量直径。
4.根据权利要求1所述的基于微流控芯片的单细胞分离和包封装置，其特征在于：所述单细胞稳态管道的直径为2～4倍的细胞当量直径。
5.根据权利要求1所述的基于微流控芯片的单细胞分离和包封装置，其特征在于：所述缓冲液排放管道的直径为0.8～2倍的细胞当量直径。
6.根据权利要求1所述的基于微流控芯片的单细胞分离和包封装置，其特征在于：所述包裹液体入口管道的直径为3～8倍的细胞当量直径。
7.一种基于微流控芯片的单细胞分离和包封方法，其特征在于，包括：
(1)、采用权利要求1至6任一所述的单细胞分离和包封装置，细胞溶液管道和缓冲液管道分别外接细胞溶液和缓冲溶液，调节两相溶液的流速比，使缓冲溶液和细胞溶液在细胞溶液管道和缓冲液管道交口处发生湍流，使得团聚或者沉降的细胞分开，随着细胞液向管路下游流动，细胞沿分离管道上壁流动，并进入缓冲液分离单元；
(2)、细胞在缓冲液排放管道和单细胞稳态管道的交口处进入细胞稳态管道，部分缓冲液进入到缓冲液排放管道；
(3)、包裹液管道内通入油相包裹液，通过剪切力作用形成包裹细胞的独立液滴，通过调节包裹液体流速调控液滴形成速率和直径。
8.根据权利要求7所述的基于微流控芯片的单细胞分离和包封方法，其特征在于：所述步骤(1)中，采用磁力搅拌或振荡方法保持细胞液浓度均一。
9.根据权利要求7所述的基于微流控芯片的单细胞分离和包封方法，其特征在于：所述缓冲溶液为PBS。
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