CN107881105B - 一种基于磁场的循环肿瘤细胞分离装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于磁场的循环肿瘤细胞分离装置，包括上盖板和基底板，基底板的上表面和上盖板的下表面加工有放置磁铁的凹槽Ⅰ和凹槽Ⅱ，通过磁铁产生的磁场作用，以生物相容性的磁流体作为循环肿瘤细胞、红细胞和白细胞的媒介溶液，实现在微通道中细胞的高效分离，本发明的分离装置结构简单，无需昂贵的外部系统作为辅助，分离装置内施加的磁场灵活可控、不产生热量，有利于保证细胞的活性。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于磁场的循环肿瘤细胞分离装置，可用于分离人类血液中的肿瘤细胞，属于生物细胞操控领域。
背景技术
循环肿瘤细胞是指从原发肿瘤细胞脱落进入外周血液循环系统中的肿瘤细胞，其是一种最具临床转化潜力的标志物。循环肿瘤细胞的扩散标志着肿瘤细胞的转移，从而可能导致更多的身体组织产生病变，使患者病情的加重。因此，从人类血液中分离出循环肿瘤细胞并对其做进一步的研究是非常重要的。
使用外部力场来分离出循环肿瘤细胞的技术已被广泛研究，典型的例子有：基于光学的、介电泳的和声学的细胞分离技术。对于利用光来分离细胞的技术，虽然能捕获单个细胞，但是对光学环境要求较高，并且会产生焦耳热；利用介电泳的细胞分离技术，在实现对细胞高产量操控的同时，其离子浓度和表面电位可能会损坏细胞；而利用声学的细胞分离技术，也因其较低的分辨率，有一定局限性。以上三种典型的例子都需要昂贵的外部系统作为辅助，并且会对细胞活性造成损伤。因此，寻求更好的细胞分离技术以保证细胞的活性将是一大难点。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种能有效分离循环肿瘤细胞且保持细胞活性的基于磁场的分离装置。
本发明基于磁场的循环肿瘤细胞分离装置，包括上盖板、基底板，基底板的上表面加工有放置磁铁的凹槽Ⅰ，凹槽Ⅰ的形状与磁铁的形状相同，凹槽Ⅰ的深度为磁铁厚度的一半，上盖板的下表面上设有与基底板相同的凹槽Ⅱ，磁铁置于上盖板的凹槽Ⅰ和基底板的凹槽Ⅱ中，基底板的上表面加工有微通道Ⅰ、微通道Ⅱ和微通道Ⅲ，微通道Ⅰ、微通道Ⅱ和微通道Ⅲ相互连通，微通道Ⅱ位于微通道Ⅰ和微通道Ⅲ之间，微通道Ⅱ与微通道Ⅰ的连通处或位于微通道Ⅱ内距离连通处4~6μm处设有80个以上的圆柱体或椭圆体组成的圆柱体阵列或椭圆体阵列，上盖板上设置有入口和出口Ⅰ、出口Ⅱ，上盖板和基底板叠放后，入口与微通道Ⅰ一端连通，出口Ⅰ与微通道Ⅰ另一端连通，出口Ⅱ与微通道Ⅲ一端连通。
所述微通道Ⅰ的长度为35~45mm，微通道Ⅱ的长度为15~25mm。
所述圆柱体阵列或椭圆体阵列中每个圆柱体或椭圆体大小相同，圆柱体或椭圆体之间的间距为8~10μm，圆柱体阵列或椭圆体阵列中的圆柱体或椭圆体之间相互平行。
所述80个以上的圆柱体或椭圆体外壁包裹有生物相容性的薄膜。
所述80个以上的圆柱体或椭圆体刻蚀在玻璃板上，且在玻璃板上倾斜放置。
所述磁铁靠近微通道Ⅰ的面的面积大于微通道Ⅱ的面积。
所述磁铁为方形或梯形，对磁铁充磁，使磁铁靠近微通道的极为N极。
所述凹槽Ⅰ和凹槽Ⅱ的数量相同且为一个以上，磁铁、微通道Ⅱ和圆柱或椭圆体阵列的数量与凹槽Ⅰ的数量相同。
本发明上盖板和基底板的材料为弹性、无毒性和透光性好的高分子聚合物，圆柱阵列的制作材料具有一定强度和透光性。
本发明装置的工作原理：在血液样品中加入生物相容性磁流体，然后把混有生物相容性磁流体的血液样品以10~100μL/min的流速从入口倒入装置内，混有磁流体的血液样品进入微通道Ⅰ内，混有磁流体的血液样品中的肿瘤细胞、红细胞和白细胞受到磁铁产生的高磁通量密度区域的排斥力，向磁通量密度小的区域运动，即向微通道Ⅱ方向运动，微通道Ⅱ与微通道Ⅰ连通处的圆柱体或椭圆体只能使红细胞和白细胞通过，肿瘤细胞不能通过，肿瘤细胞由出口Ⅰ排出，红细胞和白细胞由出口Ⅱ排出，从而实现肿瘤细胞的分离。
本发明的有益效果：
1、本发明装置利用生物相容性的磁流体性质，通过设置磁铁施加磁场，以及增加圆柱体或椭圆体实现在微通道中细胞的高效分离。
2、本发明装置内施加的磁场灵活可控、不产生热量，有利于保证细胞的活性，为进一步研究循环肿瘤细胞的机理提供保障。
3、本发明分离装置结构简单，无需昂贵的外部系统作为辅助，经济实用。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图；
图2为本发明实施例1圆柱阵列的结构示意图；
图3为本发明实施例2所述装置内部结构示意图；
图4为本发明实施例4所述装置内部结构示意图；
图中：1-上盖板，2-基底板，3-微通道Ⅰ，4-微通道Ⅱ，5-微通道Ⅲ，6-入口，7-出口Ⅰ，8-出口Ⅱ，9-凹槽Ⅰ，10-凹槽Ⅱ。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但本发明的内容不限于实施例及附图所示。
实施例1：如图1~2所示，本发明基于磁场的循环肿瘤细胞分离装置，包括上盖板1、基底板2，上盖板1、基底板2的材料为弹性、无毒性和透光性好的高分子聚合物聚二甲基硅氧烷（PDMS），基底板2的上表面加工有放置方形磁铁的凹槽Ⅰ9，凹槽Ⅰ9的形状与磁铁的形状相同，凹槽Ⅰ9的深度为磁铁厚度的一半，上盖板1的下表面上设有与基底板2相同的凹槽Ⅱ10，磁铁置于上盖板1的凹槽Ⅰ9和基底板2的凹槽Ⅱ10中，基底板2的上表面加工有微通道Ⅰ3、微通道Ⅱ4和微通道Ⅲ5，微通道Ⅰ3、微通道Ⅱ4和微通道Ⅲ5相互连通，微通道Ⅱ4位于微通道Ⅰ3和微通道Ⅲ5之间，凹槽Ⅰ9与微通道Ⅰ3的水平方向的垂直距离为2mm，微通道Ⅰ3的长度为35mm，微通道Ⅱ4的长度为15mm，微通道Ⅱ4的微通道Ⅱ4与微通道Ⅰ3的连通处设有80个圆柱体组成圆柱体阵列，80个圆柱体刻蚀在玻璃板上，且80个圆柱体在玻璃板上倾斜放置，倾斜方向与水平方向的夹角为45°，每个圆柱体大小相同，直径均为5μm，且相互平行，圆柱体之间的间距为8μm，80个圆柱体外壁包裹有生物相容性的薄膜，磁铁靠近微通道Ⅰ3的面的面积大于微通道Ⅱ4的面积，上盖板1上加工有入口6和出口Ⅰ7、出口Ⅱ8，上盖板1和基底板2叠放后，入口6与微通道Ⅰ3一端连通，出口Ⅰ7与微通道Ⅰ3另一端连通，出口Ⅱ8与微通道Ⅲ5一端连通，磁铁为钕铁硼方形永磁铁，对其进行充磁，靠近微通道Ⅰ3的极为N极。
在1mL血液样品（循环肿瘤细胞、红细胞和白细胞）中加入1mL生物相容性的磁流体，其中磁流体以直径为10~30nm的Fe3O4为纳米磁性微粒，以葡聚糖为稳定剂，以去离子水为分散介质，把混有生物相容性的磁流体的血液样品以20μL/min的流速从入口6内进入微通道Ⅰ3内，混有磁流体的血液样品中的肿瘤细胞、红细胞和白细胞受到磁铁产生的高磁通量密度区域的排斥力，向磁通量密度小的区域运动，即向微通道Ⅱ4方向运动，微通道Ⅱ4与微通道Ⅰ3连通处的圆柱体只能使红细胞和白细胞通过，肿瘤细胞不能通过，肿瘤细胞由出口Ⅰ7排出，红细胞和白细胞由出口Ⅱ8排出，从而实现肿瘤细胞的分离。
实施例2：本实施例结构同实施例1，如图3所示，不同之处在于微通道Ⅰ3的长度为40mm，加工有2个微通道Ⅱ4，每个微通道Ⅱ4的长度为17mm，分别有90个圆柱体组成2个圆柱体阵列，且刻蚀在两个玻璃板上，且圆柱体阵列中圆柱体之间的距离为9μm，置于微通道Ⅱ4与微通道Ⅰ3的连通处，凹槽Ⅰ9和凹槽Ⅱ10均为2个，磁铁个数为2个，分别置于两个凹槽Ⅰ9和凹槽Ⅱ10中，本实施例装置使细胞经过两次分离，能满足血液样品流速更大的工作条件，分离效果更好。
实施例3：本实施例结构同实施例1，不同之处在于微通道Ⅰ3的长度为45mm，微通道Ⅱ4的长度为25mm，圆柱体阵列位于微通道Ⅱ4内，且距离微通道Ⅱ4与微通道Ⅰ3连通处的长度为4μm，圆柱体阵列中圆柱体之间的距离为10μm。
实施例4：本实施例结构同实施例1，如图4所示，不同之处在于磁铁为梯形磁铁，磁场强度呈梯度增加，细胞经过磁场区域时，所受磁场力呈梯度增加，在圆柱阵列附近的磁场力最大，进一步保证细胞完全分离。
实施例5：本实施例结构同实施例1，不同之处在于圆柱体阵列位于微通道Ⅱ4内，且距离微通道Ⅱ4与微通道Ⅰ3连通处的长度为5μm，本实施例的结构更有利于红细胞和白细胞从微通道Ⅲ5中分离出来，循环肿瘤细胞也不会在圆柱体阵列处停留，进一步保证细胞完全分离。
实施例6：本实施例结构同实施例1，不同之处在于位于微通道Ⅱ4内，且距离微通道Ⅱ4与微通道Ⅰ3连通处6μm处设有100个椭圆体组成的椭圆体阵列，采用椭圆体阵列可以使细胞的变形程度减小，进一步减少对细胞的损伤，保持细胞的活性。
Claims (7)
1.一种基于磁场的循环肿瘤细胞分离装置，其特征在于，包括上盖板（1）、基底板（2），基底板（2）的上表面加工有放置磁铁的凹槽Ⅰ（9），凹槽Ⅰ（9）的形状与磁铁的形状相同，凹槽Ⅰ（9）的深度为磁铁厚度的一半，上盖板（1）的下表面上设有与基底板（2）相同的凹槽Ⅱ（10），磁铁置于上盖板（1）的凹槽Ⅰ（9）和基底板（2）的凹槽Ⅱ（10）中，基底板（2）的上表面加工有微通道Ⅰ（3）、微通道Ⅱ（4）和微通道Ⅲ（5），微通道Ⅰ（3）、微通道Ⅱ（4）和微通道Ⅲ（5）相互连通，微通道Ⅱ（4）位于微通道Ⅰ（3）和微通道Ⅲ（5）之间，微通道Ⅱ（4）与微通道Ⅰ（3）的连通处或位于微通道Ⅱ（4）内距离连通处4~6μm处设有80个以上的圆柱体或椭圆体组成的圆柱体阵列或椭圆体阵列，上盖板（1）上设置有入口（6）和出口Ⅰ（7）、出口Ⅱ（8），上盖板（1）和基底板（2）叠放后，入口（6）与微通道Ⅰ（3）一端连通，出口Ⅰ（7）与微通道Ⅰ（3）另一端连通，出口Ⅱ（8）与微通道Ⅲ（5）一端连通；
所述圆柱体阵列或椭圆体阵列中每个圆柱体或椭圆体大小相同，圆柱体或椭圆体之间的间距为8~10μm，圆柱体阵列或椭圆体阵列中的圆柱体或椭圆体之间相互平行，圆柱体或椭圆体倾斜设置，倾斜方向与水平方向的夹角为45°。
2.根据权利要求1所述的基于磁场的循环肿瘤细胞分离装置，其特征在于：微通道Ⅰ（3）的长度为35~45mm，微通道Ⅱ（4）的长度为15~25mm。
3.根据权利要求1所述的基于磁场的循环肿瘤细胞分离装置，其特征在于：所述80个以上的圆柱体或椭圆体外壁包裹有生物相容性的薄膜。
4.根据权利要求1所述的基于磁场的循环肿瘤细胞分离装置，其特征在于：所述80个以上的圆柱体或椭圆体刻蚀在玻璃板上，且在玻璃板上倾斜放置。
5.根据权利要求1所述的基于磁场的循环肿瘤细胞分离装置，其特征在于：所述磁铁靠近微通道Ⅰ（3）的面的面积大于微通道Ⅱ（4）的面积。
6.根据权利要求1所述的基于磁场的循环肿瘤细胞分离装置，其特征在于：所述磁铁为方形或梯形，对磁铁充磁，使磁铁靠近微通道的极为N极。
7.根据权利要求1所述的基于磁场的循环肿瘤细胞分离装置，其特征在于：所述凹槽Ⅰ（9）和凹槽Ⅱ（10）的数量相同且为一个以上，磁铁、微通道Ⅱ（4）和圆柱或椭圆体阵列的数量与凹槽Ⅰ（9）的数量相同。
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Non-Patent Citations (1)
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| A ferrofluid guided system for the rapid separation of the non-magnetic particles in a microfluidic device;R Asmatulu;Journal of Nanoscience and Nanotechnology;第10卷(第10期);摘要，正文第2-4节，图1和4 * |
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