CN111647499A - 集成黏弹性和磁力的细胞多级分选微流控芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种集成黏弹性和磁力的细胞多级分选微流控芯片，自上而下包括上盖板、界面黏弹性分选模块、聚焦和磁力分选系统和下盖板四部分。界面黏弹性分选模块为相同的N层芯片结构，前端为双入口，后端设有三个分支出口，上层各个出口均往下汇入底层，聚焦和磁力分选模块设有黏弹性聚焦直流道，其前端连接界面黏弹性分选模块底层中间出口，后端连接磁力分选流道。本发明利用黏弹性分选技术基于细胞尺寸分选，磁力分选技术基于细胞表面特异性表达进行分选，将主动分选与被动分选技术相结合，有效提高了稀有细胞分选精度，多层芯片垂直堆叠，具有更高的通量。

Description

集成黏弹性和磁力的细胞多级分选微流控芯片
技术领域
本发明涉及微流控芯片，具体涉及一种集成黏弹性和磁力的细胞多级分选微流控芯片。
背景技术
循环肿瘤细胞是存在于外周血中的各类肿瘤细胞的统称，在临床上被认为是肿瘤发生转移的早期征兆，检测血液中循环肿瘤细胞的类型和数量变化的趋势对癌症病情的早期诊断具有重要意义。高效、准确地从血液中移除背景血细胞，并捕获稀有循环肿瘤细胞则是后续对其检测、分析的重要前提。微流控技术作为一种微纳米尺度实现流体样品或微纳米粒子检测分析、操控、合成等功能的新技术，得益于其体积小、耗样量少及操控精度高等优点，在细胞分选应用方面潜力巨大。依据是否借助外力场，微流控细胞分选技术可大致分别被动分选技术和主动分选技术两大类，其中被动技术包括微结构过滤、场流及水力分选、仿生分选、惯性分选、确定性侧向位移分选、亲和性分选等；而主动分选技术包括磁分选、声分选、光分选、介电泳分选等。主动分选方法虽然具备较高的分选精度，但通常情况下通量极低，且生成外场需要昂贵的硬件设备，成本高昂且操作繁琐。相比于主动分选技术，被动分选技术虽然在通量和结构设计上占据优势，但其分选精度仍然有着较大的提升空间。各主、被动分选技术虽然在近些年都取得了长足的发展，但也在纯度、回收率及通量三个重要指标上存在各自的不足。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种集成黏弹性和磁力的细胞多级分选微流控芯片，解决现有微流控芯片分选不能同时满足纯度和精度要求的问题。
技术方案：本发明所述的集成黏弹性和磁力的细胞多级分选微流控芯片，自上而下堆叠设置有上盖板、界面粘弹性分选模块、聚焦和磁力分选模块，所述上盖板设置有样品入口和鞘液入口，所述界面粘弹性分选模块连通样品入口和鞘液入口，所述界面粘弹性分选模块将样品通过分叉流道分为两个支路与鞘液交汇于主流道，所述主流道末端分裂成两侧分支流道和中路分支流道，两侧分支流道末端均设置有细胞出口，所述聚焦和磁力分选模块右侧设置有黏弹性聚焦直流道，所述黏弹性聚焦直流道一端连通中路分支流道，另一端连通磁力分选流道，所述磁力分选流道末端分裂为两个分支流道，两个分支流道末端均设置有细胞出口。
为提高通量，所述界面粘弹性分选模块为多层结构，层数≥2。
为便于将经过界面粘弹性分选模块处理的残余细胞引到聚焦和磁力分选模块，所述聚焦和磁力分选模块左侧与设置有与界面粘弹性分选模块对应的相同结构。
为拉大了聚焦细胞束的间距，所述磁力分选流道与黏弹性聚焦直流道连接一端设置有过渡渐扩结构，为提供磁场力，所述磁力分选流道包括磁铁，所述磁铁设置在磁力分选流道上方。
为方便将处理后的细胞流出，还包括下盖板，所述下盖板设置在聚焦和磁力分选模块下方，所述所述下盖板设置有与界面粘弹性分选模块细胞出口和磁力分选模块细胞出口分别对应的细胞出口。
为适配上一级流道带来的流量变化，提升聚焦效果，所述黏弹性聚焦直流道的高度与宽度比值为1/8～1/2。
为了制作简易，所述上盖板、界面粘弹性分选模块、聚焦和磁力分选模块及下盖板均为聚合物薄膜材料制成。
有益效果：本发明利用黏弹性聚焦技术基于细胞的尺寸分选，磁力分选技术基于细胞表面特异性表达进行分选，将主动分选与被动分选相结合，有效的提高了稀有细胞的分选精度，芯片材料为聚合物薄膜，制作简易；多层芯片垂直堆叠，相比于现有的黏弹性分选方法具有更高的通量。本发明还具有成本低、操作简单、易集成微型化等优点，且本发明提出的器件可广泛用于临床诊断、生物学研究、生化分析等领域。
附图说明
图1是本发明的装配爆炸示意图；
图2是聚焦和磁力分选模块的俯视图；
图3是界面黏弹性分选模块的原理图；
图4是黏弹性直流道聚焦的原理图；
图5是磁力分选的原理图；
图6是集成器件的分选原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步说明。
如图1-2所示，本发明公开的集成黏弹性和磁力的细胞多级分选微流控芯片，自上而下依次包括上盖板1、界面黏弹性分选模块2、聚焦和磁力分选模块3、下盖板4四个部分，四个部分垂直堆叠组装而成，每个部分边缘区域设有定位安装孔5。上盖板设置有样品入口21和鞘液入口22。界面粘弹性分选模块2由N层结构完全相同的芯片构成，其中，N大于等于2，界面粘弹性分选模块2连通样品入口21和鞘液入口22，并将样品入口21分裂为两个小支路，与鞘液入口22的支路交汇于主流道，流道末端分裂成两侧分支流道23和中路分支流道25，两侧分支流道23末端设有血细胞出口24。聚焦和磁力分选模块左侧与设置有与界面粘弹性分选模块对应的相同结构，右侧设置有黏弹性聚焦直流道31，黏弹性聚焦直流道31一端与中路分支流道25连通，另一端连通磁力分选流道32，磁力分选流道32与黏弹性聚焦直流道31连接一端设置有过渡渐扩结构，磁力分选流道32上方设置有磁铁，磁力分选流道32末端分裂为第四分支流道33和第五分支流道35，第四分支流道33末端设有磁珠标记白细胞出口34，第五分支流道末端设有稀有细胞出口36。下盖板的血细胞出口与界面黏弹性分选模块最下层芯片的血细胞出口23相对应，磁珠标记白细胞出口和稀有细胞出口与聚焦和磁力分选模块的磁珠标记白细胞出口34及稀有细胞出口36相对应。
如图3所示，界面黏弹性分选模块设计为双入口，即样品入口21和鞘液入口22，自样品入口21处以特定流速引入样品，样品包括血细胞6、磁珠标记白细胞7和稀有循环肿瘤细胞8，鞘液入口22处以特定流速引入黏弹性溶液，因样品液相对于鞘液有着更高的流速，则在流道内两侧形成了剪切界面9，样品中各个细胞起初以惯性升力FL(中心向)为主导开始向流道中心移动，在剪切界面处尺寸较小的细胞受到的弹性升力FE(壁面向)大于惯性升力FL(中心向)，则无法通过剪切界面9，在靠近壁面处平衡，较大尺寸的细胞此时受到的弹性升力FE(壁面向)小于惯性升力FL(中心向)，则可以通过剪切界面9，在近中心侧达到平衡位置。本发明通过界面黏弹性分选模块血细胞6在主流道内最终聚焦于靠近两侧壁面处的平衡位置，之后进入两侧分支流道23，两侧分支流道23末端连通血细胞出口24，汇合后通过下盖板的血细胞出口导出芯片，残余的磁珠标记白细胞7和稀有循环肿瘤细胞8则迁移至靠近主流道中间的平衡位置，之后进入中路分支流道25往下导入聚焦和磁力分选模块，汇合后进入黏弹性聚焦直流道31。
如图4所示黏弹性直流道聚焦的原理图，残余的磁珠标记白细胞7和稀有循环肿瘤细胞8自界面黏弹性分选系统2中路分支流道25往下汇入黏弹性聚焦直流道31，该流道的高度与宽度比值(AR)为1/8～1/2。如截面A所示，在黏弹性聚焦直流道内，细胞除了受到向前的驱动力FD，还受到垂直于主流动方向的弹性力FE和惯性力FL，在二者的合力FV的作用下向流道中间区域迁移；由截面B所示，当流速较大时，位于四个顶角附近的细胞由于受到的惯性力FL(中心向)大于弹性力FE(壁面向)，则向流道的中心迁移，最终平衡于流道中心位置，实现细胞的二次聚焦。
如图5所示磁力分选的原理图，残余的磁珠标记白细胞7和稀有循环肿瘤细胞8自黏弹性聚焦直流道31中心位置进入过渡渐扩结构，过渡渐扩结构拉大了聚焦细胞束的间距，随后进入磁力分选流道32，在磁场力的作用下，磁珠标记白细胞7向流道的上侧迁移，最终流入第四分支流道33，稀有循环肿瘤细胞8则继续位于流道下侧，最终流入第五分支流道34，二者可在各自支路末端的出口处进行收集。
本发明整体的分选原理示意如图6所示，为更清晰标示出流道内血细胞6、磁珠标记白细胞7、稀有循环肿瘤细胞8的运动轨迹，对流道结构做出适当简化。由图6可见，自样品入口21处引入的随机分散细胞粒子，鞘液入口22处引入黏弹性溶液，细胞粒子经界面黏弹性分选系统于主流道中不同位置进行聚焦，在流道末端分流之后汇入两侧分支流道23和中路分支流道25，两侧分支流道23可以移除绝大部分血细胞6(含红细胞及较小尺寸白细胞)；而残余的磁珠标记白细胞7和稀有循环肿瘤细胞8由最下层芯片的中路分支流道25汇入黏弹性聚焦直流道31，重新聚焦后经过渡渐扩结构进入磁力分选流道32，在磁场作用下进一步进行分离，并最终经第四分支流道33移除磁珠标记白细胞7，经第五分支流道35收集稀有循环肿瘤细胞8。本发明引入黏弹性溶液，利用界面黏弹性聚焦技术基于细胞的尺寸进行初级分选，之后利用黏弹性溶液的性质对大尺寸的稀有细胞粒子和磁珠标记白细胞进行二次聚焦，最后采用磁力分选技术基于细胞表面特异性表达再次进行分选，层层相扣，将主动分选与被动分选相结合，有效的提高了稀有细胞的分选精度。

Claims (7)

1.一种集成黏弹性和磁力的细胞多级分选微流控芯片，其特征在于，自上而下堆叠设置有上盖板(1)、界面粘弹性分选模块(2)、聚焦和磁力分选模块(3)，所述上盖板(1)设置有样品入口(21)和鞘液入口(22)，所述界面粘弹性分选模块(2)连通样品入口(21)和鞘液入口(22)，所述界面粘弹性分选模块(2)通过分叉流道将样品分为两个支路后与鞘液交汇于主流道，所述主流道末端分裂成两侧分支流道(23)和中路分支流道(25)，两侧分支流道(23)末端均设置有细胞出口，所述聚焦和磁力分选模块(3)右侧设置有黏弹性聚焦直流(31)道，所述黏弹性聚焦直流道(31)一端连通所述中路分支流道(25)，另一端连通磁力分选流道(32)，所述磁力分选流道(32)末端分裂为两个分支流道，两个分支流道末端均设置有细胞出口。
2.根据权利要求1所述的集成黏弹性和磁力的细胞多级分选微流控芯片，其特征在于，所述界面粘弹性分选模块(2)为多层结构，层数≥2。
3.根据权利要求1所述的集成黏弹性和磁力的细胞多级分选微流控芯片，其特征在于，所述聚焦和磁力分选模块(3)左侧与设置有与界面粘弹性分选模块(2)对应的相同结构。
4.根据权利要求1所述的集成黏弹性和磁力的细胞多级分选微流控芯片，其特征在于，所述磁力分选流道(32)与黏弹性聚焦直流道(31)连接一端设置有过渡渐扩结构，所述磁力分选流道(32)包括磁铁，所述磁铁设置在磁力分选流道上方。
5.根据权利要求1所述的集成黏弹性和磁力的细胞多级分选微流控芯片，其特征在于，还包括下盖板(4)，所述下盖板(4)设置在聚焦和磁力分选模块(3)下方，所述所述下盖板(4)设置有与界面粘弹性分选模块(2)细胞出口和磁力分选模块(32)细胞出口分别对应的细胞出口。
6.根据权利要求1所述的集成黏弹性和磁力的细胞多级分选微流控芯片，其特征在于，所述黏弹性聚焦直流道(31)的高度与宽度比值为1/8～1/2。
7.根据权利要求1所述的集成黏弹性和磁力的细胞多级分选微流控芯片，其特征在于，所述上盖板(1)、界面粘弹性分选模块(2)、聚焦和磁力分选模块(3)及下盖板(4)均为聚合物薄膜材料制成。
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