CN108246374A - 三维螺旋结构细胞分选微流控芯片及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维螺旋结构细胞分选微流控芯片及其制作方法，该微流控芯片设置有螺旋阶梯状延伸的三维螺旋微流道，当注入的样品在微流道内流动时，利用微尺度下流体的惯性效应，混乱排布的细胞能够按照其尺寸的大小，迁移聚焦至微流道中不同平衡位置，并最终利用合理的样品出口设计实现不同尺寸细胞的分选导出收集。并且，该微流控芯片采用螺旋阶梯状延伸的三维布局，突破了传统微流控芯片的平面结构特点。可以在相同平面面积内布置多条细胞分选流道，从而实现多流道同时作业，增加了单位时间内样品的处理通量，能够满足大体积样品的快速分选预处理。

Description

三维螺旋结构细胞分选微流控芯片及其制作方法

技术领域

本发明涉及微流控技术，更具体的说，涉及一种三维螺旋结构细胞分选微流控芯片及其制作方法。

背景技术

微流控技术作为一种微纳米尺度实现流体样品或微纳米粒子检测分析、操控、合成等功能的新技术，由于体积小、成本低及耗样量少等优点，已被广泛用于临床医学、生化分析、生物学等研究领域的检测与分析应用中。替代昂贵的传统柜式诊断分析设备，实现微纳米材料的高效输运、分选、提取、装配及混合等操控功能已成为微流控研究中一项重要的使能技术。如何实现微尺度对象的高效分选对于单细胞分析及临床即时检验仪器(Point-of-care testing,POCT)的开发具有非常重要的实践运用价值。

随着微流控领域研究的深入，越来越多新颖的用于细胞分选的创意芯片设计被提出，按照其分选机理可以概括为以下几类：第一类是从宏观过滤技术演化而来的微孔膜过滤技术或基于阻隔、错流结构的微筛分选技术；第二类是基于电、声、磁、光及外部流体的单场或多场复合分选技术；第三类是基于微柱阵列、壁面V型槽及缩扩阵列等复杂微结构的分选或提取技术。但是这些方法均存在着各自的不足，如外场耗能、成本高及操作复杂等问题。另外，由于多数微流控芯片中的流速较低，使其分选效率大打折扣，无法满足大体积样品的快速分选处理的需求。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术的缺陷，本发明提供了一种三维螺旋结构细胞分选微流控芯片及其制作方法，该微流控芯片突破了现有的平面芯片的局限，可在三维空间内布置多条细胞分选流道，有效实现大体积样本的快速分选处理。

技术方案：本发明所述的一种三维螺旋结构细胞分选微流控芯片，包括样品入口、至少两个样品出口以及一条或者多条细胞分选流道；所述细胞分选流道包括三维螺旋微流道和分流岔道，所述三维螺旋微流道连通所述样品入口并且呈螺旋阶梯状延伸用以将样品中不同尺寸的细胞聚焦至不同平衡位置；所述分流岔道连接所述三维螺旋微流道用以对不同平衡位置的不同尺寸的细胞进行分流，分流岔道设置有至少两个出液端；每个样品出口对应连通一个出液端用以将不同平衡位置的不同尺寸的细胞对应从不同的样品出口导出。

进一步的，所述三维螺旋微流道的横截面尺寸和样品中细胞的尺寸的关系为：

ap/Lc≥0.07

其中：ap为样品中细胞的直径；Lc为三维螺旋微流道的特征尺寸。

所述三维螺旋微流道的横截面为低深宽比矩形。

有益效果：本发明通过设置螺旋阶梯状延伸的三维螺旋微流道，当注入的样品流体在微流道内流动时，利用微尺度下流体的惯性效应，混乱排布的细胞能够按照其尺寸的大小，迁移聚焦至微流道中的不同平衡位置，最终利用合理的样品出口设计，实现不同尺寸细胞的分选导出收集。并且，本发明采用螺旋阶梯状延伸的三维布局，突破了传统微流控芯片的平面结构特点，可以在相同平面面积内布置多条细胞分选流道，从而实现多流道同时作业，增加了单位时间内样品的处理通量，能够满足大体积样品的快速分选预处理。

而本发明所述的三维螺旋结构细胞分选微流控芯片的制作方法，包括下述步骤：

(1)先设计样品入口、导流流道、细胞分选流道、汇流道以及样品出口的形状以及数量，并提供制作材料，所述制作材料包括若干聚氯乙烯薄膜以及若干粘结层；

(2)根据样品入口、导流流道、细胞分选流道、汇流道以及样品出口的形状以及数量，采用激光加工技术，在各聚氯乙烯薄膜和各粘结层上雕刻相应的图案；

(3)将雕刻好的各制作材料，按照相应的位置关系依次堆叠整体封装，即得。

附图说明

图1是本发明的三维螺旋结构细胞分选微流控芯片结构示意图；

图2是本发明公开的实施例中入口部的拆解结构示意图；

图3是本发明公开的实施例中微流道主体部的拆解结构示意图；

图4是本发明公开的实施例中出口部的拆解结构示意图；

图5是本发明的三维螺旋微流道中不同尺寸的细胞聚焦原理示意图；

图6是本发明的分流岔道中不同尺寸的细胞分流的原理示意图。

具体实施方式

本发明所述的一种三维螺旋结构细胞分选微流控芯片，包括用于送入样品的样品入口1、根据样品中需要分选的细胞的尺寸数量而设置的至少两个样品出口、用于对样品中不同尺寸细胞进行分选的一条或者多条细胞分选流道。为了突破现有平面结构的微流控芯片仅能布置一条微流道致使分选效率低下的局限，本发明将所述细胞分选流道设置成三维立体结构，从而在布设多条细胞分选流道时，各流道之间为并联关系，且互不干扰。所述细胞分选流道包括三维螺旋微流道和分流岔道8，所述三维螺旋微流道连通所述样品入口1并且呈螺旋阶梯状延伸用以将样品中不同尺寸的细胞聚焦至流道截面的不同平衡位置；所述分流岔道8连接所述三维螺旋微流道用以对不同平衡位置的不同尺寸的细胞进行分流。同样，所述分流岔道8根据样品中需要分选的细胞的尺寸数量而设置有至少两个出液端；每个样品出口对应连通一个出液端，从而能够将流路截面中不同平衡位置的不同尺寸的细胞对应从不同的样品出口导出。

下面，结合附图，以应用于分选两种不同尺寸细胞的微流控芯片作为实施例，对本发明做进一步详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“顶”、“底”“内”、“外”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1～4所示，一种三维螺旋结构细胞分选微流控芯片，包括本体100、设置在本体100上部的样品入口1、设置在本体100下部的两个样品出口、以及设置在本体内部的四条细胞分选流道。为了便于描述，本实施例中，所述的两个样品出口分别称为第一样品出口9和第二样品出口10。

当然，在实施时，可以将本体100制作成圆柱体、棱柱体等规则结构或者其他不规则结构。在本实施例中，所述本体100呈圆柱体结构，包括自上至下依次同轴排布连接的入口部、微流道主体部和出口部。其中，入口部用于导入样品并将样品分流至不同细胞分选流道中；微流道主体部用于将样品中不同尺寸的细胞聚焦至流道截面中不同的平衡位置；出口部用于将不同平衡位置的不同尺寸细胞从不同样品出口导出。

而在制作该本体100时，是通过采用激光加工技术，在制作材料上雕刻出设计好的流道各部位的特定结构，逐层堆叠封装成型的。

为了将样品入口1进入的样品分别导流入不同的细胞分选流道，本体100内还设置有导流流道，所述导流流道包括与样品入口1连接的直流道2以及与直流道2连接的四条分支流道，所述四条分支流道一一对应连接四条细胞分选流道；所述多条细胞分选流道通过所述导流流道连通所述样品入口1。

进一步的，请参阅图2，所述样品入口1和导流流道均设置在所述入口部，入口部包括自上至下依次同轴排布的入口芯片层11、第一粘结层12、第一导流层13、第二粘结层14以及第二导流层15。样品入口1设置在入口芯片层11的上表面的中心位置；所述直流道2自所述样品入口向下延伸并贯穿所述入口芯片层11和第一粘结层12。所述分支流道包括依次连接的直流段3、第一导流孔31、圆弧段4和第二导流孔5，所述直流段3自所述直流道2的末端沿第一导流层13的上表面中心位置向外周延伸，也就是说，四条直流段3呈十字型在第一导流层13的上表面排布。而第一导流孔31设置在直流段3的末端并贯穿所述第一导流层13和第二粘结层14。圆弧段4自所述第一导流孔31的出口处沿第二导流层15的上表面向外周延伸，也就是说四条圆弧段4在第二导流层15的上表面呈弧形向外发散。第二导流孔5设置在所述圆弧段4的末端并贯穿所述第二导流层15。

制作入口部时，先设计样品入口1和导流流道的形状以及数量，并提供包括聚氯乙烯薄膜以及粘结层等制作材料；根据样品入口1、导流流道的形状以及数量，采用激光加工技术，在各聚氯乙烯薄膜和各粘结层上雕刻样品入口1、直流道2、直流段3、第一导流孔31、圆弧段4以及第二导流孔5的相应的图案；将雕刻好的各制作材料，按照相应的位置关系依次堆叠，通过粘结层粘合即得。

继续参阅图3，所述三维螺旋微流道设置在所述微流道主体部，其中，所述三维螺旋微流道的横截面为低深宽比矩形。微流道主体部包括自上至下依次同轴排布的若干微流道芯片层16，每层所述微流道芯片层16的下方均设置一个第三粘结层17；所述三维螺旋微流道包括若干条弧形微流道6和若干个微流孔7，所述弧形微流道6和微流孔7依次间隔排布连接，组合形成呈螺旋阶梯状延伸的三维螺旋微流道；每条弧形微流道6对应在一层微流道芯片层16的上表面沿着周向延伸，所述微流孔7自弧形微流道6的末端向下延伸并贯穿该层微流道芯片层16以及对应设置在该层微流道芯片层16下方的第三粘结层17。本实施例中，设置有四条三维螺旋微流道，也就是说每层微流道芯片层16的上表面均设置有四条弧形微流道6，所述四条弧形微流道6沿微流道芯片层的外周延伸且，互不干涉，相邻的两层的微流道芯片层16之间旋转45°堆叠。可以通过调整微流道芯片层16的堆叠的层数来调整三维螺旋微流道的长度。

同样，在制作微流道主体部时，先设计好细胞分选流道的三维螺旋微流道部分的形状和数量，亦即确认弧形微流道6和微流孔7的形状及数量，并提供聚氯乙烯薄膜以及粘结层等制作材料。然后根据弧形微流道6和微流孔7的形状以及数量，采用激光加工技术，在各聚氯乙烯薄膜和各粘结层上雕刻相应的图案；并将雕刻好的各制作材料，按照相应的位置关系依次堆，通过粘合层粘合即得。

在保证三维螺旋微流道结构不变形的情况下，可适当增加或减少微流道芯片层16的层数、改变每层的弧形微流道6的长度、微流孔7的高度或者第三粘结层17厚度、并联三维螺旋微流道的个数，从而能充分利用微流道主体部的空间以达成特定聚焦、分选功能。

为了将相同平衡位置的同尺寸细胞汇合后从同一样品出口导出，本体100内还设置有与两个样品出口一一对应连接的两条汇流道，两条汇流道连接在分流岔道和两个样品出口之间，所述四条分流岔道8的相同出液端均对应连接相同的汇流道。为了便于描述，本实施例的两条汇流道分别为与第一样品出口9连接的第一汇流道9a，以及与第二样品出口10连接的第二汇流道。

再参阅图4，所述分流岔道8、第一汇流道9a、第二汇流道、第一样品出口9以及第二样品出口10均设置在所述出口部。出口部包括自上而下依次同轴排布的细胞分流层18、第四粘结层19、汇流层20以及出口层21。所述分流岔道8设置在细胞分流层18的上表面，其入口位置对应于三维螺旋微流道的出口位置。

本实施例中，四条分流岔道8均沿着细胞分流层18的外周开始延伸，分流岔道8具有两个出液端，分别为第一出液端81和第二出液端82。第一出液端81自分流岔道8的分岔位置向细胞分流层18的中心位置延伸，并在末端连接第一汇流道9a，第一汇流道9a依次贯穿细胞分流层18、第四粘结层19、汇流层20以及出口层21，并连接位于出口层21下表面中心位置的第一样品出口9。而第二出液端82自分岔位置继续沿着细胞分流层的外周延伸，并在末端连接第二汇流道；第二汇流道包括汇流孔83、圆弧汇流段84、汇流直段85以及导出孔86，所述汇流孔83自所述第二出液端82的末端向下延伸并贯穿所述细胞分流层18和第四粘结层19，所述圆弧汇流段84沿汇流层20的上表面外周延伸并覆盖连接所有汇流孔83，本实施例中圆弧汇流段84呈四分之三圆弧，从而能恰好覆盖连接四个汇流孔83；汇流直段85连接所述圆弧汇流段84并在汇流层20上表面延伸，汇流直段85在其末端连接导出孔86，导出孔86贯穿汇流层20和出口层21并与第二样品出口10连接。

在制作出口部时，先设计分流岔道8、汇流道以及样品出口的形状以及数量，并提供聚氯乙烯薄膜以及粘结层等制作材料；然后根据分流岔道8、汇流道以及样品出口的形状以及数量，采用激光加工技术，在各聚氯乙烯薄膜和各粘结层上雕刻分流岔道8、汇流道以及样品出口的相应的图案；将雕刻好的各制作材料，按照相应的位置关系依次堆叠，即得。

为了更好的封装成型，在本体100各层结构上，沿圆周开设若干位置对应的定位孔101，通过定位孔101将入口部、微流道主体部以及出口部各流道连接定位封装。

下面，以直径分别为15μm和10μm的两种合成聚苯乙烯粒子悬浮液模拟具有两种不同尺寸细胞的样品，并结合图5和图6对本发明的分选原理做一个说明。

请参阅图5，在特定流速下，往样品入口1中粒子悬浮液后，两种粒子在三维螺旋微流道入口区域呈随机分布状态，粒子将受到流体拖拽力F的作用沿三维螺旋微流道长度方向运动。当流速达到一定值域内时，三维螺旋微流道内的伯啸叶流(Poiseuille flow)的抛物线型速度剖面使得粒子产生一个指向壁面的剪切诱导惯性升力F1而朝着壁面。另一方面，由于粒子自身旋转，在靠近壁面的过程时，会受到一个指向三维螺旋微流道中心的壁面诱导惯性升力F3。壁面诱导惯性升力F3和剪切诱导惯性升力F1合称为惯性升力。同时，由于粒子处于弧形微流道6中，因而会由弧形微流道6曲率诱导产生Dean流，粒子本身将同时受到Dean拽力F2和离心力的作用，但由于粒子或细胞与液体密度差异小，其离心力可以忽略不计。近似可以认为粒子受到惯性升力与Dean拽力的共同作用下发生横向迁移。

当粒子尺寸和流道截面特征尺寸满足ap/Lc≥0.07，其中：ap为样品中粒子/细胞的直径；Lc为三维螺旋微流道的特征尺寸；对于低深宽比矩形横截面的三维螺旋微流道可用其短边估算。满足该条件的粒子将在上述惯性升力与Dean拽力的共同作用下，基于微流体惯性效应，在三维螺旋微流道的出口部分聚焦至横向的平衡位置；而进一步的，由于粒子尺寸不同，不同尺寸的粒子将聚焦至不同的平衡位置。

而继续参阅图6，直径为15μm的第一粒子L1以及直径为10μm的第二粒子L2在进入分流岔道8后，位于内侧的第一粒子L1将经过第一出液端81分流至中心位置，经第一汇流道9a后自第一样品出口9导出；而位于外侧的第二粒子L2将经过第二出液端82分流至汇流孔83，然后经过圆弧汇流段84汇合，再通过汇流直段85以及导出孔86自第二样品出口10导出。

本发明所述三维螺旋结构细胞分选微流控芯片基于激光加工工艺，且流道结构简单，加工难度小，克服了传统细胞分选方法存在器件成本高、体积大、操作复杂的缺点；该微流控芯片可以广泛应用于临床诊断、生物学研究、生化分析、环境监控等领域的细胞或合成颗粒的聚焦与分选。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出在不脱离本发明的构思的前提下，还可以做出若干推演或替代，这些推演或替代都应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种三维螺旋结构细胞分选微流控芯片，其特征在于，包括样品入口、至少两个样品出口以及一条或者多条细胞分选流道；所述细胞分选流道包括三维螺旋微流道和分流岔道，所述三维螺旋微流道连通所述样品入口并且呈螺旋阶梯状延伸用以将样品中不同尺寸的细胞聚焦至不同平衡位置；所述分流岔道连接所述三维螺旋微流道用以对不同平衡位置的不同尺寸细胞进行分流，分流岔道设置有至少两个出液端；每个样品出口对应连通一个出液端用以将不同平衡位置的不同尺寸细胞对应从不同的样品出口导出。

2.根据权利要求1所述的三维螺旋结构细胞分选微流控芯片，其特征在于，所述三维螺旋微流道的横截面尺寸和样品中细胞的尺寸的关系为：

ap/Lc≥0.07

其中：ap为样品中细胞的直径；Lc为三维螺旋微流道的特征尺寸。

3.根据权利要求2所述的三维螺旋结构细胞分选微流控芯片，其特征在于，所述三维螺旋微流道的横截面为低深宽比矩形。

4.根据权利要求3所述的三维螺旋结构细胞分选微流控芯片，其特征在于，还包括本体，所述样品入口设置在本体上部，所述样品出口设置在本体下部，所述细胞分选流道在所述本体内部延伸，本体内部设置有多条细胞分选流道。

5.根据权利要求4所述的三维螺旋结构细胞分选微流控芯片，其特征在于，本体内还设置有导流流道，所述导流流道包括与样品入口连接的直流道以及与直流道连接的多条分支流道，每条分支流道对应连接一条细胞分选流道；所述多条细胞分选流道通过所述导流流道连通所述样品入口；

本体内还设置有与样品出口一一对应连接的至少两条汇流道，所述汇流道连接在分流岔道和样品出口之间；各条所述分流岔道的相同出液端均对应连接相同的汇流道，用以将相同平衡位置的同尺寸细胞汇流至同一汇流道并从同一样品出口导出。

6.根据权利要求5所述的三维螺旋结构细胞分选微流控芯片，其特征在于，所述本体呈圆柱体结构，包括自上至下依次同轴排布连接的入口部、微流道主体部和出口部。

7.根据权利要求6所述的三维螺旋结构细胞分选微流控芯片，其特征在于，所述样品入口和所述导流流道设置在所述入口部，入口部包括自上至下依次同轴排布的入口芯片层、第一粘结层、第一导流层、第二粘结层以及第二导流层；样品入口设置在入口芯片层上表面的中心位置；所述直流道自所述样品入口向下延伸并贯穿所述入口芯片层和第一粘结层，所述分支流道包括依次连接的直流段、第一导流孔、圆弧段和第二导流孔，所述直流段自所述直流道的末端沿第一导流层的上表面中心位置向外周延伸，第一导流孔设置在直流段的末端并贯穿所述第一导流层和第二粘结层，圆弧段自所述第一导流孔的出口处沿第二导流层的上表面向外周延伸，第二导流孔设置在所述圆弧段末端并贯穿所述第二导流层。

8.根据权利要求6所述的三维螺旋结构细胞分选微流控芯片，其特征在于，所述三维螺旋微流道设置在所述微流道主体部，微流道主体部包括自上至下依次同轴排布的若干微流道芯片层，每层所述微流道芯片层下方均设置一个第三粘结层；所述三维螺旋微流道包括若干条弧形微流道和若干个微流孔，所述弧形微流道和微流孔依次间隔排布连接；每条弧形微流道对应在一层微流道芯片层的上表面沿周向延伸，所述微流孔自弧形微流道的末端向下延伸并贯穿该层微流道芯片层以及对应设置在该层微流道芯片层下方的第三粘结层。

9.根据权利要求6所述的三维螺旋结构细胞分选微流控芯片，其特征在于，所述分流岔道、汇流道以及样品出口均设置在所述出口部，出口部包括自上而下依次同轴排布的细胞分流层、第四粘结层、汇流层以及出口层；所述分流岔道设置在细胞分流层的上表面，样品出口均设置在所述出口层的下表面；所述汇流道依次贯穿所述细胞分流层、第四粘结层、汇流层以及出口层。

10.根据权利要求1～9任意所述的三维螺旋结构细胞分选微流控芯片的制作方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)先设计样品入口、导流流道、细胞分选流道、汇流道以及样品出口的形状以及数量，并提供制作材料，所述制作材料包括若干聚氯乙烯薄膜以及若干粘结层；

(2)根据样品入口、导流流道、细胞分选流道、汇流道以及样品出口的形状以及数量，采用激光加工技术，在各聚氯乙烯薄膜和各粘结层上雕刻相应的图案；

(3)将雕刻好的各制作材料，按照相应的位置关系依次堆叠整体封装，即得。