CN110004059B - 一种3d打印类河弯截面微流通道的微流控芯片及微流通道的设计方法 - Google Patents

一种3d打印类河弯截面微流通道的微流控芯片及微流通道的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种3D打印类河弯截面微流通道的微流控芯片及其中微流通道的设计方法，微流控芯片中的微流通道设计为螺旋结构，微流通道横截面为类河弯横截面，肿瘤细胞在本发明类河弯横截面中受到两种作用力，剪切梯度诱导的升力(FS)和迪恩环流引发的曳力(FD)。在一定的流速下，FS和FD在横截面特定区域达到平衡，相互抵消，使得肿瘤细胞在该区域内聚焦，而血细胞由于体积过小，难以达到受力平衡状态，呈现散乱排布状态，在出口处，大小范围在16～30μm的肿瘤细胞在第二出口宽度范围内聚焦，并由第二出口流出，散乱排布的血细胞同时由三个出口流出，因此实现了肿瘤细胞的富集。

Description

一种3D打印类河弯截面微流通道的微流控芯片及微流通道的 设计方法
技术领域
本发明属于微流控芯片技术领域，涉及一种3D打印类河弯截面微流通道的微流控芯片及微流通道的设计方法。
背景技术
在癌症发展过程中，肿瘤能释放循环肿瘤细胞以及其他的生物标志物，进入循环系统和淋巴系统向远处位点迁移。通过对循环肿瘤细胞的分析，液体活检能够在肿瘤的预测、监控和预后中发挥作用。因此，循环肿瘤细胞检测是对抗癌症的有效手段。由于在肿瘤患者血液中，循环肿瘤细胞数量稀少，因此循环肿瘤细胞的富集技术至关重要。近年来，微流控技术因其体积小、检测速度快、试剂用量小、成本低、多功能集成、通量高等特点，在肿瘤细胞富集方面得到了广泛关注。同时，3D打印技术的兴起，使微流控芯片的快速、自动化制造成为可能。3D打印微流控芯片在肿瘤早期检测领域具有广阔的前景。
然而，在使用常规3D打印机一次性成型的微流控芯片中，经典的微流控横截面包括圆形、矩形和梯形，均无法实现有效的无标记肿瘤细胞富集。
在常规3D打印的尺度下，需要一种全新的微流通道横截面，能够实现肿瘤细胞在3D打印微流控芯片中的富集。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种3D打印类河弯截面微流通道的微流控芯片及微流通道的设计方法，能够在较大尺度下实现作用在肿瘤细胞上的流体力学作用力的平衡，完成在常规3D打印的尺度下肿瘤细胞的富集。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种3D打印类河弯截面微流通道的微流控芯片，包括3D打印的芯片本体，芯片本体上设有依次连通的芯片入口、微流通道和芯片出口；微流通道呈圆柱螺旋线形式设计；
微流通道的横截面由直线和圆锥曲线围成，直线的一端与圆锥曲线的一端连接，直线的另一端与圆锥曲线的另一端连接；圆锥曲线的Rho为0.55～0.95；当构建横截面外接矩形时，直线与外接矩形的一条外接边重合，与该外接边连接的另外两条边分别为第一外接边和第二外接边，圆锥曲线的顶点距直线的垂直距离为N，圆锥曲线的顶点距第一外接边的距离为M，M为N的1～6倍；
芯片出口包括第一出口、第二出口和第三出口，第一出口、第二出口和第三出口沿第一外接边到第二外接边的方向依次布置；第二出口的中心位于微流通道的横截面中心偏向第二外接边侧，且第二出口的中心与微流通道的横截面中心的偏离距离为第一外接边和第二外接边之间垂直距离的0～0.2倍。
优选的，直线的一端通过第一圆角线与圆锥曲线的一端连接，直线的另一端通过第二圆角线与圆锥曲线的另一端连接。
进一步的，第一圆角线的半径为0～0.1mm，第二圆角线的半径为0～0.3mm。
优选的，第一外接边位于微流通道的内侧，第二外接边位于微流通道的外侧。
优选的，微流通道的曲率半径为10～60mm，螺距为0.6～3mm。
优选的，直线长度为0.5～1.5mm，M为0.3～0.7mm，N为0.6～1.4mm，第二出口的中心与微流通道的横截面中心的偏离距离为0～0.2mm。
优选的，微流通道的曲率半径R和微流通道水力直径DH与待富集粒子的直径a的关系如式(8)所示：
Figure BDA0002024551040000021
其中Rf为大于0.037的已知值。
所述的3D打印类河弯截面微流通道的微流控芯片中微流通道的设计方法，包括如下步骤：
步骤1，理论确定微流通道内粒子惯性聚焦的最优条件；
微流通道内粒子受到惯性升力FL和迪恩力FD，当二者平衡时，微流通道内的粒子为惯性聚焦；
惯性升力FL，的计算公式如下式(2)所示：
Figure BDA0002024551040000031
ρ是流体密度，单位为kg/m3；U是流体平均速度，单位为m/s；a是待富集粒子的直径，单位为m；DH是微流通道水力直径，单位为m；x是待富集粒子的直径在微流通道横截面的位置，h是微流通道横截面积的长度，单位为m；Re为雷诺数，其计算公式如下式(3)所示：
Figure BDA0002024551040000032
式中，μ为流体动力粘度，其单位为Pa·s；
迪恩力FD的计算公式为式(7)：
Figure BDA0002024551040000033
式中，R为微流通道曲率半径；
定义为Rf，其公式为：
Figure BDA0002024551040000034
其中，Rf值大于0.037时待富集粒子聚焦会发生，当a和DH确定时，Rf的影响因素为曲率半径R；
步骤2，通过COMSOL多物理场有限元分析仿真圆锥曲线的顶点距第一外接边的距离为M，设定模型中圆锥曲线的顶点距直线的垂直距离为N、流体流速、流体密度、流体动力粘度，M设定为500-1500μm之间的多个不同数值；旋涡中心与第二外接边的垂直距离记为D，第一外接边和第二外接边之间的垂直距离记为S，进行仿真试验，当设定的M值使D与S之比越小时，聚焦效果越好。
优选的，步骤2中，通过COMSOL多物理场有限元分析软件对M进行仿真时，流体流速设定为720μL/min，流体密度设定为1000kg/m3，动力粘度设定为0.001Pa·s。
优选的，还包括：步骤3中，运用粒子进行流速的聚焦实验，具体步骤为：
(1)配粒子溶液；
(2)将粒子溶液分别按照不同的流速注入至微流通道内，流速的范围为200-600μL/min；
(3)拍摄不同流速下粒子在微流通道内的荧光图像；
(4)通过步骤(3)拍摄的不同流速的荧光图像，观察不同流速下粒子在微流通道内的聚焦情况，确定粒子在流速为400μL/min时聚焦最紧密。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明微流控芯片中的微流通道设计为螺旋结构，螺旋的作用是为流体提供横向的二次流以产生迪恩环流，在迪恩环流的作用下，微流通道内的细胞沿环流方向运动，肿瘤细胞在本发明类河弯横截面中受到两种作用力，剪切梯度诱导的升力(FS)和迪恩环流引发的曳力(FD)。在一定的流速下，FS和FD在横截面特定区域达到平衡，相互抵消，使得肿瘤细胞在该区域内聚焦，而血细胞由于体积过小，难以达到受力平衡状态，呈现散乱排布状态，在出口处，大小范围在16～30μm的肿瘤细胞在第二出口宽度范围内聚焦，并由第二出口流出，散乱排布的血细胞同时由三个出口流出，因此实现了肿瘤细胞的富集。本发明中的类河弯横截面能够在较大尺度下实现作用在肿瘤细胞上的流体力学作用力的平衡，完成在常规3D打印的尺度下肿瘤细胞的富集。并且，3D打印技术在降低微流控芯片生产成本的基础上，实现生产的快速化和批量化。
附图说明
图1为微流控芯片结构示意图；
图2为微流通道横截面示意图；
图3为微流通道横截面受力分析示意图；
图4(a)为不同M截面的仿真旋度场；(b)为仿真旋度场中的等高线和涡旋中心位置；(c)和(d)为涡旋中心位置随M的变化；
图5为肿瘤细胞富集实验的荧光照片，标尺：0.5mm；
图6为本发明实例提供的3D打印类河弯截面微流通道的微流控芯片在不同流速和微流通道圈数下通道出口的粒子聚焦的荧光图；
图7为本发明实例提供的3D打印类河弯截面微流通道的微流控芯片在不同截面微流通道中出口的粒子聚焦的荧光图；
图8(a)为本发明实例提供的3D打印类河弯截面微流通道的微流控芯片的肿瘤细胞回收率；(b)为本发明实例提供的3D打印类河弯截面微流通道的微流控芯片的肿瘤细胞富集比；
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
如图1所示，本发明3D打印类河弯截面微流通道的微流控芯片，包括3D打印得到的芯片本体，芯片本体上设有依次连通的芯片入口1、微流通道2和芯片出口3。
如图1所示，微流通道2呈圆柱螺旋线形式设计，一个实施例中，曲率半径为10～60mm，螺距为0.6～3mm。
如图2所示，受河流弯道处河床形状的启发，将微流通道2的横截面设计为类河弯横截面，由直线4、圆锥曲线5、第一圆角线6和第二圆角线7围成，直线4的一端通过第一圆角线6与圆锥曲线5的一端连接，直线4的另一端通过第二圆角线7与圆锥曲线5的另一端连接，圆锥曲线5的Rho为0.55～0.95。当构建横截面外接矩形时，直线4与外接矩形的一条外接边重合，与该外接边连接的另外两条边分别为第一外接边和第二外接边，圆锥曲线5的顶点距直线4的垂直距离为N，圆锥曲线5的顶点距第一外接边的距离为M，M为N的1～6倍。
芯片出口3包括第一出口、第二出口和第三出口，第一出口、第二出口和第三出口按照从第一外接边到第二外接边的方向依次排布。第二出口的中心位于微流通道2的横截面中心偏向第二外接边侧，且第二出口的中心与微流通道2的横截面中心的偏离距离为第一外接边和第二外接边之间垂直距离的0～0.2倍。
一个实施例中，直线4长度为0.5～1.5mm，第一圆角线6的半径为0～0.1mm，第二圆角线7的半径为0～0.3mm，M为0.3～0.7mm，N为0.6～1.4mm，第二出口的中心与微流通道2的横截面中心的偏离距离为0～0.2mm。
另一个实施例中，第一外接边位于微流通道2的内侧，第二外接边位于微流通道2的外侧，第一出口的宽度为0.3～0.6mm，第二出口的宽度为0.2～0.5mm，第三出口的宽度为0.2～0.4mm。
微流控芯片中的微流通道2设计为螺旋上升结构，螺旋的作用是为流体提供横向的二次流以产生迪恩环流，在迪恩环流的作用下，微流通道内的细胞沿环流方向运动，如图3所示。富集时，肿瘤细胞与血细胞的混合样本由芯片入口1泵入，进入微流控芯片。如图3所示，肿瘤细胞在类河弯横截面中受到两种作用力，剪切梯度诱导的升力(FS)和迪恩环流引发的曳力(FD)。在一定的流速下，FS和FD在横截面中间虚线区域相互抵消，使得肿瘤细胞在该区域内聚焦。而血细胞(白细胞、红细胞、血小板)由于体积过小，难以达到受力平衡状态，呈现散乱排布状态。在出口处，聚焦的肿瘤细胞由第二出口流出，散乱排布的血细胞同时由三个出口流出，因此实现了肿瘤细胞的富集。
本发明整个设计方法具体包括以下步骤：
步骤1，计算并仿真确定微流通道内粒子惯性聚焦的最优条件；
(1)理论分析微流通道内粒子惯性聚焦的条件；
(1-1)分析微流通道内粒子的受力情况；
该微流通道适用于富集直径大于等于16μm的粒子；微流通道内粒子的受力包括惯性升力FL和迪恩力FD，当二者平衡时，微流通道内的粒子处于平衡位置，即为惯性聚焦状态；
其中，惯性升力FL，的物理计算公式为：
FL＝Fs+Fw (1)
式中，Fs是剪切梯度升力，Fw是壁诱导升力；
根据经验公式，惯性升力FL的计算公式如下式(2)所示：
Figure BDA0002024551040000071
ρ是流体密度，单位为kg/m3；U是流体平均速度，单位为m/s；a是待富集粒子的直径，单位为m；DH是微流通道水力直径，单位为m；x是待富集粒子的直径在微流通道横截面的位置，h是微流通道横截面积的长度，单位为m；Re为雷诺数，其计算公式如下式(3)所示：
Figure BDA0002024551040000072
式中，μ为流体动力粘度，其单位为Pa·s。
迪恩力FD的计算公式为：
FD＝3πμUDa (4)
式中，μ是流体动力粘度，单位为Pa·s；a是待富集粒子的直径，单位为m；UD是迪恩涡流的速度，单位为m/s，其计算公式如下式(5)所示：
Figure BDA0002024551040000081
式中，ρ是流体密度，μ是流体动力粘度，单位为Pa·s；DH是微流通道水力直径，单位为m；De是迪恩数，其计算公式如下式(6)所示：
Figure BDA0002024551040000082
式中R为微流通道的曲率半径，单位为m；结合式(4)-式(6)，可得式(7)：
Figure BDA0002024551040000083
(1-2)分析微流通道中粒子聚焦到一个平衡位置的条件及其影响因素。
根据上述描述可知，当惯性升力FL和迪恩力FD二者平衡时，微流通道内的待富集粒子处于平衡位置，因此定义Rf，计算公式如下式(8)所示，
Figure BDA0002024551040000084
其中a为待富集粒子的直径，R为微流通道曲率半径，DH为微流通道水力直径。Rf值大于0.037时待富集粒子聚焦会发生，并且为了达到较好的聚焦效果，Rf建议值为大于0.04。该微流通道用于聚焦直径大于等于16μm的大直径粒子，因此a≥16μm；当微流通道的DH确定时，Rf的影响因素为曲率半径R，根据经验数据，R的范围为10mm～60mm。
步骤2，通过COMSOL多物理场有限元分析仿真确定惯性聚焦的最优截面条件。
通过COMSOL多物理场有限元分析仿真圆锥曲线的顶点距第一外接边的距离为M，模型中的流速设定为720μL/min，流体密度设定为1000kg/m3，动力粘度设定为0.001Pa·s，M分别设定为500、550、600/650、700、750、800、850、900、950、1000、1050、1100、1150、1200、1250、1300、1350、1400、1450、1500，单位均为μm，旋涡中心与第二外接边的垂直距离记为D，第一外接边和第二外接边之间的垂直距离记为S，如图4(a)和(b)所示。仿真结果如图4所示，当D与S之比最小时，涡旋中心最靠近微流通道外侧壁，此时聚焦效果最好。图4(c)和(d)为本发明实施例提供的微流控芯片在不同M下D与S的比值散点图。从图中可以看出在M为1000μm时，D与S比值最小，说明涡旋中心与微流通道外侧壁距离最小，聚焦效果最佳。
步骤3，运用粒子聚焦实验验证理论分析，具体包括以下步骤：
(1)配粒子溶液；
(2)用注射泵将注射器内的粒子溶液按200-600μL/min流速注入微通道内；
(3)用工业相机拍摄荧光显微镜下的粒子在通道(1～4圈)内的荧光图像；
图6为不同流速下，粒子在通道内的荧光图像。从图5中可以看出300μL/min～500μL/min都有出现聚焦，但是400μL/min荧光图中的荧光最细，聚焦最好，粒子聚焦在一条细的荧光直线上。图6包含本发明实例提供的微流控芯片实验数据的归一化荧光强度(NFI)统计图，并对其进行了高斯拟合；从图中可以看出NFI曲线只有一个峰值，即粒子在通道内有聚焦，其中400μL/min时，高斯拟合曲线的半峰全宽值(FWHM)最小，即聚焦最好。
图7为不同截面的微流通道中，粒子的荧光图像以及FWHM分析。从图中可以看出粒子在圆形、矩形和梯形截面的微流通道中，聚焦均不如类河弯截面的微流通道中效果好。
本发明用于肿瘤细胞富集的装置。包括：微流控芯片、入口注射器、入口注射泵、第一出口注射器、第一出口注射泵、第二出口注射器、第二出口注射泵、第三出口注射器和第三出口注射泵；入口注射器安装在入口注射泵上，入口注射器与芯片入口连通；第一出口注射器安装在第一出口注射泵上，第一出口注射器与第一出口连通；第二出口注射器安装在第二出口注射泵上，第二出口注射器与第二出口连通；第三出口注射器安装在第三出口注射泵上，第三出口注射器与第三出口连通。入口注射泵为流体流动提供压力源，三个出口注射泵用于稳定三个出口间的压力以及调节出口流速。
基于上述的装置，本发明提供肿瘤细胞富集方法，包括：采用入口注射泵将包含肿瘤细胞与血细胞的样品由芯片入口1泵入微流控芯片的微流通道2中，流速控制在200～600μL/min，采用第一出口收集装置、第二出口收集装置和第三出口收集装置分别收集第一出口、第二出口和第三出口流出的流体，出口处注射泵用于稳定三个出口间的压力以及调节出口流速。
本发明的肿瘤细胞富集方法，肿瘤细胞在类河弯横截面中受到两种作用力，在横截面特定区域达到平衡，相互抵消，使得肿瘤细胞在该区域内聚焦，并由相应的出口流出，因此实现了肿瘤细胞的富集。
将本发明实例提供的微流控芯片运用于MCF-7(人乳腺肿瘤细胞)肿瘤细胞进行富集实验，具体包括以下步骤：
(1)将包含肿瘤细胞与血细胞的样品中的肿瘤细胞进行荧光标记；
(2)用注射泵将注射器内的样品按200-600μL/min流速注入微通道内；
(3)在出口处收集三个出口流出的样本，并对样本中的MCF-7(人乳腺肿瘤细胞)肿瘤细胞进行计数。
富集实验采用荧光显微镜进行观察拍照，荧光照片如图5所示，从图中可以看出，肿瘤细胞富集在一个区域中并从相应的出口流出。如图8所示，经计算，第二出口的回收率达85.4％，富集比达1.86(最高值为2)，证明富集效果很好。
本发明利用3D打印技术直接打印微流控芯片，只需一步即可完成微流控芯片和三维立体微流通道的打印，简化了微流控芯片的制作流程；与现有的微流控芯片制造技术相比成本更低；通过3D打印技术制作的微流控芯片得到的循环肿瘤细胞的回收率高。
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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种3D打印类河弯截面微流通道的微流控芯片，其特征在于，包括3D打印的芯片本体，芯片本体上设有依次连通的芯片入口(1)、微流通道(2)和芯片出口(3)；微流通道(2)呈圆柱螺旋线形式设计；
微流通道(2)的横截面由直线(4)和圆锥曲线(5)围成，直线(4)的一端与圆锥曲线(5)的一端连接，直线(4)的另一端与圆锥曲线(5)的另一端连接；圆锥曲线(5)的Rho为0.55～0.95；当构建横截面外接矩形时，直线(4)与外接矩形的一条外接边重合，与该外接边连接的另外两条边分别为第一外接边和第二外接边，圆锥曲线(5)的顶点距直线(4)的垂直距离为N，圆锥曲线(5)的顶点距第一外接边的距离为M，M为N的1～6倍；
芯片出口(3)包括第一出口、第二出口和第三出口，第一出口、第二出口和第三出口沿第一外接边到第二外接边的方向依次布置；第二出口的中心位于微流通道(2)的横截面中心偏向第二外接边侧，且第二出口的中心与微流通道(2)的横截面中心的偏离距离为第一外接边和第二外接边之间垂直距离的0～0.2倍；
第一外接边位于微流通道(2)的内侧，第二外接边位于微流通道(2)的外侧。
2.根据权利要求1所述的3D打印类河弯截面微流通道的微流控芯片，其特征在于，直线(4)的一端通过第一圆角线(6)与圆锥曲线(5)的一端连接，直线(4)的另一端通过第二圆角线(7)与圆锥曲线(5)的另一端连接。
3.根据权利要求2所述的3D打印类河弯截面微流通道的微流控芯片，其特征在于，第一圆角线(6)的半径为0～0.1mm，第二圆角线(7)的半径为0～0.3mm。
4.根据权利要求1所述的3D打印类河弯截面微流通道的微流控芯片，其特征在于，微流通道(2)的曲率半径为10～60mm，螺距为0.6～3mm。
5.根据权利要求1所述的3D打印类河弯截面微流通道的微流控芯片，其特征在于，直线(4)长度为0.5～1.5mm，M为0.3～0.7mm，N为0.6～1.4mm，第二出口的中心与微流通道(2)的横截面中心的偏离距离为0～0.2mm。
6.根据权利要求1所述的3D打印类河弯截面微流通道的微流控芯片，其特征在于，微流通道的曲率半径R和微流通道水力直径DH与待富集粒子的直径a的关系如式(8)所示：
Figure FDA0003115041790000021
其中Rf为大于0.037的已知值。
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