CN110272823B - 一种基于微通道阵列的多细胞表面部分区域磁化装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于微通道阵列的多细胞表面部分区域磁化装置及方法，装置包括玻璃基底层和PDMS通道层，PDMS通道层通过等离子清洗后与玻璃基底层键合；PDMS通道层包括设置在PDMS通道层上的一端设置有圆形入口腔、另一端设置有圆形出口腔的微流体直通道，微流体直通道主要由50个独立的且之间具有一定间隙的微通道组成。每个微通道依靠压力和微流体流动来实现单个细胞的捕获，再结合细胞和磁性纳米颗粒的相互作用使细胞表面的部分区域附着磁性纳米颗粒。本发明采用微流控芯片作为实验平台，实验操作步骤简单，易于实现，具有体积小、耗时短等优点。

Description

一种基于微通道阵列的多细胞表面部分区域磁化装置及方法

技术领域

本发明涉及一种对细胞表面的部分区域附着磁性纳米颗粒的技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于微通道阵列的多细胞表面部分区域磁化附装置及方法。

背景技术

微流控芯片近年来在各个领域中获得了越来越多的关注，比如：化学分析、单细胞分析、医疗诊断和组织工程等领域。它的优势在于简单快速的加工过程，缩短了分析时间，检测小容量样品的高灵敏度以及可实现多功能集成化等。而基于微流控芯片对生物颗粒或者细胞进行操控如筛选、分离、捕获与富集，在生物医疗、临床诊断、食物细菌检测以及环境监测等领域具有重要的影响，因而得到了众多学者的研究，微流控芯片越来越被人们熟知，微流控芯片又被称之为芯片实验室，该芯片可构建出不同的微通道形状对流体进行精确的控制，完成生物化学反应。同时具有体积小、所需样品少、利于集成等优点。

细胞磁性纳米颗粒吸附的方法通常是在一个容器中放入目标细胞和颗粒，然后在紫外线照射下进行搅拌，使磁性纳米颗粒均匀的分布在目标细胞的整个表面，耗时较长，且为使细胞和磁性纳米颗粒的黏附效果达到最好的状态，需寻找目标细胞和磁性纳米颗粒的用量比例，得到的细胞表面整个区域都有磁性纳米颗粒的粘附，即细胞表面所有区域都处于磁性状态。若单个细胞具有两种不同的状态，即一半具有磁性，一半无磁性，则可依据细胞的磁性状态采用简单的方式对其进行操控，例如使细胞一半受到磁力吸引，一半无磁力吸引，则整个细胞处于不平衡状态，可通过控制力的大小对细胞进行操控，产生旋转运动，利于细胞的观察分析。

目前，对细胞操控的研究越来越多，实验所需样品数量也逐日上升，每次处理细胞样品都需要较长时间和重复性操作来获取所需样品的数量，若一次处理便可对多个细胞进行细胞表面部分区域磁化操作可满足大量样品的需求，减少人工的重复性操作，节省人力和时间，简化了实验前细胞准备的工作。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种基于微通道阵列的多细胞表面部分区域磁化装置及方法。本发明通过设计微通道结构实现多个细胞的捕获，再利用微通道中的压强特点和流体流动理论分别在每个细胞的表面部分区域粘附上些许磁性纳米颗粒，使细胞表面部分区域因附着磁性纳米颗粒而具有磁性，其余处于非磁性状态，从而实现一个细胞具有两种不同的状态，可以根据单个细胞表面不对等的状态对细胞进行不同的处理方法以及研究和分析。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于微通道阵列的多细胞表面部分区域磁化装置，包括玻璃基底层、PDMS通道层；所述PDMS通道层通过等离子清洗后与玻璃基底层键合；所述PDMS通道层包括：

设置在PDMS通道层上的一端设置有圆形入口腔、另一端设置有圆形出口腔的微流体直通道，所述微流体直通道主要由50个独立的且之间具有一定间隙的微通道组成。

进一步地，所述50个微通道之间的间距为D1，通过移液枪向圆形入口腔中通入样品，通过压力差和斯托克斯阻力的作用，细胞随流体在微流体直通道中做层流流动。

进一步地，所述PDMS通道层中50个微通道均由相同尺寸的矩形组成，每个微通道的横截面直径为D2，小于单细胞直径，在圆形出口腔处用移液枪往外吸力，依据芯片中压力作用和流体流动原理，每个微通道口处会卡住一个细胞，从而实现50个细胞的捕获，其余细胞用移液枪吸走。

进一步地，50个细胞分别单独捕获后，每个细胞的部分区域处于每个微通道内侧，每个细胞的其余区域裸露在每个微通道的外侧，正对流体流动的方向，磁性纳米颗粒通入微流体直通道内后，依据胶体之间的相互作用，细胞和磁性纳米颗粒产生碰撞结合，从而实现裸露在每个微通道外侧的细胞表面粘附着磁性纳米颗粒，处于每个微通道内侧的细胞表面无颗粒粘附。

进一步地，对于捕获的50个细胞，每个细胞表面的部分区域因裸露在每个微通道外侧可粘附磁性纳米颗粒而具有磁性，处于每个微通道内侧的细胞表面因无磁性纳米颗粒粘附处于无磁性状态，从而实现50个细胞的捕获，并且每个细胞具有磁性和无磁性两种状态。

进一步地，所述的微流体直通道中的微通道数量可以随要求而变化，可以捕获50个以上或50个以下任意数量的多个细胞，从而进行任意数量多个细胞磁性纳米颗粒的粘附。

本发明还提供了一种基于微通道阵列的多细胞表面部分区域磁化方法，包括如下步骤：

步骤1、将细胞样品溶液放入离心管中通过离心处理，加入缓冲液，摇匀，重复多次，得到细胞悬液；将该细胞悬液以实验缓冲液稀释至所需浓度；

步骤2、将磁性纳米颗粒溶液放入离心管中通过离心处理，加入缓冲液，摇匀，重复多次，得到磁性纳米颗粒悬液；将该磁性纳米颗粒悬液以实验缓冲液稀释至所需浓度；

步骤3、通过移液枪向圆形入口腔中加入适量实验缓冲液，再将移液枪放在圆形出口腔处向外吸力，使液体分别流入50个微通道中，排净微流体直通道中的空气，以防微流体直通道中产生气泡；

步骤4、通过移液枪向圆形入口腔中加入适量处理后的细胞悬液，再将移液枪放在圆形出口腔处向外吸力，使50个细胞分别卡在50个微通道的入口处，以此来实现50个细胞的捕获，其余细胞再用移液枪在圆形入口腔处吸走；

步骤5、通过移液枪向圆形入口腔3中加入适量处理后的磁性纳米颗粒悬液，磁性纳米颗粒随流体流动，在捕获的50个细胞处可分别实现细胞表面的部分区域粘附磁性纳米颗粒，其余磁性纳米颗粒再用移液枪在圆形入口腔处吸走。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的基于微通道阵列的多细胞表面部分区域磁化装置，通过对微通道的设计可以实现多个细胞的捕获，再利用微通道中压强特点、微流体流动的特性和细胞与磁性纳米颗粒的之间的相互作用可分别使单个细胞表面的部分区域上附着磁性纳米颗粒，使细胞表面部分区域因吸附着磁性纳米颗粒而具有磁性，其余部分处于非磁性状态，从而实现多个细胞的每个细胞表面具有两种不同的状态。

2、本发明提供的基于微通道阵列的多细胞表面部分区域磁化装置结构简单、加工方便，具有操作简单、自动化程度高等优点，可用于细胞生物学研究、疾病早期诊断与治疗和单个细胞的操控等领域。

基于上述理由本发明可在细胞检测等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明装置整体结构示意图。

图2为本发明装置PDMS通道层的结构示意图。

图中：1、玻璃基底层；2、PDMS通道层；3、圆形入口腔；4、微流体直通道；5、圆形出口腔。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是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，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

实施例1

如图1所示，本发明提供了一种基于微通道阵列的多细胞表面部分区域磁化装置，包括玻璃基底层1、PDMS通道层2；PDMS通道层2通过等离子清洗后与玻璃基底层1键合；

如图2所示，PDMS通道层2包括：设置在PDMS通道层2上的一端设置有圆形入口腔3、另一端设置有圆形出口腔7的微流体直通道4，微流体直通道4主要由50个独立的且之间具有一定间隙的微通道组成。其中，微流体直通道4中的微通道数量可以随要求而变化，可以捕获50个以上或50个以下任意数量的多个细胞，从而进行任意数量多个细胞磁性纳米颗粒的粘附。50个微通道之间的间距为D1，本实施例中，D1为10um，通过移液枪向圆形入口腔3中通入样品，通过压力差和斯托克斯阻力的作用，细胞随流体在圆形入口腔(3)和50个微通道入口前的微流体通道中做层流流动。PDMS通道层2中50个微通道均由相同尺寸的矩形组成，每个微通道的横截面直径为D2，小于单细胞直径，本实施例中，D2为20um，在圆形出口腔5处用移液枪往外吸力，依据微流体直通道4中压力作用和流体流动原理，每个微通道口处会卡住一个细胞，从而实现50个细胞的捕获，其余细胞用移液枪吸走。50个细胞分别单独捕获后，每个细胞的部分区域处于每个微通道内侧，每个细胞的其余区域裸露在每个微通道的外侧，正对流体流动的方向，磁性纳米颗粒通入微流体直通道内后，依据胶体之间的相互作用，细胞和磁性纳米颗粒产生碰撞结合，从而实现裸露在每个微通道外侧的细胞表面粘附着磁性纳米颗粒，处于每个微通道内侧的细胞表面无颗粒粘附。对于捕获的50个细胞，每个细胞表面的部分区域因裸露在每个微通道外侧可粘附磁性纳米颗粒而具有磁性，处于每个微通道内侧的细胞表面因无磁性纳米颗粒粘附处于无磁性状态，从而实现50个细胞的捕获，并且每个细胞具有磁性和无磁性两种状态。

实施例2

在实施例1的基础上，本发明还提供了一种基于微通道阵列的多细胞表面部分区域磁化方法，包括如下步骤：

步骤1、将细胞样品溶液放入离心管中通过离心处理，加入缓冲液，摇匀，重复多次，得到细胞悬液；将该细胞悬液以实验缓冲液稀释至所需浓度；

本实施例中，将微藻细胞1ml样品溶液放入离心管中通过离心处理，加入PBS缓冲液，摇匀，重复三次，得到细胞悬液。然后加入PBS缓冲液将该细胞悬液稀释至所需浓度。

步骤2、将磁性纳米颗粒溶液放入离心管中通过离心处理，加入缓冲液，摇匀，重复多次，得到磁性纳米颗粒悬液；将该磁性纳米颗粒悬液以实验缓冲液稀释至所需浓度；

本实施例中，将磁性纳米颗粒10ul样品溶液放入离心管中通过离心处理，加入缓冲液，摇匀，重复两次，得到磁性纳米颗粒悬液。将该磁性纳米颗粒悬液以实验缓冲液稀释至所需浓度。

步骤3、通过移液枪向圆形入口腔3中加入适量实验缓冲液，再将移液枪放在圆形出口腔5处向外吸力，使液体分别流入50个微通道中，排净微流体直通道4中的空气，以防微流体直通道4中产生气泡；液体流速不宜过大也不宜过小，流速过大会导致通道内气压瞬间增大，从而破坏PDMS通道层2与玻璃基底层1的键合。反之如果流速过小会使注液的大量时间浪费在导管中。

步骤4、通过移液枪向圆形入口腔3中加入适量处理后的微藻细胞悬液，再将移液枪放在圆形出口腔5处向外吸力，使50个细胞分别卡在50个微通道的入口处，以此来实现50个细胞的捕获，其余细胞再用移液枪在圆形入口腔3处吸走；

步骤5、通过移液枪向圆形入口腔3中加入适量处理后的磁性纳米颗粒悬液，磁性纳米颗粒随流体流动，在捕获的50个细胞处可分别实现细胞表面的部分区域粘附磁性纳米颗粒，其余磁性纳米颗粒再用移液枪在圆形入口腔3处吸走。使细胞表面一半因吸附着磁性纳米颗粒而具有磁性，另一半处于非磁性状态，从而实现多个细胞的表面具有两种不同的状态。

通过以上步骤可完成对多个微藻细胞表面的部分区域的磁性纳米颗粒的有效附着。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种基于微通道阵列的多细胞表面部分区域磁化装置实现的多细胞表面部分区域磁化方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、将细胞样品溶液放入离心管中通过离心处理，加入缓冲液，摇匀，重复多次，得到细胞悬液；将该细胞悬液以实验缓冲液稀释至所需浓度；

步骤2、将磁性纳米颗粒溶液放入离心管中通过离心处理，加入缓冲液，摇匀，重复多次，得到磁性纳米颗粒悬液；将该磁性纳米颗粒悬液以实验缓冲液稀释至所需浓度；

步骤3、通过移液枪向圆形入口腔(3)中加入适量实验缓冲液，再将移液枪放在圆形出口腔(5)处向外吸力，使液体分别流入50个微通道中，排净微流体直通道(4)中的空气，以防微流体直通道(4)中产生气泡；

步骤4、通过移液枪向圆形入口腔(3)中加入适量处理后的细胞悬液，再将移液枪放在圆形出口腔(5)处向外吸力，使50个细胞分别卡在50个微通道的入口处，以此来实现50个细胞的捕获，其余细胞再用移液枪在圆形入口腔(3)处吸走；

步骤5、通过移液枪向圆形入口腔(3)中加入适量处理后的磁性纳米颗粒悬液，磁性纳米颗粒随流体流动，在捕获的50个细胞处可分别实现细胞表面的部分区域粘附磁性纳米颗粒，其余磁性纳米颗粒再用移液枪在圆形入口腔(3)处吸走；

所述基于微通道阵列的多细胞表面部分区域磁化装置包括玻璃基底层(1)、PDMS通道层(2)；所述PDMS通道层(2)通过等离子清洗后与玻璃基底层键合；所述PDMS通道层(2)包括：

设置在PDMS通道层(2)上的一端设置有圆形入口腔(3)、另一端设置有圆形出口腔(5)的微流体直通道(4)，所述微流体直通道(4)主要由50个独立的且之间具有一定间隙的微通道组成。

2.根据权利要求1所述的多细胞表面部分区域磁化方法，其特征在于，所述50个微通道之间的间距为D1，通过移液枪向圆形入口腔(3)中通入样品，通过压力差和斯托克斯阻力的作用，细胞随流体在圆形入口腔(3)和50个微通道入口前的微流体通道中做层流流动。

3.根据权利要求1所述的多细胞表面部分区域磁化方法，其特征在于，所述PDMS通道层(2)中50个微通道均由相同尺寸的矩形组成，每个微通道的横截面直径为D2，小于单细胞直径，在圆形出口腔(5)处用移液枪往外吸力，依据微流体直通道(4)中压力作用和流体流动原理，每个微通道口处会卡住一个细胞，从而实现50个细胞的捕获，其余细胞用移液枪吸走。

4.根据权利要求1所述的多细胞表面部分区域磁化方法，其特征在于，50个细胞分别单独捕获后，每个细胞的部分区域处于每个微通道内侧，每个细胞的其余区域裸露在每个微通道的外侧，正对流体流动的方向，磁性纳米颗粒通入微流体直通道内后，依据胶体之间的相互作用，细胞和磁性纳米颗粒产生碰撞结合，从而实现裸露在每个微通道外侧的细胞表面粘附着磁性纳米颗粒，处于每个微通道内侧的细胞表面无颗粒粘附。

5.根据权利要求4所述的多细胞表面部分区域磁化方法，其特征在于，对于捕获的50个细胞，每个细胞表面的部分区域因裸露在每个微通道外侧可粘附磁性纳米颗粒而具有磁性，处于每个微通道内侧的细胞表面因无磁性纳米颗粒粘附处于无磁性状态，从而实现50个细胞的捕获，并且每个细胞具有磁性和无磁性两种状态。

6.根据权利要求5所述的多细胞表面部分区域磁化方法，其特征在于，所述的微流体直通道(4)中的微通道数量可以随要求而变化，可以捕获50个以上或50个以下任意数量的多个细胞，从而进行任意数量多个细胞磁性纳米颗粒的粘附。

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