CN106434302A - 一种便携式无动力源的微流控细胞分离芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式无动力源的微流控细胞分离芯片，其包括基底和盖在基底上的盖片，基底上从输入端至输出端依次包括输入口、导流区、分离区以及收集口，输入口用于滴加待分离细胞的体液，导流区用于将待分离细胞的体液引导至分离区，分离区用于分离细胞，收集口用于收集所述分离区分离出的细胞，导流区和分离区上设置有多个规则排布地柱状凸起，柱状凸起的高度为15μm～50μm，柱状凸起的直径大小为10μm～50μm，导流区的柱状凸起间的间隔距离为15μm～25μm，分离区的柱状凸起间的间隔距离为2μm～15μm。本发明细胞分离芯片通过毛细作用力提供动力，无需动力源，携带方便，制作方便，易于操作使用。

Description

一种便携式无动力源的微流控细胞分离芯片

技术领域

本发明属于微流控芯片领域，具体涉及一种基于过滤法的无动力源细胞分离芯片。

背景技术

近几十年来，微流控技术在分析化学、生物检测、临床医疗等应用领域发展迅速，并且取代了部分传统的应用方法。譬如，传统的细胞分析和分选一般是利用流式细胞术，此技术速度快、精度高、准确性好，但是需要复杂、昂贵的设备，检测周期长，只适合应用于大型医院和实验室。

微流控利用集成化、微型化的微流控芯片，只需要少量的样品，即可在短时间内快速地对样品进行检测、分析。相比于传统的方法，整个过程更加快速高效并且绿色环保。

目前，在用于细胞分离的微流控技术中，根据分离机理的不同，可将各种细胞分离方法分为主动式和被动式分离。其中，主动式的细胞分离方法是通过对不同细胞本身所带的特征信号进行采集，然后借助外场力对细胞进行驱动分离，这样就不可避免的对细胞活性、生物学形状和功能产生影响。而被动式分离法通过通道几何形状或流体内部固有的作用力进行分离，没有引入外场力对细胞进行作用，更加温和，对细胞的损伤较小，细胞存活率高，并且分离过程中不需要昂贵设备、试剂，成本低。对于临床医疗诊断，被动式分离方法明显更有优势。

在被动式分离法中，过滤法是目前使用最多，同时亦是最为简单的一种细胞分离方法。该方法需要在微流控芯片中引入微结构功能单元，如一定尺寸的微孔或一定间隔的微柱。根据目前细胞的物理形态(尺寸、可变形性等)，通过调整微结构功能单元的孔径大小或微柱间隔大小，来限制不同细胞的流动(小细胞可以顺利流过微结构单元，而大细胞则被捕获)，从而实现对目标细胞的分离与收集。

有学者(Ki-Hwan Nam,Wang Yong,Tricia Harvat,Adeola Adewola,ShesunWang,Jose Oberholzer and David T.Eddington.Size-based separation andcollection of mouse pancreatic islets for functional analysis[J].Biomedicalmicrodevices,2010,12(5):865-874.)公开了一种基于过滤的多层微通道，这个微通道包含了三个不同高度的连续收缩通道，且高度沿着溶液流动方向依次递减，分别为7μm、3μm、0.8μm，用以分离直径分别为10μm、4.5μm、2μm的颗粒。当颗粒直径大于收缩通道的高度时，颗粒被挡住并在收缩通道处富集，而尺寸小于收缩通道高度的颗粒则顺利流过通道，流向下一个收缩区域。基于上述原理，一种完全只依靠溶液重力驱使其流动的过滤通道也被设计并制造出来。该过滤通道含有五层收缩结构，最后通过将微通道横向旋转90度，从侧边的出口处收集实验过程中富集在收缩部位的颗粒或细菌，能实现五种大小不同颗粒的分离。

有学者(Sarah M.McFaul,Bill K.Lin and Hongshen Ma.Cell separationbased on size and deformability using microfluidic funnel ratchets[J].Lab ona chip,2012,12(13):2369-2376.)公开一种综合细胞尺寸和可变形性的过滤芯片，该芯片包含的微结构是有12行，且每行有128个漏斗状障碍物组成的二维阵列，同一行的漏斗状障碍物之间的孔距相同，但每一行相比于下面一行的孔距都要小1μm，由此来保证过滤效果。漏斗状锥体可以保证细胞能够在发生变形的情况下通过微孔，在反向流下能保持在漏斗状障碍物口而难以原路返回。相比于传统的过滤，这种芯片引入的振荡流能有效地避免普遍存在的通道堵塞问题。

上述的方法都能实现高效的颗粒分离和细胞分离，但是都需要额外提供动力源以驱动样品流动，不适合远离医院的偏远地区的应用。

因此，需要开发出一种新型的、易于便携式、易操作的、无动力源的细胞分离设备，能适用于临床医疗快速检验。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种便携式无动力源的微流控细胞分离芯片，其目的在于，通过在基底上设置多个规则排列的柱状凸起，使柱状凸起间形成体液流通的微流道，设计微流道的大小从而能进行细胞分离，本发明通过流体的毛细作用力提供动力，无需额外动力源，携带方便。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种便携式无动力源的微流控细胞分离芯片，其包括基底和盖片，所述基底上从输入端至输出端依次包括输入口、导流区、分离区以及收集口，其中，

所述输入口用于滴加待分离细胞的体液，所述导流区用于将待分离细胞的体液引导至分离区，所述分离区用于分离细胞，所述收集口用于收集过滤掉所述分离区的细胞的体液，

所述导流区和所述分离区上设置有多个规则排布地柱状凸起，所述柱状凸起的高度为15μm～50μm，所述柱状凸起的直径大小为10μm～50μm，所述导流区的柱状凸起间的间隔距离为15μm～25μm，所述分离区的柱状凸起间的间隔距离为2μm～15μm。

本发明微流控芯片是基于过滤法进行细胞分离的，在微流道内有大量的柱状凸起或者称为微柱结构，柱状凸起规则排列，形成体液流通的微流道，这些微柱的间隙随着体液流动的方向依次减小以分别过滤不同尺寸的细胞，由于整个微流道的道壁是由亲水材料构成以及流体的表面张力作用，流体在微流道内可以形成毛细管流，使体液在没有外加动力源的情况下就可以形成特定方向的流动，体液流过不同大小的微流道，最后可以收集到只含有特定尺寸的细胞。

进一步的，所述柱状凸起和所述基底均为亲水材料。

进一步的，所述亲水材料为表面经过亲水处理的聚二甲基硅氧烷。

进一步的，所述导流区至所述分离区的柱状凸起间的间隔距离从20μm至2μm递减。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、在基底上设置多个规则排列的柱状凸起，柱状凸起形成微流道，利用微流道间形成的毛细作用力，使血液能够在微流道内自导流，减少了外加动力源及其附属设备，从而使整个装置简单便携，适合医疗设备资源匮乏的地区。

2、基于细胞尺寸，灵活设置柱状凸起间的间隔，以过滤法进行细胞分离，可方便的分离出所需尺寸的细胞，无需引入额外的鞘流保护流，减少了体液样品尤其是血流样品被鞘流的稀释。

3、本发明分离芯片的整个微流道为平面二维结构，加工制造方便，适合大批量制造，其制造成本低。

附图说明

图1是本发明实施例中一种便携式无动力源的微流控细胞分离芯片的侧视图；

图2是图1中细胞分离芯片的俯视图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-输入口 2-导流区 3-分离区

4-收集口 5-柱状凸起 6-微流道

7-基底 8-盖片

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是本发明实施例中一种便携式无动力源的微流控细胞分离芯片的侧视图；图2是图1中细胞分离芯片的俯视图，结合两图可知，本发明的便携式无动力源的微流控细胞分离芯片包括基底7和盖片8，整个基底7结构从输入端至收集端分为输入口1、导流区2、分离区3和收集口4四个部分。盖片8的作用为减少流体挥发造成样品损失。

其中，所述输入口1用于滴加待分离细胞的体液，所述导流区2用于将待分离细胞的体液引导至分离区，所述分离区3用于分离细胞，所述收集口4用于收集所述分离区分离出的细胞。导流区2和分离区3占据了芯片基底的绝大部分，导流区2和分离区3分布有大量的微柱结构或者称为柱状凸起5。

多个地柱状凸起5规则排布，柱状凸起间形成体液流通的微流道6，所述柱状凸起5的高度为15μm～50μm，所述柱状凸起的直径大小为10μm～50μm，所述导流区的柱状凸起间的间隔距离为25μm～15μm，所述分离区的柱状凸起间的间隔距离为2μm～15μm。

在本发明的一个实施例中，所述柱状凸起和所述基底均为亲水材料，亲水材料为表面经过亲水处理的聚二甲基硅氧烷。从靠近输入端到收集区，所述导流区至所述分离区的柱状凸起间的间隔距离从20μm至2μm递减，可达到依次分离出不同尺寸的颗粒或者细胞。

本发明细胞分离芯片的使用过程如下：

将样品或者待分离细胞的体液流滴入输入口1，由于表面张力形成的毛细现象，样品或者体液流经导流区2被引入到分离区3，尺寸大于微柱(微柱又被称为柱状凸起或者柱状结构)间隔的细胞将被过滤掉，尺寸小于微柱间隔的细胞将可以通过，最后在收集口可以收集到特定尺寸的细胞。

本发明的细胞分离芯片通过流体的毛细作用力，无需添加额外的动力源，即可实现可靠有效地细胞分离，本发明的分离芯片适用于临床医疗，并且由于其为平面二维结构，比较适合大批量生产。

本发明芯片可以通过多种加工方法进行加工制造，包括但不仅限于以下的加工方法：通过软刻蚀技术在硅片上用光刻胶加工出微流控芯片模板；将液态未固化的聚二甲基硅氧烷(PDMS)倒在模板上，然后进行固化；将固化的PDMS从模板上揭下来，打孔并裁成特定的形状；将带有流道的PDMS和玻璃片键合在一起。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种便携式无动力源的微流控细胞分离芯片，其特征在于，其包括基底和盖在基底上的盖片，所述基底上从输入端至输出端依次包括输入口、导流区、分离区以及收集口，其中，

所述输入口用于滴加待分离细胞的体液，所述导流区用于将待分离细胞的体液引导至分离区，所述分离区用于分离细胞，所述收集口用于收集所述分离区分离出的细胞，

所述导流区和所述分离区上设置有多个规则排布地柱状凸起，所述柱状凸起的高度为15μm～50μm，所述柱状凸起的直径大小为10μm～50μm，所述导流区的柱状凸起间的间隔距离为15μm～25μm，所述分离区的柱状凸起间的间隔距离为2μm～15μm。

2.如权利要求1所述的一种便携式无动力源的微流控细胞分离芯片，其特征在于，所述柱状凸起和所述基底均为亲水材料。

3.如权利要求2所述的一种便携式无动力源的微流控细胞分离芯片，其特征在于，所述亲水材料为表面经过亲水处理的聚二甲基硅氧烷。

4.如权利要求3所述的一种便携式无动力源的微流控细胞分离芯片，其特征在于，所述导流区至所述分离区的柱状凸起间的间隔距离从25μm至2μm递减。