CN111356765A

CN111356765A - 纳米针及相关设备和方法

Info

Publication number: CN111356765A
Application number: CN201880053382.0A
Authority: CN
Inventors: D·L·王
Original assignee: Nim Technology Co ltd
Current assignee: Nim Technology Co ltd
Priority date: 2017-06-16
Filing date: 2018-06-15
Publication date: 2020-06-30
Also published as: EP3638798A1; WO2018232287A8; US20200115671A1; KR20200043369A; EP3638798A4; JP2020524001A; WO2018232287A1

Abstract

本文公开了使用纳米针对细胞内部进行体外探测的设备和方法。本申请的一些方面涉及一种设备，该设备具有布置在流动通道中的垂直纳米针，其中，该流动通道的形状被布置为便于利用纳米针固定对该流动通道中的流体中循环的细胞进行固定，并利用纳米针穿透细胞膜。本申请的各方面还提供了流动通道与细胞分选器之间的整合，以形成医疗系统，该医疗系统选择性地且连续地与所筛选的感兴趣细胞进行细胞内通信。

Description

纳米针及相关设备和方法

相关申请的交叉引用

本申请根据35 U.S.C.§119(e)要求2017年6月16日提交的序号为62/521,276的美国专利申请的权益，该申请的代理人案卷号为N0601.70000US00，标题为“NANONEEDLE ANDRELATED APPARATUS AND METHODS(纳米针及相关设备和方法)”，在此通过引用整体并入本文中。

背景技术

细胞内部的体外探测通常是通过将细胞固定在基质上或在基质上培养，然后将诸如膜片夹之类的探针插入细胞内部来进行的。

发明概述

根据一些实施方案，提供了一种设备。该设备包括：第一流动通道，该第一流动通道构造成容纳沿第一流动方向循环的包含细胞的第一流体；纳米针，布置在第一流动通道中并配置为穿透细胞。第一流动通道包括与纳米针相邻的收缩部。

根据一些实施方案，提供了一种制造纳米泵设备的方法。该方法包括：形成纳米级线；形成围绕纳米级线的侧壁材料；将纳米级线布置在第一流动通道内；在将纳米级线布置在第一流动通道内之后，选择性地从侧壁材料去除纳米级线以形成纳米针。

根据一些实施方案，提供了一种操作设备的方法。该设备包括第一流动通道，第二流动通道，纳米针，纳米针包括布置在第一流动通道中的第一开口和布置在第二流动通道中的第二开口。第一流动通道包括与纳米针相邻的收缩部。该方法包括：使包含细胞的第一流体沿第一流动方向在第一流动通道中循环；用纳米针穿透细胞；在第二流动通道中容纳包含试剂的第二流体；并通过纳米针将试剂从第二流体输送到细胞中。

根据一些实施方案，提供了一种医疗系统。该医疗系统包括：纳米泵，纳米泵包括第一流动通道，具有包含试剂的流体的第二流动通道，纳米针，该纳米针包括布置在第一流动通道中的第一开口和布置在第二流动通道中的第二开口。第一流动通道被配置成从用户接收包含细胞的第一样品。纳米针被配置穿透细胞并且在细胞内输送试剂。

附图说明

将参考以下附图描述各个方面和实施方案。附图无意按比例绘制。在附图中，在各个附图中示出的每个相同或几乎相同的组件由相同的数字表示。为了清楚起见，并非每个组件都会在每个附图中标记。

图1A是示出根据一些实施方案的具有纳米针的设备100的截面图的示意图；

图1B是示出沿着图1A所示的垂直平面A-A'截取的在第一部分126内的设备100的截面图的示意图；

图2A是示出根据一些方面的设备200的俯视图的示意图；

图2B是示出根据一些方面的设备200的第一流动通道220的盖206的俯视图的示意图；

图3A是示出设备300A的俯视图的示意图，设备300A具有以规则的二维阵列布置在基座304中的多个纳米针302；

图3B是示出具有多个纳米针302的设备300B的俯视图的示意图，所述多个纳米针302以随机二维阵列布置在基座304中；

图3C是示出具有布置在基座304中的多个纳米针302a，302b，302c和302d的设备300C的俯视图的示意图；

图4A和图4B是示出根据一些方面的示例性制造序列的示意图，该示例性制造序列用于在衬底410中形成底部通道430；

图5A-5E是示意图，示出了在图1A和1B所示类型的设备中在基座504上形成纳米针502的示例性制造序列；

图6A和图6B是示出根据本申请的一方面的用于第一流动通道的示例性制造序列的俯视图的示意图；

图7A至图7C是示出了根据一些方面的形成纳米针并将纳米针附接到第一和第二流动通道的示例性制造序列的示意图；

图8A和图8B是示出根据本申请的一些实施方案的形成纳米针阵列并将纳米针阵列附接到第一和第二流动通道的制造序列的截面图的示意图；

图9A是示出根据替代实施方案的设备900的截面图的示意图；

图9B是示出设备900的俯视图的示意图；

图10A至图10J是示出根据一些方面的形成设备900的示例性制造序列的示意图；

图11是示出根据本申请的一方面的具有纳米泵1102和压电膜驱动器1112的设备1100的截面图的示意图；

图12A是示出根据本申请的一方面的纳米泵1202的截面图的示意图；

图12B是示出根据图12A所示的实施方案的在偏置电压下的纳米泵1202的截面图的示意图；

图13是示出根据本申请的一方面的示例性医疗系统1300的示意图，该医疗系统1300包括纳米泵设备1340；

图14是示出了根据本申请的另一方面的示例性医疗系统1400的示意图；

图15是示出了根据本申请的一方面的示例性设备1500的示意图。

发明详述

注入、提取或以其他方式与细胞内部电化学通信的细胞内探测可在体外诊断、治疗以及脑研究中提供广泛的应用。发明人已经认识并意识到，一种提高生产能力的方法是在包括一个或多个纳米针的流动通道内提供细胞的连续循环，以允许细胞内探测的连续操作。本申请的各方面提供了流动通道与细胞分选器之间的整合，以形成医疗系统，该医疗系统选择性地且连续地与来自患者血液样本中的所筛选的感兴趣细胞进行细胞内通信。

本申请的一些方面涉及一种设备，该设备具有布置在流动通道中的垂直纳米针，其中，该流动通道的形状被确定为便于利用纳米针进行在该流动通道中的流体中循环的细胞的固定，并通过纳米针穿透细胞膜。发明人已经认识并意识到，布置纳米针的流动通道的区域在宽度和/或高度方向上可以具有减小的尺寸，该尺寸基本上等于或小于细胞的尺寸。以这种方式，流动通道被配置为使得当细胞流过(或经过)在细胞流动路径中的纳米针上时，细胞具有紧密的配合或被轻微挤压，以促进纳米针尖端的插入细胞中。根据一些方面，所述流动通道的区域的尺寸进一步确定为在宽度和/或高度方向上具有减小的尺寸，所述减小的尺寸与所述细胞核的尺寸基本相同或小于所述细胞核的尺寸，使得所述纳米针在所述细胞核的流动路径中，以促进纳米针插入细胞核内。根据又一方面，流动通道可以是透明的，以允许在流动通道内的细胞流过纳米针时对细胞成像。成像反馈可与流量控制结合使用，以促进细胞固定和穿透。

本申请的一些方面涉及一种制造纳米针的方法。纳米针可具有通过将纳米针侧壁的材料沉积在牺牲模板上而形成的中空的管状结构。牺牲模板可以是垂直纳米级线，其横截面尺寸限定了在去除牺牲模板之后纳米针的内部横截面。纳米针侧壁材料可以被选择并且可以被进一步功能化以促进细胞固定和细胞膜穿透。纳米针的尖端的横截面形状和尺寸被构造为允许穿透细胞膜和/或进入细胞核，同时细胞保持基本存活。以这种方式，可以进行细胞内部的全寿命研究。

根据一些方面，纳米针被垂直定向并布置在水平的第一流动通道中。纳米针的尖端开口与第一流动通道中的液体流体连通，或者当细胞固定在尖端上时，与流动通道中的细胞的细胞内流体流体连通。在一些实施方案中，第二流动通道可以布置在纳米针的下方并连接至纳米针的内部。在一实施方案中，纳米针可从细胞内部提取分析物以输送至第二流动通道以进行诊断分析。在另一个实施方案中，纳米针可以从第二流动通道输送材料以被注入细胞内部或细胞核内，例如以进行治疗性药物输送。

发明人已经认识并认识到，可以提供各种方法以允许经由纳米针将流体受控地泵入和泵出细胞，从而使用纳米针作为纳米泵。一方面，可以沿着纳米针侧壁以及在纳米针的基座处提供电极材料，以使用例如电润湿效应来控制液体流动。在另一方面，可以在其中一个流动通道中提供压电驱动模块以驱动纳米泵液体流动。根据一些方面，经由纳米针受控地泵入细胞内部或从细胞内部泵出可以允许根据预定的定时和剂量进行同步的流体连通。根据又一方面，受控泵浦可用于促进纳米针上细胞的选择性附着和分离。

根据一些方面，可以在流动通道的区域中提供多个纳米针。纳米针中的每一个可以被配置为连接到相同或不同的液体。在一个实施例中，沿流动方向在流动通道内布置一列纳米针，使得细胞可以附着至第一纳米针，随后与第一纳米针分离，然后附着至第二纳米针，依此类推，针对多个纳米针重复进行。纳米针中的一个或多个，并且在某些情况下，每个纳米针可被配置为将一定剂量的生化分子选定序列注入同一细胞中，以执行例如治疗性药物递送。纳米针中的一个或多个，并且在某些情况下，每个纳米针可被配置成将生化分子的选定序列注入顺序地或同时附着于纳米针的一个以上的细胞中。

根据一些方面，可以提供一种医疗系统，该医疗系统包括：细胞分选器，其从人类患者的血流或体液中提取并分离细胞；流动通道中的纳米针，用于与从该细胞分选器循环的细胞内部连通并执行例如基因编辑或将药物递送到细胞或细胞核内部。在一实施例中，可对基因编辑的细胞进行培养并通过自移植回输回人类患者。根据一些方面，包括细胞分选器以及纳米针和流道设备的自移植系统可以形成癌症免疫治疗机。

图1A是示出根据一些实施方案的设备100的截面图的示意图。根据本申请的一个方面，设备100包括垂直布置在第一流动通道120中并且在细胞10的细胞核12内流体连通的纳米针102。设备100还包括第二流动通道130，其布置在衬底110中并且与纳米针102流体连通。在一些实施方案中，第一流动通道120可以被称为细胞流动通道，纳米针102是纳米泵，并且第二流动通道130可以被称为纳米泵流动通道，使得纳米泵102将流体从第二流动通道130泵送到细胞10或细胞核12中。

如图1A所示，细胞10被第一流动通道120内的流体(未示出)所包含，并且沿着流动方向122行进。在一些实施方案中，纳米泵102可以将流体从纳米泵流动通道130向上泵向第一流动通道120。第一流动通道120包括收缩部124，如图1A所示。第一流动通道120具有在收缩部124内的第一部分126和在收缩部外的第二部分128。如图1A所示，由于收缩部124向流动通道内突出，所以与收缩部124外部的第二部分128处的较大尺寸129相比，第一部分126具有较小的尺寸127以允许液体流过。第一部分126的尺寸127可以是与流动方向122正交的距离，使得当细胞10进入收缩部124时，细胞10被引导成与纳米针102相邻地流动，从而提高了纳米针102与细胞10相互作用的可能性。公认的是，收缩部124优选地布置在纳米针102附近，以引导细胞10的流动，从而促进纳米针102对细胞的穿透。在一些实施方案中，通过邻近的纳米针102，收缩部124可以在纳米针之上，附近，周围或通常布置在距纳米针小于100μm，小于50μm或小于10μm的距离内。

尺寸127和129可以分别是第一流动通道在盖106和基座104之间的在第一部分126和第二部分128处的高度，如图1A所示。尽管应当理解，尺寸127/129的方向不受限制，因为第一流动通道120可以在收缩部124处沿任何方向变窄，例如沿着平行于形成流动通道120的底部的基座104的表面的横向方向变窄。还认识到，收缩部124还可以沿流动方向采取任何适当的形状以限制流体流动，并且不要求第一部分126处的尺寸127沿流动方向122是均匀的。在一些实施方案中，收缩部124可形成为盖106的一部分，尽管应当理解收缩部124可形成为具有与盖106不同材料的单独结构。

在一些实施方案中，收缩部124被配置为便于将纳米针102插入细胞10内或细胞10的细胞核12内。细胞10可以是动物细胞、植物细胞、细菌细胞或真菌细胞。细胞10可以是生物活细胞，或细胞样生物囊泡，例如微生物群。可以在第一流动通道120的第一部分126处提供第一尺寸127的任何适当的尺寸以促进细胞插入。在一些实施方案中，第一尺寸127可以是细胞10的平均直径的0.25至5倍，0.5至2倍或0.25至10倍。如本文所用，细胞10的平均直径可以是在单个细胞可能呈不规则形状的情况下所测量的单个细胞沿多个测量轴。的横向范围平均值，或者它可以指的是对一组感兴趣的细胞测得的直径平均值。如本领域中已知的任何合适的细胞尺寸测量可用于确定细胞10的平均直径。第一尺寸127可在0.2至300μm之间，在0.25至200μm之间，在0.5至100μm之间，在1至100μm之间，或10至100μm。

在一些实施方案中，部分由于收缩部124和/或来自纳米针102的穿透，细胞10在第一部分126内发生物理变形，而细胞10的结构和功能保持完整。在一些实施方案中，第一流动通道120可以是微流体通道，并且包含一个或多个细胞10的流体在第一流动通道120内连续循环，以使纳米针102能够穿透多个细胞10。

当纳米针102穿透细胞10时，可以通过多种手段来选择性地控制细胞10内的限定的穿透深度，例如利用相对于细胞大小的预定纳米针高度。在一些实施方案中，细胞10被包含在第一流动通道120内的第一流体中，并且纳米针102可以选择性地输送第二流体，该第二流体包含容纳在细胞10的膜或细胞壁内或细胞核12内的第二流动通道130中的一种或多种试剂(未示出)，具有选择性控制的数量、流速、持续时间。注射剂还可包括代表针ID的物质。第二液体中的内容物可以包括但不限于药物、小分子、基因组、生长因子、核酸、蛋白质、脂质、基因组编辑包、CRISPR公式、RNA或其组合。纳米针以这种方式进行细胞内注射可以允许与癌症、HIV或其他疾病有关的细胞水平的诊断或治疗应用。

在一些实施方案中，除了在细胞10内部递送外来物质之外，纳米针102还可以从穿透的细胞内部提取流体。提取的细胞内流体的内容物可以穿过纳米针102到达第二流动通道130，以进一步分析细胞内流体中包含的分析物。在一些实施方案中，细胞内流体的提取可以允许进行分子水平检测，活细胞监测，药物发现，并且可以辅助基因组编辑，单细胞研究，癌症研究，HIV等方面的研究。

在一些实施方案中，经由纳米针102的注入/提取可以由施加到纳米针内部的流体的外部压力驱动。外部压力的驱动可以通过压电装置、微机电系统(MEMS)致动器或泵，或者通过电润湿来进行。在一些实施方案中，经由纳米针102的注入/提取可以作为连续操作进行。

尽管图1A示出了设备100内的单个纳米针102，但是应当理解，可以在设备100内提供多个纳米针102以允许顺序注入，提取或其组合。也可以提供多试剂注入，延时分析或实时生物反应和分析。

如图1A所示的设备100可以与诸如细胞分选器的细胞循环装置集成以形成医疗系统，该医疗系统允许细胞连续流动通过第一流动通道120，以被设备100内的一个或多个纳米针102穿透，以用于与血液有关的疾病、癌症、HIV等的治疗和诊断应用。与细胞系集成的独立的高通量装置可以与用于细胞编辑和修饰的设备100一起提供，其可以与诸如CRISPR的基因编辑技术相关联。包括设备100的医疗系统还可用于干细胞研究，生物反应器，药物发现和农业等。

在一些实施方案中，单个纳米泵/纳米针或纳米泵/纳米针的阵列可包含刚性或柔性材料，并可用于脑研究和疾病治疗，包括诊断和治疗以及微生物组研究、诊断和治疗。

图1B是示出沿着图1A所示的垂直平面A-A'截取的在第一部分126内的设备100的截面图的示意图。图1B示出与纳米针相邻的第一流动通道120的宽度是，图1B示出了与纳米针相邻的第一流动通道120的宽度为y，在盖106和基座104的顶表面之间的第一流动通道120的高度为z，在第一流动通道120的第一端101内部的纳米针102到第二流动通道130内的第二端103的高度为h，并且纳米针的直径为d。纳米针102是包括侧壁材料的中空结构，其中两端101和103是分别与第一流动通道120和第二流动通道130流体连通的开口。

在一些实施方案中，高度z可以是被配置为在收缩部处124处引导细胞流动的第一尺寸127。替代地或另外，宽度y可以是被配置为在收缩部处124处引导细胞流动的第一尺寸127。

在一些实施方案中，纳米针高度h可以基于仅注入细胞膜内部或从细胞膜内提取或注入细胞核内所需的穿透深度来调节。纳米针高度h可以在0.2至1000μm之间，在0.25至500μm之间，在0.5至200μm之间，或在1至100μm之间。

在一些实施方案中，纳米针直径d可以是纳米针102的内径或外径，并且可以基于诸如注射的数量和流速以及所穿透的细胞10的大小和类型等因素来选择。纳米针直径d可以在2至2000nm之间，在2至1500nm之间，在5至1500nm之间或在5至1000nm之间。

尽管图1B示出了纳米针下方的第二流动通道130基本延伸穿过基座104的横向范围，这种布置仅是示例性的而非限制性的。在一些实施方案中，第二流动通道130可以仅布置在基座的一部分下方，使得第二流动通道103外部的基座104的其余部分由衬底110支撑，以防止纳米针102塌陷到下方的第二流动通道130中。

图2A是示出根据一些方面的设备200的俯视图的示意图。设备200在许多方面类似于设备100。设备200包括垂直布置在第一流动通道220内的纳米针102。设备200还包括与纳米针102流体连通的第二流动通道230。第一流动通道220可以形成在盖206中，并且包括端口221和223，端口221和223构造成用于使包含例如来自介质泵或细胞分选器的细胞的第一流体循环。第二流动通道230包括端口231和233，端口231和233被构造成使第二流体循环以经由纳米针102注入到细胞中，或者用于从纳米针102输送提取的细胞内流体以进行测量和分析。在一些实施方案中，端口231和233垂直延伸穿过盖206以提供到第二流动通道130的流体通路。

图2B是示出根据一些方面的设备200的第一流动通道220的盖206的俯视图的示意图。设备200在第一流动通道220内具有收缩部224。在第一流动通道220中，液体构造成沿端口221和223之间的流动方向流动。收缩部224可向内突出以使流动通道的宽度y变窄以至引导细胞被纳米针102穿透，并且具有长度X。长度X可以在1至500μm之间，1至200μm之间，2至200μm之间或5至200μm之间。

在一些实施方案中，可以在设备中提供多个纳米针并且以规则阵列布置。例如，图3A是示出具有在基座304中以规则的二维阵列布置的多个纳米针302的设备300A的俯视图的示意图。多个纳米针302的阵列可以具有延伸到第一流动通道中的相同的高度h。在一些实施方案中，纳米针阵列302中的至少一些可以具有不同的高度h，并且被配置为当第一流动通道中的细胞附着到纳米针阵列时穿透到不同的深度，或者穿透到一个以上细胞的不同深度。

在一些其他实施方案中，多个纳米针可以以随机分布的阵列排列。例如，图3B是示出具有多个纳米针302的设备300B的俯视图的示意图，所述多个纳米针302以随机二维阵列布置在基座304中。

图3C是示出具有布置在基座304中的多个纳米针302a，302b，302c和302d的设备300C的俯视图的示意图。虽然在示例性设备300C中在图3C中示出了四个纳米针，应当理解，根据本申请的各方面，设备中可以存在任何数量的多个纳米针。在图3C中，纳米针302a，302b，302c，302d可以是相同的，或者可以具有不同的材料组成、高度、内径和/或外径。纳米针也可以连接至多于一个的流动通道(未示出)。例如，纳米针302a可以连接到基座304下方的第一纳米泵流动通道，并被配置为在穿透细胞的同时注入第一类型的流体，而纳米针302b可以连接到第二纳米泵流动通道并被配置为在穿透同一细胞的同时注入第二类型的流体。以这种方式，可以以各自的剂量选择性地将包含在第一和第二类型的流体中的不同试剂向细胞内递送。替代地或另外地，纳米针302c可以连接至第三纳米泵流动通道，该第三纳米泵流动通道被构造成从被纳米针302a穿透的细胞中提取细胞内流体，使得纳米针302a同时向细胞内递送试剂，并且可以提供由纳米针302c提取同一细胞的细胞内流体。同时的细胞内递送和提取可以在单细胞水平上实时监测生化反应。应当理解，可以在设备内的同一基座上提供被配置为注入一个或多个细胞或从一个或多个细胞提取的纳米针阵列的任何组合。

图4A和图4B是示出根据一些方面的在衬底410中形成底部通道430的示例性制造序列的示意图。该过程可以从如图4A所示的衬底410开始。衬底410可以是单层晶片，或者可以是多层的复合物。在一些实施方案中，衬底410可以包括诸如但不限于Si或氧化硅的半导体材料，使得标准的微制造技术可以用于随后的制造步骤。

在图4B中，可以使用标准光刻或电子束光刻来图案化和蚀刻去除衬底410的一部分，以限定第二流动通道430，该第二流动通道430具有端口434和436，端口434和436被配置为提供液体通路以使流体在第二流动通道430中循环。第二流动通道430可具有用于试剂或分析物流动的任何合适的深度和宽度。在一些实施方案中，第二流动通道430可具有在20至200μm之间，在50至200μm之间或在50至100μm之间的宽度。在一些实施方案中，第二流动通道430的深度可以在20至200μm之间，在50至200μm之间或在50至100μm之间。第二流动通道430的一部分432被配置为用于将纳米针布置在其上方。第二流动通道430可在部分432上具有与第二流动通道430的其余部分相同的宽度，或者部分432可具有不同于第二流动通道430的其余部分的合适的形状和尺寸，以利于试剂或分析物流入或流出纳米针。

图5A至图5E是示出了在图1A和1B所示的类型的设备中在基座504上形成纳米针502的示例性制造序列的示意图。该过程可以从如图4A所示的晶片501开始。基底501可以是单组分晶片，或者可以是多层的复合物。在一些实施方案中，晶片501可以包括可通过合适的半导体蚀刻技术蚀刻的半导体材料。在非限制性示例中，基底501是Ge晶片。

在图5B中，在Ge晶片501的顶表面上垂直地形成纳米级线503。可以使用任何合适的微制造或纳米制造技术来形成纳米级线503。例如，可以通过沉积均匀的材料层并使用掩模来各向异性蚀刻以去除纳米级线503外部的一部分材料来形成纳米级线503来。可替代地，可以使用本领域中已知的自底向上的生长技术来形成纳米级线503。例如，可以使用汽-液-固生长或汽-固生长工艺。在一个非限制性实施例中，可以通过利用蚀刻掩模各向异性地向下蚀刻Ge晶片501来形成纳米级线503，该蚀刻掩模保护纳米级线503的横截面免受蚀刻。蚀刻可以使用湿蚀刻或干蚀刻，并且优选地各向异性反应离子蚀刻(RIE)来完成。形成的纳米级线503可以具有任何合适的横截面形状，其直径在20至300nm之间，在50至200nm之间或在100至200nm之间。纳米级线503的长度可以由距原始晶片501的蚀刻深度来控制，并且可以具有5至10μm之间的值。在牺牲地去除纳米级线503之后，纳米级线503的横截面形状和直径确定最终的纳米针的内径和形状。

在图5C中，基座材料504的保形层被沉积并且覆盖晶片501的顶部以及纳米级线503的侧壁和顶部。基座材料504可以是半导体材料，并且优选地是具有足够机械刚度以支撑形成在基座504上的最终的纳米针的固体半导体材料。在一个非限制性实施例中，基座材料504包括氧化硅。

在图5D中，沉积层506，其覆盖基座504的顶表面以及纳米级线503上方的基座材料504的侧壁和顶部。层506可以是对下面的层提供保护以及与第一流动通道中中的液体相容的材料。在一些实施方案中，层506可以包括诸如聚二甲基硅氧烷(PDMS)的聚合物，或诸如SU-8的环氧树脂。

在图5E中，执行蚀刻以选择性地回蚀纳米级线503的尖端的顶部上方的层506和基座材料504的一部分，使得纳米级线503在其顶表面上暴露。

图6A和图6B是示出根据本申请的一方面的用于第一流动通道621的示例性制造序列的俯视图的示意图。该过程可以从如图6A所示的覆盖材料606开始。本申请的一些方面提供了在覆盖材料上制造的第一流动通道621，该覆盖材料是诸如Si或SiO₂的半导体衬底或柔性模制聚合物衬底，但是应当理解，可以使用任何合适的衬底。在一个非限制性实施例中，覆盖材料606包括PDMS。

在图6B中，第一流动通道620形成在盖606的底表面处。在一些实施方案中，第一流动通道620的宽度在50至100μm之间。第一流动通道620包括构造成用于将纳米针放置在其中的收缩部624。可以使用用于收缩部624的任何合适的形状，其尺寸根据与图1A和1B所示的设备100有关的讨论来确定。从第一流动通道620的其余部分到收缩部624的过渡可以是逐渐的，或者可以是突然的界面。在一些实施方案中，收缩部624的长度可以在20至50μm之间，例如40μm。端口621和623通过蚀刻基座606以到达第二流动通道620而形成，并且被配置为使包含细胞的第一流体循环。端口631和633也通过蚀刻基座606以到达第二流动通道620而形成，并且被配置用于使第二流体循环以经由纳米针注射到细胞中。

图7A至图7C是示出根据一些方面的形成纳米针并将纳米针附接至第一和第二流动通道的示例性制造序列的示意图。

在图7A中，通过首先使图5E所示的完成的结构和图6B所示的完成的结构放在一起并且将基座606中的第一流动通道620的收缩部624与纳米针502仔细对准而在层506的顶表面上粘结基座606。在一些实施方案中，可以通过氧等离子体处理来促进PDMS基座606在PDMS层506上的结合，以增强两种材料之间的粘合性。应当理解，当盖606结合在层506上时，不良的横向对准可能导致纳米针502的破裂。在一些实施方案中，可以选择第一流动通道620的宽度y以考虑结合对准，并且如果提供多个纳米针，与使用单个纳米针设备相比，第一流动通道620的宽度y应增大。

在图7B中，通过适当的蚀刻工艺去除晶片501和纳米级线503。在一个实施方案中，晶片501和纳米级线503都是Ge，并且在包含H₂O₂的湿蚀刻溶液中被去除。应当理解，在去除纳米级线503之后，侧壁材料504形成纳米针502的结构并且在第一开口601和第二开口603之间延伸。

在图7C中，通过使图7B所示的完成的结构和图4B所示的完成的结构放在一起并仔细地将衬底410中的第二流动通道430与纳米针502对准而在基座504的底表面下方结合衬底410。

图8A和8B是示出根据本申请的一些实施方案的形成纳米针阵列并将纳米针阵列附接到第一和第二流动通道的制造序列的截面图的示意图。图8A示出了图5E中所示的完成结构的基座606结合在具有纳米级线阵列503的层506上。通过适当的蚀刻工艺去除晶片501和纳米级线503。在一个实施方案中，晶片501和纳米级线503都是Ge，并且在包含H₂O₂的湿蚀刻溶液中被去除。在蚀刻掉纳米级线503之后，侧壁504变成纳米针502。

在图8B中，衬底410被结合在基座504的底表面下方，使得纳米针502的阵列被布置在第二流动通道430中。第一流动通道620的宽度y可以被选择为容纳纳米针阵列502中的多个纳米针。

图9A是示出根据替代实施方案的设备900的截面图的示意图。设备900类似于图1B所示的设备100。在许多方面，一个不同之处在于纳米针102布置在衬底904上并由衬底904支撑。衬底904包括与纳米针102的底部开口903重合的开口905。图9B是示出设备900的俯视图的示意图。

图10A至图10J是示出根据一些方面的形成设备900的示例性制造序列的示意图。该过程可以从如图10A所示的Ge晶片1001开始。在图10B中，介电层1004沉积在Ge晶片1001的顶表面上方。介电层可以是任何合适的半导体材料。在一些实施方案中，介电层是氮化硅。在一实施例中，经由化学气相沉积工艺沉积约500nm厚的氮化硅作为介电层1004。

在图10C中，使用光刻或电子束光刻以及诸如RIE的合适蚀刻技术，在介电层1004中形成开口1005。开口1005的横向尺寸或直径可以是例如150nm。

前进至图10D，沉积另外的半导体材料1007以覆盖介电层1004和开口1005。在一些实施方案中，半导体材料1007是Ge，并且可以使用诸如化学气相沉积(CVD)或原子层沉积的合适的气相沉积工艺来沉积。

在图10E中，通过蚀刻沉积的Ge材料1007来形成Ge纳米级线1003。Ge纳米级线1003可以具有任何合适的直径或形状，其将限定最终的纳米针的内径的尺寸和形状。在一实施例中，Ge纳米级线1003具有100nm的直径。

在图10F中，保形层1006被沉积并且覆盖介电层1004的顶部以及纳米级线1003的侧壁和顶部。在一些实施方案中，保形层1006是CVD沉积的氧化硅。在一个非限制性实施例中，氧化硅1006的厚度为150nm。

在图10G中，执行RIE蚀刻以选择性地蚀刻回纳米级线1003的顶部上的层1006的一部分，使得纳米级线1003在其顶表面上暴露。

在图10H中，具有第一流动通道的基座606结合在介电层1006的顶表面上方。在图10I中，通过合适的Ge蚀刻工艺例如使用包括H₂O₂的湿蚀刻溶液来去除Ge晶片1001和纳米级线1003。应当理解，在去除纳米级线1003之后，侧壁材料1006形成纳米针1002的结构，如图10J所示。在图10J中还示出了，将具有第二流动通道430的衬底410结合在介电层1004的底表面下方。

发明人已经意识到并认识到，在替代设备900中，可以使用诸如电子束光刻之类的精确纳米光刻技术来提供较小尺寸的纳米针和第一流动通道内的收缩部。例如，如图10J所示，第一流动通道的最窄点的高度z和宽度y可以在5μm至10μm之间。纳米针1002的高度h可以由沉积的Ge材料1007的厚度选择性地控制，并且可以在1μm与5μm之间，或者在2μm与4μm之间。

图11是示出根据本申请的一方面的具有纳米泵1102和压电膜驱动器1112的设备1100的截面图的示意图。压电膜驱动器1112可以形成在衬底1110的面对纳米针1102的开口1103的表面附近，并且构造成向第二流动通道1130中的液体施加压力，以控制流体从第一流动通道620中的纳米针1102穿透的细胞的注入和提取。

图12A是示出根据本申请的一方面的纳米泵1202的截面图的示意图。纳米泵1202由侧壁材料1202组成并且从半导体或聚合物衬底1204延伸。可以在衬底上形成电介质1206或其他层，可以在其上形成纳米针1202的基座1208。纳米针1202的侧壁1205可以由可以制造纳米针的任何上述材料形成。可以将氟聚合物(例如，Teflon)或其他疏水性(例如，疏水性或超疏水性聚合物)涂层1207施加到纳米针侧壁1205的外表面上。该涂层可以包括一个或多个薄膜，该薄膜可以例如通过以下方式形成：气相沉积或溶液化学反应。在一特定实施方案中，纳米针侧壁1205可由诸如金属的导电材料形成，例如由金、银、铜或钛形成。可在布置纳米针1202的流动通道中提供与液体接触的对电极(未示出)，从而可在纳米针1202的导电侧壁1205和对电极之间施加电压。该电压可用于控制流体1210从纳米针1202的开口1201的吸入和排出。

当纳米针1202的开口1201在被纳米针1202穿透之后被放置在细胞或细胞核内部时，液体1210可以是细胞内流体。图12A示出了当不施加偏置电压时的纳米泵1202。在图12A中，几乎没有液体1210将经由开口1201进入纳米针1202内部，因为纳米针1202的外表面通常是亲水的。

图12B是示出根据本申请的一方面的纳米泵1202在偏置电压下的截面图的示意图。当在导电侧壁1205和对电极之间施加偏置电压时，在形成纳米针1202的导电侧壁1205上建立正电荷，并且流体1210经由开口1201从底部开口1203通过电润湿作用以及毛细作用被吸入纳米针1202。然后可以从细胞内部抽出纳米针1202，并连续施加偏置电压。在抽出之后，然后可以去除偏置电压，由于毛细管作用及其外表面的疏水性质，导致流体从纳米针1202排出。

图13是示出了根据本申请的一个方面的包括纳米泵设备1340的示例性医疗系统1300的示意图。受试者1310可以是患者、用户、医疗系统1300的操作者，或者在一些实施方案中是患者和医疗系统1300的操作者两者，用于自我诊断或治疗用途。设备1340可以是具有纳米针的纳米泵，类似于以上关于图1A至图12B讨论的实施方案。设备1340可以与编辑单元1350一起布置在装置1360内。可以在细胞分选器1330中处理诸如来自受试者1310的血液或体液样品之类的样品，其中以高通量和高选择性分离细胞，尽管也可以使用其他类型的细胞处理设备。含有感兴趣细胞的流体从细胞分选器1330传递或循环到装置1360。在装置1360中，编辑单元1350可以执行各种功能，例如添加化学药物化合物，使用本领域已知的各种手段例如CRISPR来编辑DNA、RNA、脂质、蛋白质或基因组。编辑单元可以使用纳米泵设备1340以前述段落中的任何段落中讨论的方法来处理感兴趣的细胞。作为在编辑单元1350中的处理的结果，装置1360可以将一个或多个编辑后的细胞输出到细胞培养单元1320。细胞培养单元1320的输出可以被输回受试者1310，作为对受试者1310的一种或多种疾病的溶液。

在一些实施方案中，装置1360内的一个或多个组件可以是消耗组件，其允许灵活地将装置1360重新配置为具有相同或不同的一组配置的新应用。例如，纳米泵设备1340可以以可消耗的筒的形式提供，使得具有不同的纳米针构造(例如针的尺寸)或生化功能化的不同的纳米泵设备可以用来代替先前使用的纳米泵设备的筒，而无需需要更换整个装置1360。这样的消耗盒可以减少用于配置和重新配置医疗系统1300的成本。

图14是示出了根据本申请的另一方面的示例性医疗系统1400的示意图。在医疗系统1400中，细胞分选器1430可以筛选和分离特定组的感兴趣的细胞，例如T细胞、NK细胞、干细胞等。装置1460可以使用纳米泵设备，例如任何一种前述各段中的任一段中描述的纳米泵设备来执行细胞裂解、DNA分离、PCR基因扩增或NK细胞基因注射的方法。在细胞培养单元1420中处理了来自装置1460的输出之后，可以将细胞培养单元1420的输出回输给患者，作为对一种或多种疾病的治疗溶液。

图15是示出了根据本申请的一方面的示例性设备1500的示意图。设备1500包括多个纳米针1502a，1502b，1502c，每个纳米针1502a，1502b，1502c分别连接至彼此不同且彼此分离的相应的第二流动通道1530a，1530b和1530c，以便能够基于连接在纳米针的底部开口处的分离的第二流动通道中的流体进行个性化的注入和/或提取。在图15所示的实施方案中，多个纳米针1502a，1502b，1502c具有不同的高度，并且被配置为当第一流动通道中的细胞附着于多个纳米针1502a，1502b，1502c时穿透到不同的深度，或者穿透到大于一个细胞的不同深度。衬底1510可以由诸如聚合物或织物的柔性和可拉伸材料形成，使得设备1500可以是用于脑部研究的柔性阵列，例如通过电或电化学刺激脑的细胞/组织。此外，这样的设备还可以使药物、基因、神经递质等注射到脑的细胞或组织中。

发明人已经意识到并认识到诸如本申请中所描述的功能装置的制造可以允许大脑研究和神经疾病治疗。尽管纳米针1502a至1502c中的每个可以是纳米泵，但是一个或多个流动通道1530a-1530c可以连接至外部微型泵以执行流体泵送。

因此，已经描述了本发明的至少一个实施方案的几个方面，应当理解，本领域技术人员将容易想到各种改变、修改和改进。这样的改变、修改和改进旨在成为本公开的一部分，并且旨在落入本发明的精神和范围内。此外，尽管指示了本发明的优点，但是应当理解，并非本文描述的技术的每个实施方案都将包括所描述的每个优点。一些实施方案可以不实现在此描述为有利的任何特征，并且在一些情况下，可以实现一个或多个所描述的特征以实现另外的实施方案。因此，前面的描述和附图仅作为示例。

本发明的各个方面可以单独使用，组合使用，或用于在前述实施方案中未具体讨论的各种布置中，因此本发明的应用不限于在前面的描述中所阐述或在附图中示出的部件的细节和布置。例如，一个实施方案中描述的方面可以以任何方式与其他实施方案中描述的方面组合。

而且，本发明可以体现为一种方法，已经提供了实施例。作为该方法的一部分执行的动作可以以任何合适的方式排序。因此，可以构造实施方案，其中以与所示出的顺序不同的顺序来执行动作，即使在说明性实施方案中被示为顺序动作，其也可以包括同时执行一些动作。

这样的改变、修改和改进旨在作为本公开的一部分，并且旨在落入本发明的精神和范围内。此外，尽管指出了本发明的优点，但是应当理解，并非本发明的每个实施方案都将包括所描述的每个优点。在某些情况下，一些实施方案可能没有实现描述为有利的任何特征。因此，前面的描述和附图仅作为示例。

在权利要求中使用诸如“第一”、“第二”，“第三”之类的序数术语来修饰权利要求元素本身并不意味着一个权利要求元素相对于另一个权利要求具有任何优先级、优先权或顺序，或执行方法动作的时间顺序，而是仅用作标记，用于区分具有某个名称的一个权利要求元素与具有相同名称的另一个元素(但使用序数词)来区分权利要求元素。

在一些实施方案中，术语“近似”和“大约”可以用来表示在目标值的±20％之内，在一些实施方案中是在目标值的±10％之内，在一些实施方案中是在目标值的±5％之内，并且在一些实施方案中是在目标值的±2％以内。术语“近似”和“大约”可以包括目标值。

另外，本文中使用的措词和术语是出于描述的目的，并且不应被视为限制。本文中“包括”、“包含”或“具有”、“含油”，“涉及”及其变化形式的使用意在涵盖其后列出的项目及其等同物以及其他项目。

Claims

1.设备，包括：

第一流动通道，其构造成容纳沿第一流动方向循环的包含细胞的第一流体；

纳米针，其布置在所述第一流动通道中并配置为穿透所述细胞，其中，

所述第一流动通道包括与所述纳米针相邻的收缩部。

2.根据权利要求1所述的设备，其中：

所述第一流动通道具有在所述收缩部内的第一部分和在所述收缩部外的第二部分，所述第一部分沿与所述第一流动方向垂直的第一方向具有第一尺寸，并且所述第二部分沿所述第一方向具有第二尺寸，

其中所述第一尺寸小于所述第二尺寸。

3.根据权利要求2所述的设备，其中：

所述第一尺寸被配置成引导所述细胞在所述第一流动通道中被所述纳米针穿透。

4.根据权利要求2所述的设备，其中：

所述第一尺寸是所述细胞的平均直径的0.25到5倍。

5.根据权利要求2所述的设备，其中：

所述第一尺寸是所述细胞的平均直径的0.5到2倍。

6.根据权利要求2所述的设备，其中：

所述第一尺寸在0.25至200μm之间。

7.根据权利要求2所述的设备，其中：

所述第一尺寸在0.5至100μm之间。

8.根据权利要求1所述的设备，其中：

所述细胞是动物细胞、植物细胞、细菌细胞或真菌细胞。

9.根据权利要求1所述的设备，其中：

所述细胞包括细胞核，并且其中所述纳米针被配置为穿透所述细胞的细胞核。

10.根据权利要求1所述的设备，其中：

所述细胞包括细胞核，并且其中所述纳米针被配置为穿透所述细胞的膜。

11.根据权利要求1所述的设备，还包括第二流动通道，所述第二流动通道构造成容纳第二流体，并且其中

所述纳米针包括布置在所述第一流动通道中的第一开口和布置在所述第二流动通道中的第二开口，其中所述第二流动通道构造成经由所述纳米针与所述第一流动通道流体连通。

12.根据权利要求1所述的设备，还包括第二流动通道，所述第二流动通道构造成容纳第二流体，并且其中

所述纳米针包括布置在所述第一流动通道中的第一开口和布置在所述第二流动通道中的第二开口，其中所述第二流动通道被构造成经由所述纳米针与所述细胞的内部流体连通。

13.根据权利要求12所述的设备，还包括机械致动器，所述机械致动器布置在所述第二流动通道中并且构造成经由所述纳米针将流体注入到所述细胞的内部或从所述细胞的内部提取流体。

14.根据权利要求12所述的设备，其中，所述纳米针包括具有导电侧壁的纳米泵，所述纳米泵被配置为经由所述纳米针将流体注入到所述细胞的内部或从所述细胞的内部提取流体。

15.根据权利要求1所述的设备，其中：

所述纳米针包括第一纳米针段，该第一纳米针段构造成在第一流动通道中暴露于第一流体，并且长度在0.5至100μm之间。

16.根据权利要求15所述的设备，其中：

所述第一纳米针段包括第一开口，该第一开口的平均外部尺寸在5至1000nm之间。

17.根据权利要求15所述的设备，其中：

所述第一纳米针段包括第一开口，该第一开口的平均内部尺寸在5至1000nm之间。

18.根据权利要求1所述的设备，其中：

所述第一流动通道的第一部分对于光学显微镜照明波长是透明的。

19.根据权利要求1所述的设备，其中，所述纳米针是第一纳米针，并且所述设备还包括：

第二纳米针，布置在所述第一流动通道中并构造成穿透所述细胞。

20.根据权利要求12所述的设备，其中，所述纳米针是第一纳米针，并且所述设备还包括：第三流动通道，其被构造成容纳第三流体；以及

第二纳米针，其被布置在所述第一流动通道中并且被构造成穿透所述细胞，其中所述第二纳米针包括布置在所述第一流动通道中的第三开口和布置在所述第三流动通道中的第四开口，其中所述第三流动通道被构造成经由所述第二纳米针与细胞的内部流体连通。

21.制造纳米泵设备的方法，所述方法包括：

形成纳米级线；

形成围绕所述纳米级线的侧壁材料；

将所述纳米级线布置在第一流动通道内；

在将所述纳米级线布置在所述第一流动通道内之后，选择性地从所述侧壁材料去除所述纳米级线以形成纳米针。

22.根据权利要求21所述的方法，其中：

形成所述纳米级线包括在半导体衬底上形成纳米级线，使得所述纳米级线沿着基本垂直于所述半导体衬底的平面型表面的方向伸长。

23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述纳米级线具有由所述半导体衬底支撑的第一端和在所述第一端远侧的第二端，所述侧壁材料包括围绕所述纳米级线的第一端的第一部分和围绕所述纳米级线的第二端的第二部分，该方法进一步包括：

将所述纳米级线的第一端和所述侧壁材料的第一部分嵌入支撑层中，其中流道附接表面背向所述半导体衬底的平面型表面。

24.根据权利要求23所述的方法，其中：

在所述第一流动通道内布置所述纳米级线包括将所述支撑层的流道附接表面联接至所述第一流动通道，使得所述纳米级线的第一端布置在所述第一流动通道内。

25.根据权利要求24所述的方法，所述方法还包括：

去除所述半导体衬底。

26.根据权利要求21所述的方法，所述方法还包括：

在去除所述纳米级线以形成纳米针之后，将所述纳米针暴露于第二流动通道，使得所述第二流动通道经由所述纳米针与所述第一流动通道流体连通。

27.根据权利要求21所述的方法，其中，从所述侧壁材料选择性地去除所述纳米级线以形成纳米针包括对所述纳米级线的选择性湿蚀刻。

28.根据权利要求21所述的方法，其中，所述纳米针是第一纳米针，并且所述方法包括：

形成第二纳米针；

在所述第一流动通道中布置所述第一纳米针的第一端和所述第二纳米针的第一端。

29.根据权利要求28所述的方法，还包括：

将所述第一纳米针的第二端布置在第二流动通道中，使得所述第二流动通道经由所述第一纳米针与所述第一流动通道流体连通；

将所述第二纳米针的第二端布置在第三流动通道中，使得所述第三流动通道经由所述第二纳米针与所述第一流动通道流体连通。

30.操作设备的方法，该设备包括第一流动通道、第二流动通道、纳米针，所述纳米针包括布置在所述第一流动通道中的第一开口和布置在所述第二流动通道中的第二开口，其中所述第一流动通道包括与所述纳米针相邻的收缩部，该方法包括：

使包含细胞的第一流体沿第一流动方向在所述第一流动通道中循环；

用所述纳米针穿透所述细胞；

在所述第二流动通道中容纳包含试剂的第二流体；并且

通过所述纳米针将所述试剂从所述第二流体输送到所述细胞中。

31.根据权利要求30所述的方法，其中：

其中所述第一尺寸小于所述第二尺寸。

32.根据权利要求30所述的方法，还包括：

将所述试剂从所述第二流动通道输送到所述细胞的细胞核中。

33.根据权利要求30所述的方法，还包括：

从所述第二流动通道输送所述试剂通过所述细胞的膜。

34.根据权利要求30所述的方法，还包括：

以预定的循环定时在所述第一流动通道内循环所述细胞；

至少部分地基于所述预定的循环定时，以定时和剂量控制所述试剂的输送。

35.根据权利要求30所述的方法，所述方法包括：

将分析物从所述细胞输送到所述第二流动通道。

36.根据权利要求30所述的方法，其中：

在用所述纳米针穿透所述细胞后，该细胞是能活的。

37.根据权利要求30所述的方法，还包括：

在用所述纳米针穿透所述细胞之后，从所述细胞中移出所述纳米针，使得所述细胞在所述第一流体中再循环。

38.根据权利要求30所述的方法，其中，所述纳米针是第一纳米针，并且所述设备还包括布置在所述第一流动通道中的第二纳米针，所述方法还包括：

在用所述纳米针穿透所述细胞之后，用所述第二纳米针穿透所述细胞。

39.医疗系统，包括：

纳米泵，其包括第一流动通道，具有包含试剂的流体的第二流动通道，纳米针，所述纳米针包括布置在所述第一流动通道中的第一开口和布置在所述第二流动通道中的第二开口，其中：

所述第一流动通道被配置为从使用者接收包含细胞的第一样品，

所述纳米针被配置为穿透所述细胞并且在所述细胞内部输送试剂。

40.根据权利要求39所述的医疗系统，其中，所述纳米泵被构造成将第二样品输送给所述使用者。

41.根据权利要求39所述的医疗系统，还包括：

细胞分选器，其配置成从使用者接收体液并将包含所述细胞的第一样品输送至所述第一流动通道。

42.根据权利要求41所述的医疗系统，其中：所述纳米泵和所述细胞分选器布置在壳体中。