CN108291859B - 用于高通量多数单细胞捕获之微流体动力式转运晶片 - Google Patents

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Abstract

本发明揭露一种微流体动力式转运晶片包含一单细胞捕捉单元阵列。每一单元包含：(a)一入口通道具有一捕捉处；(b)一大容室位于捕捉处的后方且具有一接收处其与捕捉处相距一距离g；(c)一局限通道位于捕捉处以及接收处之间；(d)一容室通道可流通地位于大容室后方；以及(e)一回避通道并列于入口通道、大容室以及容室通道且具有一第一端及一第二端相对第一端，其中第一端由邻近捕捉处前方的入口通道分支出，而第二端则接合于容室通道。本发明亦揭露捕捉多于一种单细胞的方法。

Description

用于高通量多数单细胞捕获之微流体动力式转运晶片
技术领域
本发明有关于一种生物微流体晶片，特别地，更有关于一种流体动力式晶片用以捕捉复数单细胞。
背景技术
近年来微型装置以其可精准的操作单细胞而被用来设计可作为诸如单细胞捕捉、单细胞配对以及长期培养之用。微型装置也因为具有高通量、低成本以及可减少试剂的消耗而占有优势。山口(Yamaguchi)等人发表了一种简单装置其具有高30微米、宽100微米之通道以做单细胞捕捉及培养。前述装置的捕捉效率为73％。然而此装置因其有限的空间，使得捕捉到的细胞最多仅能生长24小时。李等人利用一个类似的概念设计一个单细胞共同培养平台以作为细胞间作用的研究。此概念装置的单细胞配对的效率是50％，然而仍然缺乏足够的空间以令细胞扩散以及繁殖。
发明内容
于一方面，本发明有关于一种流体动力式晶片包含一单细胞捕捉单元阵列，而其中的每一单细胞捕捉单元包含：
(a)一入口通道其长为L1、宽为W1以及高为H1，并具有一前端及一后端相对于前端，其中前端具有一捕捉处；
(b)一大容室其直径为M以及深度为D，大容室位于入口通道之捕捉处的前方且具有一接收结构以一距离g间隔于捕捉处，大容室并具有一内部空间用来使多于一之单细胞接着、成长、增生及/或转移；
(c)一局限通道其长为L2、宽为W2以及高为H2，局限通道位于捕捉处以及接收处之间且流通于入口通道以及大容室；
(d)一容室通道其长为L3、宽为W3以及高为H3可流通地位于大容室前且具有一前端及一后端相对前端，容室通道的高H3小于大容室的高D；以及
(e)一回避通道其长为L4、宽为W4以及高为H4，回避通道并列于入口通道、大容室以及容室通道且具有一第一端及一第二端相对第一端。第一端自正位于捕捉处前方的入口通道分支出，而第二端则由容室通道的后端接合于容室通道。回避通道的宽W4及高H4分别大于局限通道的宽W2及高H2。
其中每一阵列的栏：
(i)复数之单细胞局限单元彼此可流通地连接；
(ii)除了第一单元以外，每一单元的入口通道可流通地连接于一紧邻上游单元之容室通道；以及
(iii)除了最后一个单元以外，每一单元的回避通道流通地连接于一紧邻上游单元之入口通道。
于一实施例中，阵列的中每一栏中，除了最后一个单元以外，每一单元的容室通道流通地连接于一紧邻下游单元之入口通道。
于另一实施例中，阵列的每一栏中，最后一个单元的容室通道可流动地连接于一出口通道。
于另一实施例中，阵列的每一栏中，第一个单元的入口通道可流通地连接于一输入通道，且最后一个单元之出口通道可流通地连接于一输出通道。
于另一实施例中，本发明之装置更包含：(a)一输入部可流通地连接于输入通道；以及(b)一输出部可流通地连接于输出通道。
于另一实施例中，介于阵列之栏间的单细胞局限单元通过输入通道及输出通道彼此流通连接。
入口通道、局限通道、容室通道以及回避通道的表面上可进行涂布或无涂布。
于一实施例中，容室通道以及回避通道的表面上可涂布有蛋白质例如为牛血清蛋白。可视装置的应用而选用其他种类的表面涂层。
于另一实施例中，大容室包含一独立的单细胞。
于另一实施例中，大容室包含种类不同之两独立单细胞。
于另一实施例中，大容室包含种类不同之复数单细胞。
于另一实施例中，大容室包含种类相同之复数单细胞。
于另一实施例中，本发明之装置在大容室中包含一或多于一种独立之单细胞。
于另一实施例中，本发明之装置在大容室中包含二或更多种类之独立的单细胞。
于另一实施例中，本发明之装置更包含一单细胞悬浮液，其中单细胞的尺寸小于回避通道之截面但大于局限通道之截面。
于另一实施例中，本发明之装置接置在一透明基板上。基板可为一片玻璃。
于另一实施例中，制成本发明之装置的材料选自一群组其由聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane)、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate)以及聚碳酸酯(polycarbonate)、玻璃(glass)、塑胶(plastic)以及任何以上材料之组合所组成。
于另一实施例中，回避通道侧向迂回通过单元之一侧。
在另一方面，本发明有关于一种捕捉独立单细胞的方法，其包含：
(a)提供一本发明之流体动力式运转晶片；
(b)将一培养介质包含单一种类之独立单细胞置入阵列的一单行中第一单细胞局限单元之一入口通道中；
(c)在捕捉处捕捉单一种类之独立单细胞；
(d)以一清理培养介质洗去未捕捉到之多余细胞；以及
(e)以一介质回冲这些通道以释放捕捉到的单一种类独立单细胞，并使这些被释放的细胞逆流进入大容室中。
在另一方面，本发明有关于一种捕捉多于一种独立单细胞之方法，包含：
(a)提供一本发明之流体动力式运转晶片；
(b)将一培养介质包含一特定种类之独立单细胞置入阵列的一单行中第一单细胞局限单元之一入口通道中；
(c)在捕捉处捕捉特定种类之独立单细胞；
(d)以一清理培养介质洗去未捕捉到之多余细胞；
(e)以一介质回流这些通道以释放捕捉到的特定种类独立单细胞，并使这些被释放的细胞逆流进入大容室中；以及
(f)重复上述置入、捕捉、清理以及回流之步骤一或更多次，而不同种类的单细胞其在每一步骤的条件也不同。
于另一实施例中，捕捉步骤在每一捕捉处捕捉独立单细胞。
于另一实施例中，在回流步骤的体积流速大于在清理步骤之体积流速。
于另一实施例中，在回流步骤的体积流速不小于置入细胞步骤中之体积流速。
借由以下较佳的实施例结合附图之说明，本发明前述以及其他方面可清楚地呈现。然而一些变化及修改可在不违背本发明之精神及创新概念之范畴下进行。
附图绘示本发明一或更多实施例连同书面叙述以解释本发明之重点。在一些情况下，相同的标号可通用于图式中以指出实施例中相同或类似的元件。
附图说明
图1A至1H是显示流体动力式晶片之罩体设计的图形。图1A及图1E以上视图显示第一层(层1)分别在设计1及2之光罩。图1B及图1F以上视图显示第二层(层2)分别在设计1及2之光罩。图1C及图1G以上视图显示第三层(层3)分别在设计1及2之光罩。图1D及图1H以上视图显示三个层(层1,2及3)分别在设计1及2之光罩。比例尺：5毫米。
图2显示设计1中流体动力式晶片(D-F)之SU-8模具(A-C)以及聚二甲基硅氧烷在玻璃上之装置的照片。(A)一局限通道(层1)其长3.8微米、宽5.0微米以及高4.3微米之照片。(B)一照片显示回避通道(重迭之层1、2及3)其宽25.0微米以极高23.0微米。(C)一照片显示大容室直径500.6微米以及高(深度)57.8微米。(D)一显微影像显示流体动力结构(箭头a、b指不同的流阻；箭头c指一细胞捕捉处)。(E)一放大图显示一单细胞局限单元。(F)一照片显示由聚二甲基硅氧烷制成之流体动力式晶片的外观。Q定义了体积流率。Q1指出路径A的体积流率，而Q2指出路径B的体积流率。比例尺：100微米。
图3是显示流体动力式晶片操作程序之一示意图。(A)一细胞置入步骤显示了流动方向。(B)当一细胞在捕捉处被捕捉到时会提高进入大容室的流阻，后续的细胞将流向迂回状的回避通道。(C)一细胞清理介质用以在微通道中洗去多余的细胞。(D)被捕捉到的细胞释放于捕捉处并流入大容室中。
图4显示MCF-7单细胞在大容室中被捕捉之系列影像。栏(A)中，最上方之第一影像显示来自上游单元回避通道的两单细胞进入下游单元之入口通道；一第二影像显示两单细胞流向下游单元的捕捉处；一第三影像显示在前面(地一细胞)的细胞于下游单元之入口通道的捕捉处被捕捉到；底部的影像显示单细胞(第二细胞)回避了捕捉处。在栏(B)中，上方之第一影像显示第一细胞在捕捉处被捕捉；一第二影像显示第一细胞于捕捉处被释放；一第三影像显示第一细胞流入容室通道；一底部影像显示第一细胞进入大容室中。比例尺:100微米。
图5显示COMSOL下之流速模拟。显示了流速的区域及流线。局限通道的流速高于回避通道以及大容室内之流速。
图6显示设计1之流体动力式晶片中捕捉MCF-7单细胞之效率。(A)一影像其显示在捕捉处捕捉到之单细胞(以实线圆圈标示)。(B)一影像其显示在大容室中捕捉到之单细胞(以虚线圆圈标示)。(C)捕捉处的单细胞局限效率与大容室中的单细胞捕捉效率。细胞染上钙黄绿素-AM绿色萤光染料。比例尺：100微米。
图7是一影像其显示MDA-MB-231与MCF-7单细胞在设计2之流体动力式晶片的配对结果。MCF-7细胞染上钙黄绿素-AM绿色萤光染料(标示为实线圆圈)，而MDA-MB-231细胞染上红色DiI萤光颜料(标示为虚线圆圈)。"1A+1B"之术语表示“一MDA-MB-231单细胞以及一MCF-7cell单细胞”。">1A+1B"之术语表示“多于一MDA-MB-231单细胞以及一MCF-7cell单细胞”。比例尺:1毫米。
图8显示大容室中单细胞与复数单细胞之捕捉效率。"1A"之术语表示“一MDA-MB-231单细胞”。"1B"之术语表示“一MCF-7cell单细胞”。"1A+1B"之术语表示“一MDA-MB-231单细胞以及一MCF-7cell单细胞”。">1A+1B"之术语表示“多于一MDA-MB-231单细胞以及一MCF-7cell单细胞”。
具体实施方式
在本发明所使用的术语在其技术领域普遍地具有其本身原本意义，包括在本发明的上下文中以及在说明书上下文中所使用的术语。使用于描述本发明或者是说明书其他地方的某些术语于下列讨论，以提供本发明之描述的额外指导给熟悉本领域的技术人员。为方便起见，某些术语会被强调，例如使用斜体字及/或引号。此强调的使用并不会影响一术语的范围及意义；无论其是否有被强调，在相同的上下文中，一术语的范围及意义是相同的。应了解的是，相同的事物可以多种方式叙述。因此，在文中所讨论的任何一个或多个术语可使用不同语言及同义字，无论是否一术语是详尽的或是在文中被讨论，均无其他涵义可以取代。提供有对于某些术语的同义字。一或多个同义字的列举并不排除其他同义字的使用。在说明书中任何地方且包括在本文中所讨论的术语之举例的使用，仅为作例证使用，且并未限制本发明的范围与意义以及任何例示术语。同样地，本发明并未限制在本说明书中的不同实施例。
除非不同的定义，在文中所使用的所有技术与科学术语具有相同意义，如熟悉本技术领域之人员所理解的。发生冲突时，将调节包括有定义之本发明实施例。
如下文所使用的「大约」，意指在所给予之数值或范围的百分之二十之内，较佳者，其为百分之十之内，更进一步的话，其为百分之五以内。为中所给予的数值是大约值，其意指假若没办法确切定义的话，则以「大约」来表示。
如下文所使用，当叙述一个数字或一个范围时，本技艺所属领域倾向于包含一适当、合理的范围。
对于大约40到大约100微米来说，其意指在其范围内的所有整数总数。因此，40、41、42…97、98、99以及100微米整数总数已包括在本发明的实施例中。
对于大约300到大约4000微米来说，其意指在其范围内的所有整数总数。因此，300、301、302…3997、3998、3999以及4000微米整数总数已包括在本发明的实施例中。
对于大约1微米到大约2500微米来说，其意指在其范围内的所有整数总数。因此，1、2、3、4…2497、2498、2499以及2500微米整数总数已包括在本发明的实施例中。
对于大约200大约200微米来说，其意指在其范围内的所有整数总数。因此，500、501、502…1997、1998、1999以及2500微米整数总数已包括在本发明的实施例中。
以下所使用之“一单细胞局限单元”可指“一单元”。
以下所使用之“大容室”应通常表示一容室具有容置空间，其可供细胞培养超过24小时，并可供细胞扩散、繁殖以及移动。
以下所使用之“一输入通道”通常应表示为一微通道其连接一阵列栏之第一单细胞局限单元之入口通道至一流体动力式转运晶片之进入孔洞。每一阵列栏具有一进入通道连接到一流体动力式转运晶片之输入口。输入通道汇入一微通道然后再连接到流体动力式转运晶片的输入口。介于栏之间的输入通道可流通地连接。
以下所使用之“一输出通道”通常应表示为一微通道其连接一阵列栏之最后一个单细胞局限单元之出口通道至流体动力式转运晶片之出口孔洞。每一阵列栏具有一出口通道连接至流体动力式转运晶片之输出口。输出通道汇入微通道后再连接到流体动力式转运晶片之输出口。介于栏之间的输出通道可流通地连接。
“一单细胞”以及“一独立单细胞”之术语可互换。
“两单细胞”以及“两独立单细胞”之术语可互换。
“热塑性材料”之术语通常代表塑胶材料或聚合物，在一特定温度以上具可弯折或可塑性并可借由冷却加以固化。
缩写：流体动力式转运晶片(hydrodynamic shuttling chip,HSC)
范例
以下本发明所根据之实施例在无意限制发明的范围、实施的设备、装置、方法及其相关结果之下提供。应注意的是范例中所使用之标题或副标题用以方便阅读者，不应用来限制本发明之范围。而且，以下所提出或揭露的一些理论无论正确与否皆不应限制本发明之范围，因为本发明之实施根据发明而与任何特定理论或行为方案无关。
方法
装置之设计以及制法。微流体动力式转运晶片借由前述之软蚀刻技术作用在聚二甲基硅氧烷下而制成。首先，旋转涂布一5微米厚之负光阻(SU-8,MicroChem,Newton,MA,USA)在一硅晶圆上，并在一具有5微米宽局限通道之掩膜下方以紫外光进行曝光。第二，旋转涂布一25微米厚之负光阻在同一硅晶圆上，并在一具有25微米宽回避通道之掩膜下方以紫外光进行曝光。第三，旋转涂布一50微米厚之负光阻在同一硅晶圆上，并在一具有500微米口径的大通道之掩膜下方以紫外光进行曝光，以制作设计1(图1A至1D)。而制作设计2时，旋转涂布一50微米厚之负光阻在同一硅晶圆上，并在一具有200微米口径的大通道之掩膜(图1E至1H)下方以紫外光进行曝光。接着操作者可使用模具，且在此模具上将与其交联物以10:1之比例混合之Sylgard 184(Dow corning,USA)聚二甲基硅氧烷预聚合物加以纯化，并可在一摄氏65度之传统烤炉中过夜以进行固化。经固化之聚二甲基硅氧烷自模具脱离。一具有0.75毫米内径之冲床(HARRIS UNI-CORETM,Ted Pella,USA)可用以冲制一输入口及一输出口以将流体导入聚二甲基硅氧烷装置之流道。经过简短的氧气电浆处理后，可将聚二甲基硅氧烷及玻璃的复制品彼此接触并置放于一摄氏65度之烤炉中24小时以永久地黏合。
流体动力式转运晶片是准备作为捕捉复数单细胞之用。在进行细胞实验之前，流体动力式转运晶片充满了去离子水并浸泡于一装有去离子水且在一干燥剂中的容器中以去除微流道中的气泡。之后，除去气体后的流体动力式转运晶片暴露于紫外光中以进行30分钟的消毒。为避免细胞马上黏在流体动力式转运晶片表面上，可将5％的BSA(Bovineserum albumin,台湾伯新科技生产的牛血清蛋白)搭配一倍的磷酸盐缓冲液注射进微流道且在摄氏37度、30分钟下培养。
细胞培养及维持。于本研究中，人类乳癌MDA-MB-231及MCF-7细胞株作为试样。MDA-MB-231及MCF-7细胞之培养是在一杜尔贝科的最低基本培养基装置(DMEM,美商Gibco所生产)中进行，此装置具有10％之透析牛血清(fetal bovine serum,美商(HycloneThermo所生产)以及1％的抗体(谷氨酰胺-青霉素-链霉素,法商Biowest所生产)且置于一摄氏37度以及5％二氧化碳之恒温箱中。细胞的培养利用胰蛋白酶-EDTA(在磷酸盐缓冲液中的浓度为0.25％，法商Biowest生产)其根据制造商的标准在70％至80％间合流。
复数单细胞之捕捉、分离以及培养。在进行每一细胞捕捉实验前，每一细胞预先染上4mM的细胞膜染料DiIC12(3)(美商BD Biosciences所生产)或4Mm的可透膜之活体细胞标记染料calcein-AM(美商Invitrogen及Life Technologies所生产)30分钟以便容易地在流体动力式转运晶片中辨识出各细胞。为了进行设计1之流体动力式转运晶片中每一单细胞捕捉实验，可利用一注射泵(美商Harvard Apparatus及Harvard Bioscience所生产)以及一铁氟龙管(内径0.51毫米；外径0.82毫米，台湾永汇丰科技所生产)将1微升且1.0x106cells/mL浓度的MCF-7细胞(总共1x 103个细胞)以每分钟10微升的流速注入微流道中。接着，5微升的杜尔贝科的最低基本培养基装置以每分钟0.3微升的流速注入微流道中。之后，一10微升之杜尔贝科的最低基本培养基装置回流以每分钟200微升的流速来释放并移动细胞进入大容室中。“复数单细胞捕捉”之术语表示一个流体动力式转运晶片可用以在一大容室中一次补捉单一细胞，且借由重复这些程序就可在一大容室中捕捉独立之复数单细胞。“分离”表示当细胞分别在大容室中被捕捉时可物理性地分开(即使微流道流通连接于大容室)。这样的特征可使操纵单一细胞时降低对其他细胞的干扰。
细胞成像。所有细胞成像可由一倒置显微镜(日商Nikon Ti-E倒置萤光显微镜)具有一附电荷耦合器件(加拿大Qimaging生产之Retiga-4000DC)以及一控制软体(日商NIS-Elements Ar以及Nikon提供)来获得。
结果
装置设计及操作。微流道装置由聚二甲基硅氧烷并黏合到一玻璃基板上。在制作聚二甲基硅氧烷之部分，三层结构的SU-8母模由微影蚀刻所制成。我们制作了两个流体动力式转运晶片。图1A至1D分别显示了设计一中第一层到第三层光罩以及三层光罩重迭的上视图。
图2显示SU-8模(A至C)以及设计1完成的聚二甲基硅氧烷在玻璃上之流体动力式转运晶片(D至F)。图2A显示第一层具有SU-8structure之局限通道330(每一通道长3.8微米、宽5.0微米以及高4.3微米)。第二层创造了回避通道360(每一通道宽25.0微米以及高23.0微米)以及大容室340(每一大容室口径500微米以及高23.0微米)其连接通过局限通道连接于回避通道(图2B)。第三层光罩(高57.8微米)建造在第二层光罩上以增加大容式的高度以及容量(图2C)。因此，设计1装置的大容室之最后高度可为57.8微米。对设计2而言，每一局限通道可为5.1μm长、6.5微米宽以及4.9微米糕。回避通道25微米宽以及23.3微米高，然而每一大容室口径500微米以及高82.0微米。
请参阅图2D，为确保每一细胞捕捉处仅局限一单细胞，流速Q1以及流速Q2(流速Q1以及流速Q2分别微穿过路径A及路径B之流速)之设计使第一进入细胞穿过路径A(即朝向局限通道330移动，如箭头a所标示的方向)而非路径B(即朝向回避通道360移动，如箭头b所标示的方向)，而导致细胞被局限于捕捉处(如箭头c所标示)。路径A的流阻会在细胞局限于捕捉处时增加，因此Q1与Q2的比值下降而导致下一个进入细胞穿越路径B而非路径A。达西-韦史巴赫方程可用于计算微流道的流阻(式1)：
Figure BDA0001579073270000081
P是流体的驱动压力，C(α)是一微流道的长宽比例(0<α<1)常数，μ为流体黏滞度，L代表通道长度，Q是体积流速，R是周长以及A是微流道的截面面积。
为了确保所设计的局限通道330在层流系统中的任何流速皆可作用，细胞的中心可位于路径A的流线内。我们定义了细胞中心到进入通道的内壁为X以及进入通道的宽度为Y。当Q1/Q2的比例大于(Y–X)/X时(式2)，于任何层流区域中的流速下，细胞皆会被局限在捕捉处。
Figure BDA0001579073270000091
对设计1之流体动力式转运晶片而言，其制品具有的Q1/Q2值为3.563大于2.125之门槛值(如表1)，以确保第一进入细胞穿过路径A而非路径B且局限于捕捉处。图2E显示流体动力式转运晶片中捕捉处322以及大容室340的一放大图，而图2F显示整个流体动力式转运晶片200内含384个大容室以及一入口与一出口孔洞。设计2的流体动力式晶片的
Q1/Q2值为3.391大于2.125之门槛值(如表1)。表1显示微流道的阻值比例。
表1
Figure BDA0001579073270000092
流体动力式转运晶片所适用的细胞尺寸依局限通道以及回避通道的尺寸。细胞尺寸必须小于回避通道的截面以避免细胞堵塞在回避通道，但细胞尺寸需大于局限通道的截面，以避免细胞穿越局限通道而没局限在捕捉处。
请参阅图2D-F以及图3，流体动力式转运晶片200包含单细胞局限单元阵列，而每一单细胞局限单元包含：(a)一入口通道320具有长度L1、宽W1以及高H1，并具有一前端320a及一后端320b相对于前端320a，其中前端具有一捕捉处322；(b)一大容室340具有直径M以及深度D，大容室340位于入口通道之捕捉处322的后方且具有一接收结构342以一距离g间隔于捕捉处322，大容室并具有一内部空间用来使多于一之单细胞接着、成长、增生及/或转移；(c)一局限通道330长L2、宽W2以及高H2，局限通道330位于捕捉处322以及接收结构342之间且流通连接于入口通道320以及大容室340；(d)一容室通道350其长L3、宽W3以及高H3可流通地位于大容室340后方且具有一前端350a及一后端350b相对前端350a，容室通道的高H3小于大容室的高D；以及(e)一回避通道360其长L4、宽W4以及高H4，回避通道360并列于入口通道320、大容室340以及容室通道350且具有一第一端360a及一第二端360b相对第一端360a。第一端360a自正位于捕捉处前方的入口通道320分支出，而第二端360b则由容室通道350的后端350b接合于容室通道350。回避通道360的宽W4及高H4分别大于局限通道330的宽W2及高H2。
流体动力式转运晶片的作程序如以下步骤：
请参阅图3A，一细胞悬浮液由单元300之输入通道310注入。个别细胞进入一阵列栏中之第一单元300之入口通道320。第一单细胞370局限于第一单元300之入口通道320之捕捉处322。阵列栏中的单元300……,306,307流通地连接。每一阵列栏之最后一单元307具有一出口通道390连接于输出通道392。请参阅图3B，当一个别细胞370局限于单元306之入口通道320之捕捉处322时，将导致流往大容室340的流路的流阻增加，接下来的细胞380将迂回地流往单元306之回避通道360，然后进入一个紧邻之上游单元307之入口通道320并局限于其捕捉处322。请参阅图3C，一细胞捕捉装置用于清洗微流道中多余的细胞。请参阅图3D，一培养装置可用于通过单元307之输出通道392及出口通道390回冲微流道。单元307中捕捉到的细胞380自单元307之入口通道320之捕捉处322释放，然后通过单元306的容室通道350流入紧邻之上游单元306的大容室340中。
对设计1而言，1)借由一注射泵将一微升的细胞悬浮液以每分钟10微升的流速注入输入通道。个别细胞流入单一栏之第一单元之进口通道，而第一细胞局限于捕捉处(如图3A所示)。当一细胞局限于捕捉处，将导致流往大容室的流路的流阻增加，接续的细胞将迂回地流往回避通道(如图3B)并进入一紧邻之上游单元的入口通道(如图3B)。2)5微升的清理装置借由一注射泵以每分钟0.3微升的流速注入通道中(如图3C)以将多余的细胞洗出微流道。3)最后，一0.6微升的清理装置之回流以每分钟10微升的速度导入微流道中，以将捕捉到的细胞自捕捉处释放并传输这些细胞进入大容室中(如图3D)。因为流入大容室的流阻小于穿过回避通道的流阻，因此被释放的细胞可流入大容室中而非回避通道。此外，因为大容室之加大的截面面积，大容室中的流速可大幅的减低，可避免注入大容室中的细胞被流体带走而被困在接收结构与局限通道的交界。就MCF-7细胞的示范而言，整体程序可在20分钟内呈现。借由重复以上步骤，其他细胞类型之个别细胞可注入大容室中。
对设计2而言，包含以下三操作步骤：1)借由一注射泵将5微升的细胞悬浮液以每分钟0.3微升的流速注入通道中。在此步骤中个别的单细胞局限于捕捉处。2)5微升的清理装置借由一注射泵以每分钟0.3微升的流速注入通道中以将多余的细胞洗出微流道。3)最后，一10微升的清理装置之回流以每分钟200微升的速度导入微流道中，以将捕捉到的细胞自捕捉处释放并传输这些细胞进入大容室中。以上整体程序可在40分钟内呈现。
图4显示MCF-7单细胞捕捉于大容室之序列影像。请参阅栏(A)：最上方之影像显示回避通道以及入口通道接口附近的两单细胞，第一细胞在一下游单元之入口通道中，第二细胞在一上游单元之回避通道中。第二影像显示第一细胞流往下游单元之容室捕捉处，且第二细胞已流入下游单元之入口通道中。第三影像显示第一细胞受限于下游单元的捕捉处，且第二细胞跟在第一细胞后面。底部影像显示第二细胞回避了捕捉处且流入下游单元之回避通道。
COMSOL模拟。COMSOL之层流模组基于操作程序下用于模拟流速。穿过局限通道的流速远高于穿过局限通道的流速，这表示注射入的细胞会朝向局限通道流动(如图5)。模拟结果亦显示容室之大截面面积可大幅地降低大容室中的流线流速。
图6显示设计1之流体动力式转运晶片中之MCF-7细胞捕捉效率。细胞染上钙黄绿素-AM绿色萤光染料以便观察。图6A显示单细胞在捕捉处遭到捕捉(以实线圆圈标示)，图6A显示大容室中被捕捉的细胞(以虚线圆圈标示)。图6C显示在捕捉处之单细胞局限效率以及单细胞捕捉于大容室中。
图7显示在设计2之流体动力式转运晶片中MDA-MB-231与MCF-7单细胞之配对结果。上视照片大容室中已配对的单细胞。MCF-7细胞(以实线圆圈标示)染上钙黄绿素-AM绿色萤光染料，MDA-MB-231细胞染上红色DiL萤光染料。比例尺：1毫米。"1A"之术语表示“一MDA-MB-231单细胞”。"1B"之术语表示“一MCF-7单细胞”。"1A+1B"之术语表示“一MDA-MB-231单细胞以及一MCF-7单细胞”。">1A+1B"之术语表示“多于一MDA-MB-231单细胞以及一MCF-7l单细胞”，提示：一MCF-7单细胞与一MDA-MB-231单细胞，外加额外的一MCF-7单细胞或一MDA-MB-231单细胞。
图8显示大容室中单一以及复数单细胞之捕捉效率。
前述本发明的示范实施例之说明仅是为了说明与描述本发明，并非用来详尽无遗地描述本发明或是用来将本发明限制在所揭露的态样中。在按照上述教示后可对前述实施例态样进行调整与改变。本发明所提的实施例与范例是为了解释本发明的原理以及应用，以使在此领域具有通常知识者能利用本发明之各种实施例与范例，使在此领域具通常知识者仔细考量后对本发明的实施例与范例进行改变以供其特定用途。对于在此领域中具有通常知识者而言，不违背本发明精神与范围之替代性的实施例是显而易见的。本发明的主张范围是由所附申请专利范围定义而不局限在前述的说明与示范实施例之内容。

Claims (15)

1.一种流体动力式转运晶片，其特征在于，该流体动力式转运晶片包含一单细胞局限单元阵列，每一单细胞局限单元包含：
(a)一入口通道具有高L1、宽W1以及高H1，该入口通道并具有一前端以及一后端相对该前端，其中该后端具有一捕捉处；
(b)一大容室具有直径M以及深度D，该大容室位于入口通道之该捕捉处的后方并具有一接收结构以一距离g间隔于该捕捉处，该大容室并具有一内部空间用来使多于一个之单细胞附着、成长、增生及/或转移；
(c)一局限通道其长L2、宽W2以及高H2，该局限通道位于该捕捉处以及该接收结构之间且流通于该入口通道以及该大容室；
(d)一容室通道其长L3、宽W3以及高H3，该容室通道可流通地位于该大容室后方且具有一前端及一后端相对该前端，该容室通道的该高H3小于该大容室的该深度D；以及
(e)一回避通道其长L4、宽W4以及高H4，该回避通道并列于该入口通道、该大容室以及该容室通道且具有一第一端及一第二端相对该第一端，该第一端自正位于该捕捉处前方的该入口通道分支出，而该第二端则由该容室通道的该后端接合于该容室通道，该回避通道的该宽W4及该高H4分别大于该局限通道的该宽W2及该高H2；
其中在每一阵列栏中：
(i) 复数之该单细胞局限单元彼此可流通地连接；
(ii)除了第一单元以外，每一单元的该入口通道可流通地连接于一紧邻之上游单元之该容室通道；以及
(iii)除了最后一个单元以外，每一单元的该回避通道流通地连接于一紧邻之下游单元之该入口通道。
2.如权利要求1所述的流体动力式转运晶片，其中在每一阵列栏中，每一单元之该容室通道流通地连接于一紧邻之下游单元之该入口通道。
3.如权利要求2所述的流体动力式转运晶片，其中每一阵列栏之最后一个单元的容室通道流通于一出口通道。
4.如权利要求3所述的流体动力式转运晶片，其中每一阵列栏之第一个单元之入口通道流通连接于一输入通道，且该最后一个单元之该出口通道流通连接于一输出通道。
5.如权利要求4所述的流体动力式转运晶片，更包含
(a)一输入部流通连接于该输入通道；以及
(b)一输出部流通连接于该输出通道。
6.如权利要求5所述的流体动力式转运晶片，其中位于该阵列栏中之该单细胞局限单元通过该输入通道及该输出通道彼此流通连接。
7.如权利要求1所述的流体动力式转运晶片，其中该入口通道、该局限通道、该容室通道以及该回避通道之表面涂布有白蛋白。
8.如权利要求1所述的流体动力式转运晶片，更包含一或多种独立单细胞于该大容室中。
9.如权利要求8所述的流体动力式转运晶片，更包含至少两种独立单细胞于该大容室中。
10.如权利要求1所述的流体动力式转运晶片，更包含一单细胞悬浮液，其中该单细胞的尺寸小于该回避通道的截面但大于该局限通道之截面。
11.如权利要求1所述的流体动力式转运晶片，其中该流体动力式转运晶片黏合于一透明基板。
12.如权利要求1所述的流体动力式转运晶片，其中该流体动力式转运晶片选自一群组其由聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane)、聚甲基丙烯酸甲酯( polymethylmethacrylate)以及聚碳酸酯(polycarbonate)、玻璃(glass)、热塑性材料(thermoplasticmaterials)以及任何以上材料之组合所组成。
13.如权利要求1所述的流体动力式转运晶片，其中该回避通道侧向迂回地穿过该单元之一侧。
14.一种捕捉独立单细胞之方法，包含：
(a)提供一如权利要求1中之流体动力式运转晶片；
(b)将包含单一种类之独立单细胞之一培养介质置入阵列的一单行中的第一个单细胞局限单元之该入口通道中；
(c)在该捕捉处捕捉单一种类之独立单细胞；
(d)以一清理培养介质洗去未捕捉到之多余细胞；以及
(e)以一介质回冲这些通道以释放捕捉到的单一种类独立单细胞，并使这些被释放的细胞逆流进入该些大容室中。
15.一种捕捉多种类独立单细胞之方法，包含：
(a)提供一如权利要求1之流体动力式运转晶片；
(b) 将一培养介质包含一特定种类之独立单细胞置入阵列的一单行中第一单细胞局限单元之该入口通道中；(c)在捕捉处捕捉该特定种类之独立单细胞；
(d)以一清理培养介质洗去未捕捉到之多余细胞；
(e)以一介质回冲这些通道以释放捕捉到的该特定种类独立单细胞，并使这些被释放的细胞逆流进入大容室中；以及
(f)依照不同种类独立单细胞的条件重复上述置入、捕捉、清理以及回流之步骤一或更多次。
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