CN110339875A - 一种用于血液细胞分离的微通道 - Google Patents

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Abstract

本发明提出的一种用于血液细胞分离的微通道，包括沿该微通道轴向依次连接的多个阵列式结构，微通道一端设有进样口，另一端设有呈“个”字型排布的出样口；各阵列式结构均为对称结构，均分别具有三个平行流道，中部流道的两端均分别通过呈Y字型排布的两个分支流道与两侧流道的两端连通，且在相邻的两中部流道之间，仅在其中一个中部流道相对的侧壁上设有一对凸出部，使得在该凸出部处中部流道的面积缩小，形成缩紧段；血液样品从进样口通入，血液样品中的血小板由两侧的出样口收集，剩余的血液样品由中部出样口收集。本发明微通道制备通量大、不易发生堵塞，且制得的血小板活性高。

Description

一种用于血液细胞分离的微通道
技术领域
本发明属于应用微流体技术实现细胞分布控制和生物样品制备的技术领域，特别涉及一种用于血液细胞分离的微通道。
背景技术
PRP(Platelet Rich Plasma)是指富含血小板的血浆，具有伤口止血、炎性控制、伤口愈合、免疫反应以及血管生成等众多功效。应用微流体技术对PRP进行制备，主要目的就是实现血液中各细胞组分的分离，收集富含血小板的血浆。目前利用微流体技术对PRP进行制备存在着制备通量小、微通道易堵塞、血小板活性低等问题。
如现有的一种利用微柱阵列对血液样本进行分离的微通道(Morton K J,Loutherback K,Inglis D W,et al.Hydrodynamic metamaterials:Microfabricatedarrays to steer,refract,and focus streams of biomaterials[J].Proceedings ofthe National Academy of Sciences,2008,105(21):7434-7438.)，该微通道的原理如下：利用特定角度和特定间距的微柱阵列，迫使不同尺寸的细胞产生不同的侧向位移，从而实现细胞分离，进而实现血小板的提取。这种分离方式需要诱导流的助力，诱导流与血液样本从不同的进样口流入微通道中。微通道中设置有微柱阵列，微柱之间的间距以及排列方向均经过特殊设计。微柱沿着流线方向的间距较小，不足够较大的粒子通过，尺寸大的粒子只得沿着微柱阵列的偏移方向运动；尺寸较小的粒子则可以沿着流线进行运动。这就使得大尺寸粒子与小尺寸粒子之间发生了一个确定性的横向位移，从而应用微流体技术实现了粒子间基于尺寸的分离。
上述微通道存在以下缺点：由于在微通道中需要设置较多的微柱，加工难度较大，而且加工成本高、周期长，不利于大批量生产；另外，由于利用该微通道时需要诱导流进行导流，操作复杂，而且一旦诱导流处理不当，便容易引入杂质，对PRP的质量造成威胁，存在着潜在风险。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足之处，提出一种用于血液细胞分离的微通道。该微通道可解决目前应用微流体技术实现PRP制备过程中存在的制备通量小、微通道易堵塞、血小板活性低的问题，且结构简单、便于加工。
本发明采用如下技术方案：
本发明提出的一种用于血液细胞分离的微通道，其特征在于，包括沿该微通道轴向依次连接的多个阵列式结构，所述微通道一端设有进样口，该微通道另一端设有呈“个”字型排布的出样口；各所述阵列式结构均为对称结构，均分别具有三个平行流道，中部流道的两端均分别通过呈Y字型排布的两个分支流道与两侧流道的两端连通，且在相邻的两中部流道之间，仅在其中一个中部流道相对的侧壁上设有一对凸出部，使得在该凸出部处中部流道的面积缩小，形成缩紧段；血液样品从所述进样口通入，血液样品中的血小板依次经各缩紧段及相应分支流道分离出并通过两侧流道分别流入两侧的出样口，剩余的血液样品依次经各缩紧段及相应中部流道流入中部出样口。
进一步地，所述阵列式结构的个数不小于10个。
进一步地，各所述凸出部的截面形状为多边形。
进一步地，各所述凸出部的截面形状为梯形，该梯形的顶边和底边平行于所述中部流道的侧壁，位于缩紧段入口处的梯形侧边设置为缓坡形式。
本发明的特点及有益效果：
1、采用阵列式的“缩紧”-“扩张”结构，实现血液细胞基于各组分尺寸的不同的分离效果；
2、设置平行的三通道结构和分支流道，将分离出来的血小板导流到两侧流道中流动并收集，避免已经分离的血液组分发生二次混合；
3、将“缩紧”段的入口处设置为缓坡的形式，避免发生微流道堵塞；
4、相比于现有的引入诱导流的技术手段，本发明的流道中流体剪切率小，对血小板的损害低，保证了血小板的高活性，且不易引入杂质，制得PRP的质量有保证；
5、本发明的制备通量大，可达到300μL/min，相比于现有技术提高三倍以上。
6、本发明的微通道结构简单，易于大规模生产。
最终，血液中尺寸较小的血小板被富集于两侧流道中，尺寸较大的白细胞、红细胞等组分则被保留在中部流道，对两侧流道的样品进行收集即可得到富含血小板的血浆(PRP)。
附图说明
图1是本发明实施例的总体结构示意图；
图2是本发明图1中A部分的局部放大示意图。
图3是本发明图1中B部分的局部放大示意图。
图4是本发明图1中C部分的局部放大示意图。
图5是本发明中待分离血液样品中各粒子的萨夫曼力示意图。
具体实施方式
本发明提出的一种用于血液细胞分离的微通道，结合附图及一个实施例详细说明如下：
如图1～4所示，本发明微通道采用本领域的常规制备工艺即可获得，包括沿该微通道轴向依次连接的多个(至少10个，阵列式结构的个数越多，分离效果越好；本实施例设有40个阵列式结构)阵列式结构30，微通道一端设有进样口10，微通道另一端设有呈“个”字型排布的出样口20；各阵列式结构相同且为对称结构，均分别具有三个平行流道，中部流道32的两端均分别通过呈对称的Y字型排布的两个分支流道34、35与两侧流道31、33的两端连通，且在相邻的两中部流道32之间，仅在其中一个中部流道32相对的侧壁上设有一对凸出部321，使得在该凸出部321处中部流道32的面积缩小，形成缩紧段，在另一中部流道形成对应的扩张段；血液样品从进样口10通入，血液样品中的血小板依次经各缩紧段及相应分支流道分离出并通过两侧流道31、32分别流入两侧的出样口21、23，剩余的血液样品依次经各缩紧段及相应中部流道流入中部出样口22。
进一步地，各凸出部321的截面形状为多边形，优选为梯形，梯形的顶边和底边平行于中部流道32的侧壁，位于缩紧段入口处的梯形侧边设置为缓坡形式，坡度在30°～60°，中部流道32缩紧段的孔径为非缩紧段孔径的1/3～2/3。
各阵列式结构横截面(对横截面的形状无特殊要求，可以为矩形或圆形等)的总尺寸在300～500μm，各阵列式结构的长度在0.5～1.5cm，中部流道32的孔径在40～100μm，两侧流道31、33的孔径均分别为10～20μm，两个分支流道的孔径均为5～20μm，两侧样品出口21、23的孔径均为10～20μm，中部样品出口22的孔径为40～150μm。
本发明微通道通过设置40个“缩紧”-“扩张”式的阵列式结构，用于实现血液细胞基于尺寸的分离，同时设置三个平行流道和两个分支流道，已经分离出的血小板可通过分支流道进入两侧的平行流道中流动，未分离出的血小板进入下一个阵列式结构继续分离，避免发生二次混合影响制备质量。每个缩紧段的入口均设置为缓坡形式，由此可避免发生流道堵塞。在各组分完成分离后由图4所示的分叉结构进入相应的出样口，并完成收集，具体地，血液样品由左侧进样口注入，最终富含血小板的血浆由右侧上下两个出样口流出，含有白细胞、红细胞等组分的剩余血液样品由右侧中部的出样口流出。
本发明的工作原理如下：
当血液样品在中部流道中流动时，在中部流道的侧壁附近区域，血液样品中血液细胞受到萨夫曼力的影响十分显著。通常，萨夫曼力Fsaff的方向为由流体速度低的方向指向流体速度高的方向，其表达式为：
式中：
Fsaff为血液样品在中部流道的边界层处承受的萨夫曼力；
K为无量纲的常数，K＝81.2；
μ为血液样品的动力粘性系数；
V为血液样品的流动速度；
Vp为血液样品中血液细胞的运动速度；
d为血液样品中血液细胞的粒径；
γ为血液样品的速度梯度剪切率；
v为血液样品的运动黏性系数；
由于表达式中(V-Vp)项的存在，当血液样品中血液细胞的运动速度大于血液样品的流动速度，即Vp>V时，萨夫曼力的方向发生反转，指向微通道中部流道的侧壁。当血液样品由缩紧段流入扩张段时，由于流量连续性，血液样品本身的流动速度减小，而血液样品中的血液细胞则由于惯性作用在短时间内运动速度大于血液样品的流动速度，从而受到向中部流道侧壁方向的萨夫曼力作用，如图5所示。血液细胞的偏移加速度a与血液细胞粒径d的关系如下：
式中，ρP为血液细胞的密度，其余符号含义同公式(1-1)。即，血液细胞的偏移加速度a与血液细胞的粒径d成反比。因此，较小血液细胞的横向偏移加速度大于较大血液细胞的横向偏移加速度，使得其更容易随着流动距离增加偏向于中部流道侧壁运动，从而使得较小的血液细胞更倾向于分布在靠近中部流道侧壁的区域。
基于上述原理，本发明微通道使较大的血液细胞倾向于分布在中部流道，而较小的血液细胞分布于两侧流道，从而实现人体血液中尺寸较大的白细胞、红细胞等组分与尺寸较小的血小板的分离，最终实现PRP的制备。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种用于血液细胞分离的微通道，其特征在于，包括沿该微通道轴向依次连接的多个阵列式结构，所述微通道一端设有进样口，该微通道另一端设有呈“个”字型排布的出样口；各所述阵列式结构均为对称结构，均分别具有三个平行流道，中部流道的两端均分别通过呈Y字型排布的两个分支流道与两侧流道的两端连通，且在相邻的两中部流道之间，仅在其中一个中部流道相对的侧壁上设有一对凸出部，使得在该凸出部处中部流道的面积缩小，形成缩紧段；血液样品从所述进样口通入，血液样品中的血小板依次经各缩紧段及相应分支流道分离出并通过两侧流道分别流入两侧的出样口，剩余的血液样品依次经各缩紧段及相应中部流道流入中部出样口。
2.根据权利要求1所述的微通道，其特征在于，所述阵列式结构的个数不小于10个。
3.根据权利要求1所述的微通道，其特征在于，各所述凸出部的截面形状为多边形。
4.根据权利要求1所述的微通道，其特征在于，各所述凸出部的截面形状为梯形，该梯形的顶边和底边平行于所述中部流道的侧壁，位于缩紧段入口处的梯形侧边设置为缓坡形式。
5.根据权利要求4所述的微通道，其特征在于，位于缩紧段入口处的梯形侧边的坡度为30°～60°。
6.根据权利要求1所述的微通道，其特征在于，所述中部流道缩紧段的孔径为非缩紧段孔径的1/3～2/3。
7.根据权利要求1所述的微通道，其特征在于，所述中部流道的孔径在40～100μm，所述两侧流道的孔径均分别为10～20μm，两个所述分支流道的孔径均为5～20μm，两侧样品出口的孔径均为10～20μm，中部样品出口的孔径为40～150μm。
8.根据权利要求1所述的微通道，其特征在于，各所述阵列式结构的长度为0.5～1.5cm。
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