CN108684655A - 一种螺旋回转形流道低温保护剂处理微流体芯片 - Google Patents
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Abstract
一种螺旋回转形流道低温保护剂处理微流体芯片，用于向细胞悬浮液添加或去除低温保护剂。芯片包括细胞侧芯片、半透膜和置换侧芯片，细胞侧芯片和置换侧芯片均贴合在半透膜上；细胞侧芯片和置换侧芯片上均有微流道，且微流道均包括入口段、交换段和出口段；细胞侧芯片或置换侧芯片上微流道的交换段为形状相同的螺旋回转结构，在半透膜两侧对称布置。当用于低温保护剂处理时，细胞悬浮液和置换液在半透膜两侧微流道内逆向流动，在半透膜两侧形成连续的跨膜压，驱动溶液通过半透膜流动；细胞悬浮液在芯片中连续被浓缩或稀释，实现对细胞悬浮液中的低温保护剂浓度的控制，且可避免局部跨膜压突变引起的细胞损失。
Description
技术领域
本发明涉及细胞低温保存领域，具体为用于向细胞悬浮液添加或去除低温保护剂的微流控芯片。
背景技术
低温保存广泛应用于稀有血型红细胞、干细胞、免疫细胞等生命材料的长期保存。虽然细胞可以在深低温下长期安全保存，但保存过程中的其他处理环节(如降温、复温等)都有可能对生物材料造成一定的损伤，即所谓的低温损伤。为了避免或减小低温损伤，常常在低温保存过程添加低温保护剂，以及在复苏冷冻细胞的过程中去除低温保护剂。
传统的低温保护剂添加或去除主要是基于离心分离的方法，但该方法存在一系列问题：一方面，该方法通常比较繁琐，例如一个单位的红细胞的去除低温保护剂操作耗时长达数个小时；另一方面，处理过程容易导致大量的细胞损失，例如据Antonenas等人报导脐带血干细胞在复温后去除低温保护剂过程中有核细胞损失的比例高达27.2％(BoneMarrow Transplantation,2004,34,739)。
为解决离心式低温保护剂处理方法的相关问题，中国专利ZL200720037535.1和ZL201210032654.3先后提出了运用透析和超滤原理的膜分离式低温保护剂处理方法。但这些方法应用宏观流动装置(特别是商用透析器、超滤器)进行处理，对处理对象的体积有限制，难以处理小体积对象。一些文献提出了应用微流控式低温保护剂处理方法，可以处理小体积对象，但传质效率差，处理通量低，如Song等采用具有S形流道的微流控处理系统，处理通量仅为2微升/分钟(Lab on a Chip,2009,9,1874–1881)。
膜分离法和微流控法的结合有望更好地适应小体积对象的处理需求，即通过微流体在半透膜两侧的流动与跨膜传质实现安全高效的低温保护剂处理。但微流道的设计同样非常关键，因为流道的拓扑结构一方面影响了总体的传质效率，另一方面还影响膜两侧的跨膜压分布进而影响细胞安全性。传统的直流道或S形流道并不能真正发挥这两种方法结合的优势。直流道的主要问题在于，在有限的总体尺寸下直流道长度以及能够利用的膜面积有限，导致系统的传质效率仍然不足。例如Lusianti和Higgins采用具有直流道的微流控系统，仿真和实验证明需要多级串连也才实现充分的低温保护剂处理(Biomicrofluidics,2014,8,054124)。S形流道的主要问题在于，流道在每个回转部位都存在压力梯度以及相应的跨膜压突变，导致在该部位细胞安全性存在不可控隐患。
发明内容
本发明的目的是提供一种螺旋回转形流道低温保护剂处理微流体芯片，运用螺旋回转形的流道拓扑结构，使得在有限的总体尺寸下获得更大的流道长度，提高处理效率，并且维持流道内均匀的压力梯度，避免跨膜压突变引起的细胞损伤风险。
所述螺旋回转形流道低温保护剂处理微流控芯片，包括细胞侧芯片、半透膜和置换侧芯片，细胞侧芯片和置换侧芯片均贴合在半透膜上；细胞侧芯片和置换侧芯片上均有微流道，且微流道均包括入口段、交换段和出口段；细胞侧芯片和置换侧芯片上微流道的交换段为形状相同的螺旋回转结构，在半透膜两侧对称布置；半透膜为同样的螺旋回转结构，且宽度大于细胞侧芯片和置换侧芯片上的流道宽度；细胞侧芯片的入口段连通细胞悬浮液入口，细胞侧芯片出口段连通细胞悬浮液出口，置换侧芯片的入口段连通置换液入口，置换侧芯片的出口段连通置换液的出口。当用于低温保护剂处理时，细胞悬浮液和置换液在半透膜两侧微流道内逆向流动，在半透膜两侧形成连续的跨膜压，驱动溶液通过半透膜流动；当细胞侧芯片微流道内压力大于置换侧芯片微流道内压力，细胞悬浮液的胞外溶液向置换液流动，细胞被半透膜截留，细胞悬浮液被浓缩；当细胞侧芯片微流道内压力小于置换侧芯片微流道内压力，置换液向细胞悬浮液流动，细胞悬浮液被稀释；在连续的浓缩或稀释作用下，实现对细胞悬浮液中的低温保护剂浓度的控制。
所述螺旋回转结构的轴线由若干相连且相切的半圆弧组成，可分为A组和B组；A组所有半圆弧同心，最内层即第一层半圆弧半径为R1，相邻每一层之间半径相差2倍R1；B组所有半圆弧同心，第一层半圆弧半径也为R1，且圆心距A组半圆弧的圆心为2倍R1；A组的第一层半圆弧一端连接B组的第一层半圆弧，另一端连接B组的第二层半圆弧；A组的第二层半圆弧一端连接B组的第一层半圆弧，另一端连接B组的第三层半圆弧；B组的第二层半圆弧一端连接A组的第一层半圆弧，另一端连接A组的第三层半圆弧。
所述细胞侧芯片和置换侧芯片的微流道的入口段与出口段为直流道，其轴线与微流道的交换段的轴线相切；细胞侧芯片微流道的入口段贴近置换侧芯片的出口段，细胞侧芯片的出口段贴近置换侧芯片的入口段。
所述半透膜为平面微滤膜，厚度小于200微米，孔径小于0.22微米，外廓最大尺寸介于10～300毫米，材料为混合纤维素酯或聚醚砜。
所述细胞侧芯片和置换侧芯片上的微流道的深度介于0.1毫米至0.5毫米，宽度介于0.5毫米至10毫米，长度介于100毫米至1000毫米。
所述细胞侧芯片、置换侧芯片和半透膜以三明治结构叠加，半透膜处于细胞侧芯片和置换侧芯片之间，通过高分子胶粘合装配形成整体芯片。
本发明的有益技术效果是：
(1)在同样的总体尺寸下，本发明所述芯片的螺旋回形流道具有比直流道更大的流道长度，相应地获得更充分的膜交换传质；同时结合微滤膜较大的通透能力，使得细胞悬浮液在单次通过条件下即可实现充分的低温保护剂处理。
(2)本发明所述芯片微流道内的压力梯度分布均匀，细胞在芯片中经历的外环境渗透压变化平缓，避免传统流道(如S形流道)局部跨膜压突变引起的细胞安全性问题。
(3)通过运用不同尺寸的半透膜及流道，可灵活实现数十微升至数百毫升细胞悬浮液的添加或去除低温保护剂处理。
附图说明
图1是本发明所述低温保护剂处理芯片的原理示意图
图2是实施例的细胞侧微流道结构示意图
图3是实施例的置换侧微流道结构示意图
图4是实施例的半透膜结构示意图
图5是实施例在添加低温保护剂时芯片流道中压强分布
图6是实施例在添加低温保护剂时的跨膜流动情况
图7是实施例在添加低温保护剂时细胞悬侧流道中低温保护剂浓度分布
图8是实施例在去除低温保护剂时芯片流道中压强分布
图9是实施例在去除低温保护剂时的跨膜流动情况
图10是实施例在去除低温保护剂时细胞悬侧流道中低温保护剂浓度分布
图中，1为细胞侧芯片，2为置换侧芯片，3为半透膜，4为双面粘合胶片，11细胞侧芯片的微流道，21为置换侧芯片的微流道，111为细胞侧芯片的交换段，112为细胞侧芯片的入口段，113为细胞侧芯片的出口段，211为置换侧芯片的交换段，212为置换侧芯片的入口段，213为置换侧芯片的出口段。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
参见图1，一种螺旋回转形低温保护剂处理微流控芯片，包括细胞侧芯片1、置换侧芯片2和半透膜3，细胞侧芯片1和置换侧芯片2均贴合在半透膜3上，细胞侧芯片1和置换侧芯片2之间通过双面胶片4粘合固定。
参见图2，细胞侧芯片1上刻有微流道11，且微流道11包括入口段112、交换段111和出口段113，流道宽度均为Wc＝0.8毫米，深度均为Hc＝0.5毫米；微流道11的交换段111为螺旋回转结构，由多个相连且相切的半圆弧构成，分为A组和B组；A组包括3层同心的半圆弧，第一层半圆弧半径为R1＝10毫米，第二层半圆弧半径为R2＝30毫米,，第三层半圆弧半径为R3＝50毫米；B组同样包括3层同心的半圆弧，第一层半圆弧半径为R1，第二层半圆弧半径为R2，第三层半圆弧半径为R3；A组半圆弧与B组半圆弧的圆心距为2倍R1；A组第一层半圆弧一端和B组第一层半圆弧一端相连，另一端与B组的第二层半圆弧相连；A组第二层半圆弧一端和B组第一层半圆弧一端相连，另一端与B组的第三层半圆弧相连；A组第三层半圆弧一端和B组第二层半圆弧一端相连，另一端与入口段112的轴线相连；B组每三层的另一端与出口段113的轴线相连。
参见图3，置换侧芯片2上刻有微流道21，且微流道21包括入口段212、交换段211和出口段213，流道宽度均为Wc，深度均为Hc；微流道21的交换段211为螺旋回转结构，其拓朴结构和尺寸与细胞侧芯片1的微流道11的交换段111一致，在半透膜3两侧对称布置。
参见图4，半透膜3为与微流道11的交换段111或微流道21的交换段211同样的螺旋回转结构，宽度Wm＝5毫米，厚度为0.15毫米，材料为聚醚砜，平均孔径为0.22微米。
细胞侧芯片1的入口段112连通细胞悬浮液入口，细胞侧芯片1出口段113连通细胞悬浮液出口，置换侧芯片2的入口段212连通置换液入口，置换侧芯片的出口段213连通置换液的出口。
干细胞低温保存常用低温保护剂为二甲基亚砜(DMSO)，浓度为10％。为了向细胞悬浮液中添加DMSO至这一目标浓度，可采用如下设置：采用DMSO浓度为20％的溶液作为置换液，而新鲜细胞悬浮液中DMSO的初始浓度为0％；设置所述螺旋回转形低温保护剂处理微流控芯片的细胞悬浮液入口流量为3ml/min，细胞悬浮液的出口开放；置换液的入口流量为3ml/min，置换液的出口流量为0。
在此条件下，置换侧芯片2的微流道21中的压强始终大于细胞侧芯片1的微流道11对应位置处的压强，如图5所示。在跨膜压驱动下，置换液持续通过跨膜流动进入细胞悬浮液，即跨膜流率始终为正值，如图6所示。细胞侧芯片1的微流道11中DMSO的浓度分布如图7所示，可见从入口(相对位置为0)至出口(相对位置为1)DMSO浓度呈连续、均匀的上升，因此可以预期细胞在添加低温保护剂过程中所经历的渗透压变化平稳，细胞的渗透性损伤较小。在出口处低温保护剂浓度达到10％，实现添加目的。
在低温保存后，可采用如下设置去除细胞悬浮液中的低温保护剂：采用DMSO浓度为0％的溶液作为置换液，而细胞悬浮液中DMSO的初始浓度为10％；设置所述螺旋回转形低温保护剂处理微流控芯片的细胞悬浮液入口流量为3ml/min，细胞悬浮液的出口开放；置换液的入口流量为18ml/min，置换液的出口流量为18ml/min。
在此条件下，靠近细胞悬浮液入口一侧(相对位置0～0.5)，细胞侧芯片1的微流道11中压强大于置换侧芯片2的微流道对应位置处压强，而在靠近细胞悬浮液出口一侧(相对位置0.5～1)，细胞侧芯片1的微流道11中压强小于置换侧芯片2的微流道对应位置处压强，如图8所示。在跨膜压驱动下，在靠近细胞悬浮液入口一侧细胞悬浮液的部分胞外溶液通过跨膜流动进入置换液，即跨膜流率为负，细胞悬浮液被浓缩；在靠近细胞悬浮液出口一侧置换液通过跨膜流动进入细胞悬浮液，即跨膜流率为正，细胞悬浮液被稀释，如图9所示。在这种持续的“浓缩-稀释”作用下，细胞侧芯片1的微流道11中DMSO的浓度分布如图10所示。可见从入口(相对位置为0)至出口(相对位置为1)，DMSO浓度呈连续、均匀的下降，没有浓度的突变，因此可以预期细胞在去除低温保护剂过程中所经历的渗透压变化平稳，细胞的渗透性损伤较小。在出口处，DMSO的浓度已降至1％以下，达到去除低温保护剂目的。细胞悬浮液的出口流量为3ml/min，可以匹配输注要求，从而实现在向病人输注细胞悬浮液的同时进行去除低温保护剂。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种螺旋回转形流道低温保护剂处理微流控芯片，其特征在于：所述螺旋回转形流道低温保护剂处理微流控芯片，包括细胞侧芯片、半透膜和置换侧芯片，细胞侧芯片和置换侧芯片均贴合在半透膜上；细胞侧芯片和置换侧芯片上均有微流道，且微流道均包括入口段、交换段和出口段；细胞侧芯片和置换侧芯片上微流道的交换段为形状相同的螺旋回转结构，在半透膜两侧对称布置；半透膜为同样的螺旋回转结构，且宽度大于细胞侧芯片和置换侧芯片上的流道宽度；细胞侧芯片的入口段连通细胞悬浮液入口，细胞侧芯片出口段连通细胞悬浮液出口，置换侧芯片的入口段连通置换液入口，置换侧芯片的出口段连通置换液的出口；当微流控芯片用于低温保护剂处理时，细胞悬浮液和置换液在半透膜两侧微流道内逆向流动，在半透膜两侧形成连续的跨膜压，驱动溶液通过半透膜流动；当细胞侧芯片微流道内压力大于置换侧芯片微流道内压力，细胞悬浮液的胞外溶液向置换液流动，细胞被半透膜截留，细胞悬浮液被浓缩；当细胞侧芯片微流道内压力小于置换侧芯片微流道内压力，置换液向细胞悬浮液流动，细胞悬浮液被稀释；在连续的浓缩或稀释作用下，实现对细胞悬浮液中的低温保护剂浓度的控制。
2.根据权利要求1所述螺旋回转形流道低温保护剂处理微流控芯片，其特征在于：所述螺旋回转结构的轴线由若干相连且相切的半圆弧组成，可分为A组和B组；A组所有半圆弧同心，最内层即第一层半圆弧半径为R1，相邻每一层之间半径相差2倍R1；B组所有半圆弧同心，最内层即第一层半圆弧半径也为R1，且圆心距A组半圆弧的圆心为2倍R1；A组的第一层半圆弧一端连接B组的第一层半圆弧，另一端连接B组的第二层半圆弧；A组的第二层半圆弧一端连接B组的第一层半圆弧，另一端连接B组的第三层半圆弧；B组的第二层半圆弧一端连接A组的第一层半圆弧，另一端连接A组的第三层半圆弧。
3.根据权利要求1所述螺旋回转形流道低温保护剂处理微流控芯片，其特征在于：所述细胞侧芯片和置换侧芯片的微流道的入口段与出口段为直流道，其轴线与微流道的交换段轴线相切；细胞侧芯片微流道的入口段贴近置换侧芯片的出口段，细胞侧芯片的出口段贴近置换侧芯片的入口段。
4.根据权利要求1所述螺旋回转形流道低温保护剂处理微流控芯片，其特征在于：所述半透膜为平面微滤膜，厚度小于200微米，孔径小于0.22微米，外廓最大尺寸介于10～300毫米，材料为混合纤维素酯或聚醚砜。
5.根据权利要求1所述螺旋回转形流道低温保护剂处理微流控芯片，其特征在于：所述细胞侧芯片或置换侧芯片上的微流道的深度介于0.1毫米至0.5毫米，宽度介于0.5毫米至10毫米，长度介于100毫米至1000毫米。
6.根据权利要求1所述螺旋回转形流道低温保护剂处理微流控芯片，其特征在于：所述细胞侧芯片、置换侧芯片和半透膜以三明治结构叠加，半透膜处于细胞侧芯片和置换侧芯片之间，通过高分子胶粘合装配形成整体芯片。
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