CN111001451A - 一种微流控芯片及基于微流控芯片的全血分离方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的微流控芯片，包括第一微柱阵列以及由所述第一微柱阵列分隔的全血微通道和血浆微通道，当全血由所述全血微通道进入，所述微柱阵列间的孔隙过滤尺寸较大的血细胞，同时提供毛细力将血浆分离出来，分离的血浆进入所述血浆微通道，以实现血细胞和血浆的分离，本发明提供的微流控芯片利用微小孔隙对血细胞进行过滤的同时，给血液提供足够的毛细力实现无外源动力控制的全血分离；另外，通过连续的孔隙结构可以解决因血细胞堵塞而带来的全血分离停滞的问题，从而提高全血分离的效率。

Description

一种微流控芯片及基于微流控芯片的全血分离方法

技术领域

本发明涉及微流控技术技术领域，特别涉及一种微流控芯片及基于微流控芯片的全血分离方法。

背景技术

血液作为临床诊断中最普及的样本，包含了人体中极大比例的疾病标志物，适用于如免疫诊断、临床生化、分子诊断等多种检测，是目前最为常用的样本对象。大部分针对血液进行的检测，需要在样品预处理阶段，从血液中去除血细胞进行血浆或血清的提取，或需要富集血液中的细胞，以进行相关的下一步检测。与传统的离心、过滤和盐析等全血分离的方法不同，在微流控技术、芯片实验室等新兴的体外诊断领域，需要相应的新型微型化，高集成度的全血分离方法。

目前基于微流控技术的全血分离方法可根据有无外源物理场提供动力而分为主动与被动式两类。主动式方法由于涉及磁、电、超声波等复杂控制结构，不易与其他微流控功能器件集成。被动式方法主要依靠流体动力学与微通道几何结构实现血液不同的行为控制，制备工艺相对简单，易于集成，在开发微小型化的床旁检测(Point-of-care)仪器上显现优势。根据分离原理的不同，被动式微流控全血分离方法可分为过滤、沉降和细胞定向迁移三种。与另外两种方法不同，细胞定向迁移法通过对血细胞运行轨迹进行定向操控以实现有效的血浆提取，在开发易操控的高纯度全血分离器件领域具有优势。

目前细胞定向迁移法用于全血分离主要有以下两种实现方案：1、确定性侧向位移法，血液在层流过程中通过一系列规则有序的微结构，细胞会根据自身不同的尺寸发生确定性的侧向位移，由此实现血浆和血细胞的分离；2、流体动力法，利用竖直或弯曲管壁对细胞产生的惯性力、粘滞力、迪恩涡等方式实现细胞的定向侧向迁移，达到与血浆分离的目的。

由于血液本身粘稠度高，血浆分离后会进一步增大，所以目前基于上述两种方法实现的全血分离均需要通过负压泵或流体泵给血液提供动力控制，不易于整体分离装置的微小型化。

发明内容

有鉴如此，有必要针对现有技术存在的缺陷，提供一种全血分离效率高的微流控芯片及基于所述的微流控芯片的全血分离方法。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一方面，本发明提供了一种微流控芯片，包括第一微柱阵列以及由所述第一微柱阵列分隔的全血微通道和血浆微通道，当全血由所述全血微通道进入，所述微柱阵列间的孔隙过滤尺寸较大的血细胞，同时提供毛细力将血浆分离出来，分离的血浆进入所述血浆微通道，以实现血细胞和血浆的分离。

在一些较佳的实施例中，所述第一微柱阵列呈螺旋分布。

在一些较佳的实施例中，所述第一微柱阵列的微柱呈圆柱状。

在一些较佳的实施例中，所述圆柱状的直径为10～1000微米，相邻圆柱间距为0.5～2.5微米。

在一些较佳的实施例中，所述全血微通道和血浆微通道的底部均设置毛细泵结构。

在一些较佳的实施例中，所述毛细泵结构包括第二微柱阵列结构。

在一些较佳的实施例中，所述第二微柱阵列结构呈规则排布。

在一些较佳的实施例中，所述微流控芯片为单层或者多层结构，所述全血微通道和血浆微通道的微通道深度为10～2000微米，宽度为10～5000微米。

另外，本发明还提供了一种所述的微流控芯片的全血分离方法，包括下述步骤：

待分离血液运动扩散至最近的所述第一微柱的微柱处，并在所述微柱间隙处停滞，待分离血液在毛细力作用下沿所述全血微通道自驱动，同时过程中依次经过后续微柱间隙并停滞，所述微柱阵列间的孔隙过滤尺寸较大的血细胞，同时提供毛细力将血浆分离出来；分离的血浆将经起始点通过微柱间隙并沿所述血浆微通道向前自驱动，并逐个触发流经的微柱间隙，持续不断地从全血中过滤出血浆；

血液及血浆在所述全血微通道和所述血浆微通道的底端分别进入所述毛细泵结构，所述毛细泵结构收集、量取血液和血浆。

本发明采用上述技术方案的优点是：

本发明提供的微流控芯片，包括第一微柱阵列以及由所述第一微柱阵列分隔的全血微通道和血浆微通道，当全血由所述全血微通道进入，所述微柱阵列间的孔隙过滤尺寸较大的血细胞，同时提供毛细力将血浆分离出来，分离的血浆进入所述血浆微通道，以实现血细胞和血浆的分离，本发明提供的微流控芯片利用微小孔隙对血细胞进行过滤的同时，给血液提供足够的毛细力实现无外源动力控制的全血分离；另外，通过连续的孔隙结构可以解决因血细胞堵塞而带来的全血分离停滞的问题，从而提高全血分离的效率。

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作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的微流控芯片的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的毛细泵结构的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的微流控芯片的侧视图。

图4为本发明实施例提供的微流控芯片的工艺原理图。

具体实施方式

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。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它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

请参阅图1，为本发明实施例一提供的微流控芯片的结构示意图，包括：第一微柱阵列110以及由所述第一微柱阵列110分隔的全血微通道120和血浆微通道130。

具体地，所述第一微柱阵列110呈螺旋分布。可以理解，微柱阵列110可以呈内螺旋或外螺旋分布，朝向可以是由外向内或者由内向外分布。

可以理解，所述第一微柱阵列110的分布形状不限于螺旋状，可以为任意不封闭的回转形状。

具体地，所述第一微柱阵列110的微柱呈圆柱状。所述圆柱状的直径为 10～1000微米，相邻圆柱间距为0.5～2.5微米。可以理解，所述圆柱状应对应过滤血液中尺寸较小的红细胞内凹处尺径。

可以理解，微柱并不局限为圆柱状，还可以为方形、菱形等多种形状，大小尺寸和相邻间距在保证特征尺寸的情况下可设计为不同尺寸，使芯片可以处理不同样品中不同尺寸的细胞，例如：直径为6～20微米的白细胞，厚度为0.5～1.5 微米的血小板等。

上述微流控芯片当全血由所述全血微通道进入，所述微柱阵列间的孔隙过滤尺寸较大的血细胞，同时提供毛细力将血浆分离出来，分离的血浆进入所述血浆微通道，以实现血细胞和血浆的分离。

请参阅图2，所述全血微通道120和血浆微通道130的底部均设置毛细泵结构140，所述毛细泵结构140可起到收集、量取血液及血浆的作用。

具体地，所述毛细泵结构140包括第二微柱阵列结构141，且第二微柱阵列结构141呈有序规则排布。

可以理解，第二微柱阵列结构141的微柱形状、大小、尺寸等在保证特征尺寸的情况下可以设计为多种参数。此外，毛细泵结构141包括但不限于圣诞树状、蛇形通道状等结构。

请参阅图3，为本发明实施例提供的微流控芯片的侧视图。

在本实施例中，所述微流控芯片为单层结构，即全血微通道120和血浆微通道130的通道深度等同于第一微柱阵列110的深度。

具体地，所述全血微通道120和血浆微通道130的通道深度为10～2000微米，宽度为10～5000微米。

需要说明的是，血液在微通道中的毛细力会随着通道尺寸减小而增大，拥有更高的流速，从而使得微流控芯片会获得更高的全血分离效率；而微流控芯片整体通量则随着通道尺寸减小而减小，因此根据不同场合所需求的不同侧重点，微通道的宽度与深度可设计为不同尺寸，使最终芯片实现不同的应用要求。

本发明上述实施例提供的微流控芯片利用微小孔隙对血细胞进行过滤的同时，给血液提供足够的毛细力实现无外源动力控制的全血分离；另外，通过连续的孔隙结构可以解决因血细胞堵塞而带来的全血分离停滞的问题，从而提高全血分离的效率。

实施例二

在本实施例中，本发明提供的微流控芯片可以是能够被微纳加工方法制造的材料，如单晶硅、氧化硅、氮化硅等硅基材料，具体也可以为石英等玻璃材料，或可以为聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl methacrylate,PMMA)等高分子材料。针对不同的材料以及芯片中通道所需不同尺寸，制备方法包括但不限于激光刻蚀、3D打印、光刻、等离子体刻蚀等微纳加工方法。

请参阅图4，为本发明实施例提供的微流控芯片的工艺原理图，具体步骤如下：

S1：在衬底上悬涂一层光刻胶，利用相应的微通道掩膜版经光刻工艺形成微通道刻蚀窗口，并利用刻蚀工艺去除该部分的阳膜牺牲层。

在本实施例中，衬底为玻璃或硅。可以理解，衬底包括但不限于石英等玻璃材料和氧化硅、氮化硅等硅基材料。

在本实施例中，阳膜牺牲层包括但不限于光刻胶(包括正性光刻胶、负性光刻胶以及其他光刻胶)、氧化硅、氮化硅、碳化硅、或铬、铝等金属材料。

可以理解，上述微流控芯片制备工艺不局限于实施例中的光刻胶等离子体刻蚀方法，还可以通过激光刻蚀的方式在玻璃或PMMA材料上刻蚀出微流道，通过光刻的方法在玻璃或硅基上制备微柱阵列，再将两者键合；或利用激光直写方式在玻璃或有机材料表面形成流体通道等图案。

S2：以衬底上的阳膜层为掩膜，刻蚀微通道所在部分的基底材料，形成了最终的微通道，并去除剩余的阳膜层。

在该实施例中，刻蚀包括但不限于等离子体刻蚀、深硅刻蚀以及湿法刻蚀等方式，所述去除工艺包括但不限于浓硫酸以及双氧水的清洗和其他有机溶剂的清洗等工艺。

S3：对带有微通道结构的微流控芯片进行表面化学处理，实现微流控芯片表面的亲水化处理，并提高芯片表面物化性质的稳定性和均一性。

对带有微通道结构的微流控芯片进行表面化学处理方法不局限于浸泡、熏蒸、喷涂等化学方法，还可以采用电化学、热加工、气相沉积等方法。

在该实施例中，所用化学处理试剂包括但不限于聚乙二醇(Polyethyleneglycol,PEG)和3-氨丙基三乙氧基硅烷((3-aminopropyl)triethoxysilane,APTES) 等，所用处理方式包括但不限于熏蒸、浸泡、喷涂等。

可以理解，通过表面化学处理可实现微流控芯片以下功能：(1)亲水化，有利于提高全血样品在表面的毛细力驱动能力；(2)提高芯片表面物化性质的均一性和稳定性，以阻隔基底对血液中细胞、蛋白的非特异性吸附，使全血样品通过时不容易发生粘附、停滞。

通过上述步骤制备得到的微流控芯片包括第一微柱阵列以及由所述第一微柱阵列分隔的全血微通道和血浆微通道，当全血由所述全血微通道进入，所述微柱阵列间的孔隙过滤尺寸较大的血细胞，同时提供毛细力将血浆分离出来，分离的血浆进入所述血浆微通道，以实现血细胞和血浆的分离。

本发明上述实施例提供的微流控芯片利用微小孔隙对血细胞进行过滤的同时，给血液提供足够的毛细力实现无外源动力控制的全血分离；另外，通过连续的孔隙结构可以解决因血细胞堵塞而带来的全血分离停滞的问题，从而提高全血分离的效率

实施例三

本发明还提供了一种基于所述的微流控芯片的全血分离方法，包括下述步骤：

步骤S110：待分离血液运动扩散至最近的所述第一微柱的微柱处，并在所述微柱间隙处停滞，待分离血液在毛细力作用下沿所述全血微通道自驱动，同时过程中依次经过后续微柱间隙并停滞，所述微柱阵列间的孔隙过滤尺寸较大的血细胞，同时提供毛细力将血浆分离出来；分离的血浆将经起始点通过微柱间隙并沿所述血浆微通道向前自驱动，并逐个触发流经的微柱间隙，持续不断地从全血中过滤出血浆。

具体地，在所述微流控芯片的进样口加入待分离的血液样本(图3中A处为进样口)，待分离血液有进样口运动扩散至最近的所述第一微柱的微柱处。

可以理解，所述微流控芯片入口不局限于一个进样口，可以设计为多个入口，每一个入口可以接入单个或多个第一微柱阵列，每一个第一微柱阵列也可以接入单个或多个入口。

步骤S110：血液及血浆在所述全血微通道和所述血浆微通道的底端分别进入所述毛细泵结构，所述毛细泵结构收集、量取血液和血浆。

本发明提供的微流控芯片，包括第一微柱阵列以及由所述第一微柱阵列分隔的全血微通道和血浆微通道，当全血由所述全血微通道进入，所述微柱阵列间的孔隙过滤尺寸较大的血细胞，同时提供毛细力将血浆分离出来，分离的血浆进入所述血浆微通道，以实现血细胞和血浆的分离，本发明提供的微流控芯片利用微小孔隙对血细胞进行过滤的同时，给血液提供足够的毛细力实现无外源动力控制的全血分离；另外，通过连续的孔隙结构可以解决因血细胞堵塞而带来的全血分离停滞的问题，从而提高全血分离的效率。

此外，本发明提供的微流控芯片，采取毛细力自驱动的方式实现全血分离，无需外源动力控制装置，在集成化、微小型化的发展上更具潜力。

本发明提供的微流控芯片，不局限于全血/血浆分离，也可以用于分离、富集溶液体系中不同层次的生物对象如细胞层面的循环肿瘤细胞，如亚细胞层面的细胞外囊泡、脂质体等。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

当然本发明的微流控芯片正极材料还可具有多种变换及改型，并不局限于上述实施方式的具体结构。总之，本发明的保护范围应包括那些对于本领域普通技术人员来说显而易见的变换或替代以及改型。

Claims (9)

1.一种微流控芯片，其特征在于，包括第一微柱阵列以及由所述第一微柱阵列分隔的全血微通道和血浆微通道，当全血由所述全血微通道进入，所述微柱阵列间的孔隙过滤尺寸较大的血细胞，同时提供毛细力将血浆分离出来，分离的血浆进入所述血浆微通道，以实现血细胞和血浆的分离。

2.如权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述第一微柱阵列呈螺旋分布。

3.如权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述第一微柱阵列的微柱呈圆柱状。

4.如权利要求3所述的微流控芯片，其特征在于，所述圆柱状的直径为10～1000微米，相邻圆柱间距为0.5～2.5微米。

5.如权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述全血微通道和血浆微通道的底部均设置毛细泵结构。

6.如权利要求5所述的微流控芯片，其特征在于，所述毛细泵结构包括第二微柱阵列结构。

7.如权利要求6所述的微流控芯片，其特征在于，所述第二微柱阵列结构呈规则排布。

8.如权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述微流控芯片为单层或者多层结构，所述全血微通道和血浆微通道的微通道深度为10～2000微米，宽度为10～5000微米。

9.一种基于权利要求1至8任一项所述的微流控芯片的全血分离方法，其特征在于，包括下述步骤：

待分离血液运动扩散至最近的所述第一微柱的微柱处，并在所述微柱间隙处停滞，待分离血液在毛细力作用下沿所述全血微通道自驱动，同时过程中依次经过后续微柱间隙并停滞，所述微柱阵列间的孔隙过滤尺寸较大的血细胞，同时提供毛细力将血浆分离出来；分离的血浆将经起始点通过微柱间隙并沿所述血浆微通道向前自驱动，并逐个触发流经的微柱间隙，持续不断地从全血中过滤出血浆；

血液及血浆在所述全血微通道和所述血浆微通道的底端分别进入所述毛细泵结构，所述毛细泵结构收集、量取血液和血浆。

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