CN111774103B - 一种高通量血浆分离的多核螺旋惯性分选微流控器件 - Google Patents

一种高通量血浆分离的多核螺旋惯性分选微流控器件 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高通量血浆分离的多核螺旋惯性分选微流控器件，包括自上而下粘接的流量分配模块、聚焦分选模块和样品收集模块，聚焦分选模块由至少两层分选芯片堆叠而成，每层分选芯片的结构相同，分选芯片上阵列有多组分选流道，每组分选流道以多个螺旋流道为一独立单元，经单元环形阵列后得到，每个螺旋流道的中央均设有样品液入口，螺旋流道的末端分裂成两条支路，其中一条支路的末端设有样品液出口，另一条支路的末端以每组分选流道为单元汇集至同一废液出口；样品液入口与流量分配模块的样品出口相连，样品液出口、废液出口分别与样品收集模块中的样品收集入口、废液收集入口相连，并分别经样品汇集通道汇集至血浆收集出口及废液收集出口。

Description

一种高通量血浆分离的多核螺旋惯性分选微流控器件
技术领域
本发明涉及一种多核螺旋惯性分选微流控器件，尤其涉及一种高通量血浆分离的多核螺旋惯性分选微流控器件。
背景技术
生物标志物是众多研究领域中最有效的诊断分析物之一，对这些成分的研究涵盖了从疾病(如癌症、老年痴呆症和败血症等)到器官功能障碍等广泛领域。血液样本是发现和收集循环生物标志物的最常见来源之一。然而，人体血液通常由两个主要成分组成，正常情况下成人体内存在40-45％的血细胞(其中红细胞占总细胞数的99％以上)和55％的血浆。由于许多储存在血浆中的信息可能会被自身破损的血细胞及其内容物污染。例如，一种常见的分析物，外来核酸，作为传染病诊断的重要依据，可能会受到患者自身破碎的血细胞中核酸的干扰。因此，在某些情况下，血浆分离(Blood Plasma Separation,BPS)无疑是进行多维度、复杂应用背景的下游诊断前的必要过程。离心法和膜过滤法，这两种传统的分离方法在医学上和实验室中都得到了广泛的应用。然而，这些方法同样存在不可避免的缺点：首先，离心过程需要专业的人力资源和相对昂贵和体积庞大的仪器；其次，膜过滤通常会遇到加工时间、高通量需求和孔隙堵塞等难题。而近年来，随着芯片实验室(lab-on-a-chip,LOC)技术的迅速发展，在循环生物标志物的制备和捕获(包括BPS法)方面取得了长足的进展。惯性微流控技术作为微流控领域内的一个重要组成部分，近20年来得到了越来越多的关注，其利用通常计算时忽略的微尺度惯性力，能够对微米尺度的粒子活细胞进行精确的操控，从而避免上述传统血浆分离工艺中存在的大量问题。
发明内容
发明目的：本发明目的是提供一种高度集成，在较短的处理时间内可以处理更多体积稀释全血，并获得纯度相对较高血浆样品的高通量血浆分离的多核螺旋惯性分选微流控器件。
技术方案：本发明包括自上而下依次粘接的流量分配模块、聚焦分选模块和样品收集模块；所述的流量分配模块包括以样品入口为圆心阵列的多条流量分配通道，每条流量分配通道的末端再次通过环形阵列出多条二级流量分配通道，每条二级流量分配通道的末端均设有样品出口；所述的聚焦分选模块由至少两层分选芯片堆叠而成，且每层分选芯片的结构均相同，所述的分选芯片上阵列有多组分选流道，每组分选流道以多个螺旋流道为一独立单元，经单元环形阵列后得到，每个螺旋流道的中央均设有样品液入口，螺旋流道的末端分裂成两条支路，其中一条支路的末端设有样品液出口，另一条支路的末端以每组分选流道为单元汇集至同一废液出口；所述的样品液入口与样品出口相连，所述的样品液出口、废液出口分别与样品收集模块中的样品收集入口、废液收集入口相连，并分别经样品汇集通道汇集至血浆收集出口及废液收集出口。
所述螺旋流道的截面为宽度大于高度的矩形截面，其宽度与高度的比值为1/2～1/5。
所述螺旋流道中细胞直径和流道水力直径满足Ap/Dh≥0.07，其中，Ap为细胞直径，Dh为流道水力直径，Dh＝4A/P，其中，A为流道面积，P为流道截面的湿润周长。
所述螺旋流道中细胞直径和螺旋流道的截面高度之比为0.07<Ap/h<0.3，h为螺旋流道的截面高度。
所述的分选芯片包括自上而下依次粘接的上封塑膜、中间流道层和下封塑膜，所述的上封塑膜和下封塑膜选用附着有热熔胶的PET薄膜、聚二甲基硅氧烷PDMS、硅胶、塑料、玻璃材质中的一种或几种；所述的中间流道层选用PVC薄膜、聚二甲基硅氧烷PDMS、硅胶、塑料、玻璃材质中的一种或几种。
所述分选芯片的制作方法为激光加工与塑封工艺结合：通过激光加工刻蚀中间流道层结构及上下塑封膜的样品进出口通道，并利用塑封工艺将流道上下封闭。
所述的流量分配模块、聚焦分选模块和样品收集模块之间由双面胶粘结形成封闭整体，其中，双面胶经过激光加工或其他加工方法得到与下层上表面相同的结构形状。
所述的样品入口与外部夹具密封连接，并通过导管连接到装载在精密注射泵上的注射器。
有益效果：本发明具有以下优点：
(1)本发明通过在有限区域内高度集成阵列的矩形截面螺旋流道，大幅提高整体器件的通量，充分利用惯性螺旋的高通量优势，实现快速和高效的血浆分离；
(2)本发明具有成本低、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，尤其适用于血液中多种分析物的提取检测和后续医学应用等；
(3)本发明所采用的制作方法为激光加光和塑封工艺相结合，可根据实际情况，基于不同的细胞或粒子尺寸，对流道结构进行快速设置并完成整体器件的制作，从而应用于其他研究领域和场景。
附图说明
图1为本发明结构的爆炸图；
图2为本发明的流量分配模块结构示意图；
图3为本发明的聚焦分选模块中第二层分选芯片的结构剖面示意图；
图4为本发明的样品收集模块结构示意图；
图5为本发明的矩形截面螺旋流道中的血细胞聚焦迁移原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明包括自上而下依次粘接的流量分配模块1、聚焦分选模块和样品收集模块6。三个模块在垂直方向上堆叠后，经外部夹具定位对准，并通过双面胶粘结形成封闭整体，其中双面胶需经过激光加工或其他加工方法得到与下层上表面相同的结构形状，通常，该结构用作流道出入口的通道。所有模块需上下精准对齐，并需要外部夹具进行固定、定位和样品注入。
如图2所示，流量分配模块1上设有样品入口7、流量分配通道8、二级流量分配通道9和样品出口10。以样品入口7为圆心阵列出六条并联的流量分配通道8，每条流量分配通道8的末端再次通过环形阵列出三条二级流量分配通道9，共形成十八条流量分配通道，每条二级流量分配通道9的末端均设有样品出口10，共十八个样品出口10，从而保证输入样品能够以均匀流速导入下层多核螺旋流道阵列而成的聚焦分选模块。流量分配模块1需外部夹具及样品精确输入装置。
如图1和图3所示，聚焦分选模块层数为N，N≥2，本实施例设有四层分选芯片，通过双面胶粘结，仅留下出入口部分连通。分别为第一层分选芯片2、第二层分选芯片3、第三层分选芯片4和第四层分选芯片5，每层分选芯片的结构均相同。其中任意芯片的制作方法为激光加工与塑封工艺结合：通过激光加工刻蚀中间层流道结构及上下层塑封膜的样品进出口通道，然后利用塑封工艺将流道上下封闭，形成与传统PDMS芯片类似的流道结构。共设有七十二条结构完全相同的矩形横截面的螺旋流道16，每层分选芯片中包含十八个通过两次环形阵列得到的螺旋流道16结构，流道阵列方式为平面阵列和垂直堆叠同时进行。其利用惯性微流控分选原理，基于细胞尺寸，实现血液中血细胞的分离，最终获得相对纯净的血浆样品。
如图3所示，以第二层分选芯片3为例说明，分选芯片包括上塑封膜13、中间流道层14及下塑封膜15，其中，上塑封膜13与下塑封膜15选用附着有热熔胶的PET薄膜，中间流道层14材料为PVC薄膜，三者之间通过塑封工艺将热熔胶融化粘结形成整体。同时制作材料不限于上述两种，也可选用聚二甲基硅氧烷PDMS、硅胶、塑料、玻璃材质中的一种或几种。
分选芯片的中间流道层14上阵列有六组分选流道，每组分选流道以三个螺旋流道16为一独立单元，经单元环形阵列后得到，螺旋结构在同一平面上三个为一单元，与平面上其它单元互不影响。聚焦分选模块单层平面阵列的流道数量为M，且M≥3，阵列数量总数为N×M个。每个螺旋流道16的中央均设有样品液入口11，共十八个样品液入口11，并设置在上塑封膜13上。螺旋流道16的末端分裂成两条支路，其中一条支路的末端设有样品液出口17，共十八个样品液出口17；另一条支路的末端以每组分选流道为单元汇集至同一废液出口12，共形成六个废液出口12，以简化下层样品收集模块6结构，样品液出口17和废液出口12均设置在下塑封膜15上。第一层分选芯片2的样品液入口11贯通至对应流量分配模块1的样品出口10，样品液出口17、废液出口12分别贯通至样品收集模块6顶层的样品收集入口18及废液收集入口19，并分别经样品汇集通道20汇集至血浆收集出口22及废液收集出口21。
螺旋流道16中：细胞直径和流道水力直径满足Ap/Dh≥0.07，Ap为细胞直径，Dh为流道水力直径，Dh＝4A/P，A为流道面积，P为流道截面的湿润周长。螺旋流道16结构尺寸满足：细胞直径和螺旋流道16的截面高度之比为0.07<Ap/h<0.3，h为螺旋流道16的截面高度；螺旋流道16的垂直截面呈宽度大于高度的矩形，其宽度与高度的比值为1/2～1/5。微流控器件对样品的流量输入范围有精确要求，以图中绘制的四层螺旋堆叠为例，仅在72±2ml/min流量条件下，矩形截面螺旋流道16具备聚焦分选功能。
如图4所示，样品收集模块6上设有样品收集入口18、废液收集入口19、样品汇集通道20、废液收集出口21和血浆收集出口22。样品收集模块6通过设置多条并联流道减少收集口数量，其中，样品收集入口18与上层聚焦分选模块的第四层分选芯片5的样品液出口17相连，废液收集入口19与上层聚焦分选模块的第四层分选芯片5的废液出口12相连；样品汇集通道20分别与样品收集入口18、废液收集入口19、废液收集出口21和血浆收集出口22对应相连，最终从器件内导出。
本发明的工作原理为：
流量分配模块1的顶层样品入口7与外部夹具密封连接并通过导管连接到装载于精密注射泵上的注射器，从而实现稀释全血的稳定流量进样；流量分配模块1第二层的六条并联通道将输入样品均分六路，分别输入到六个环形阵列的单元中；第三层的二级流量分配通道9再次将流量均分三份，并经样品出口10输送到下一级聚焦分选模块中，流道个数可根据实际阵列螺旋数对应改变；
聚焦分选模块的第一层分选芯片2与上层流量分配模块1的样品出口10相连，由6×3共十八个矩形截面螺旋流道16共同组成；螺旋流道16内，粒子或细胞将在惯性升力和Dean力的共同作用下，由流道出口处的随机散乱分布逐渐迁移至惯性聚焦位置，本发明中所使用的矩形截面流道，其惯性聚焦位置为靠近内壁面的两处，利用惯性迁移现象，将大多数的血细胞迁移至流道内避免，并在出口的分叉位置将血细胞从样品液中分离出来，从而实现血浆分离应用；
聚焦分选模块由N层分选芯片通过双面胶粘结得到，本实施例中N＝4，四层芯片的结构完全相同，垂直方向直接堆叠粘结，由顶层流量分配模块1均分的十八路流体经十八个对应入口同时进入四层芯片中，并且由于芯片厚度有限，其流速可近似认为在各层均相同，通过该方法可大幅度提高单位面积内的血浆分离速率；
聚焦分选模块分离出的两种液体，分别为含有大量红细胞的废液及含有少量细胞的血浆样品，经过分选模块的二十四个出口，导入至下层的样品收集模块6中；样品收集模块6同样由多层芯片经双面胶粘结制备得到，通过多级的汇集流道将多路液体汇集至两个出口并导出到收集试管中，分别为废液收集出口21和血浆收集出口22。
如图5所示为矩形截面螺旋流道中的血细胞聚焦迁移原理，血细胞将由于多个惯性力及Dean力合力作用下，在特定流速条件下，聚焦与某一平衡位置；在矩形截面直流道中，血细胞将由于流速分布受到剪切诱导惯性升力FS30，以及壁面诱导惯性升力FW25，被控制在靠近矩形截面长壁面中点的平衡位置24；当引入弯流道后，由于Dean涡旋23的影响，血细胞将在Dean曳力FDD29的作用下被推至弯流道内壁面；同时，由于血细胞自旋产生的萨夫曼力FLΩ26的作用，血细胞将迁移至新的平衡位置，如图中所示；其中，由于惯性升力与Dean曳力的大小与细胞尺寸具有密切关系，相较于较大尺寸的白细胞28而言，较小的红细胞27将迁移至更靠近内壁面的位置。
本发明通过大幅度阵列集成螺旋流道，利用惯性微流控聚焦分选原理，通过激光加工及塑封工艺，大幅减少加工周期以及芯片尺寸，实现血浆从稀释全血中的高通量、快速分离。

Claims (8)

1.一种高通量血浆分离的多核螺旋惯性分选微流控器件，其特征在于，包括自上而下依次粘接的流量分配模块（1）、聚焦分选模块和样品收集模块（6）；所述的流量分配模块（1）包括以样品入口（7）为圆心阵列的多条流量分配通道（8），每条流量分配通道（8）的末端再次通过环形阵列出多条二级流量分配通道（9），每条二级流量分配通道（9）的末端均设有样品出口（10）；所述的聚焦分选模块由至少两层分选芯片堆叠而成，且每层分选芯片的结构均相同，所述的分选芯片上阵列有多组分选流道，每组分选流道以多个螺旋流道（16）为一独立单元，经单元环形阵列后得到，每个螺旋流道（16）的中央均设有样品液入口（11），螺旋流道（16）的末端分裂成两条支路，其中一条支路的末端设有样品液出口（17），另一条支路的末端以每组分选流道为单元汇集至同一废液出口（12）；所述的样品液入口（11）与样品出口（10）相连，所述的样品液出口（17）、废液出口（12）分别与样品收集模块（6）中的样品收集入口（18）、废液收集入口（19）相连，并分别经样品汇集通道（20）汇集至血浆收集出口（22）及废液收集出口（21）。
2.根据权利要求1所述的一种高通量血浆分离的多核螺旋惯性分选微流控器件，其特征在于，所述螺旋流道（16）的截面为宽度大于高度的矩形截面，其宽度与高度的比值为1/2~1/5。
3.根据权利要求1或2所述的一种高通量血浆分离的多核螺旋惯性分选微流控器件，其特征在于，所述螺旋流道（16）中细胞直径和流道水力直径满足Ap/Dh≥0.07，其中，Ap为细胞直径，Dh为流道水力直径，Dh=4A/P，其中，A为流道面积，P为流道截面的湿润周长。
4.根据权利要求3所述的一种高通量血浆分离的多核螺旋惯性分选微流控器件，其特征在于，所述螺旋流道（16）中细胞直径和螺旋流道（16）的截面高度之比为0.07<Ap/h<0.3，h为螺旋流道（16）的截面高度。
5.根据权利要求1所述的一种高通量血浆分离的多核螺旋惯性分选微流控器件，其特征在于，所述的分选芯片包括自上而下依次粘接的上封塑膜（13）、中间流道层（14）和下封塑膜（15），所述的上封塑膜（13）和下封塑膜（15）选用附着有热熔胶的PET薄膜、聚二甲基硅氧烷PDMS、硅胶、塑料、玻璃材质中的一种或几种；所述的中间流道层（14）选用PVC薄膜、聚二甲基硅氧烷PDMS、硅胶、塑料、玻璃材质中的一种或几种。
6.根据权利要求1或5所述的一种高通量血浆分离的多核螺旋惯性分选微流控器件，其特征在于，所述分选芯片的制作方法为激光加工与塑封工艺结合：通过激光加工刻蚀中间流道层（14）结构及上下塑封膜的样品进出口通道，并利用塑封工艺将流道上下封闭。
7.根据权利要求1所述的一种高通量血浆分离的多核螺旋惯性分选微流控器件，其特征在于，所述的流量分配模块（1）、聚焦分选模块和样品收集模块（6）之间由双面胶粘结形成封闭整体，其中，双面胶经过激光加工得到与下层上表面相同的结构形状。
8.根据权利要求1所述的一种高通量血浆分离的多核螺旋惯性分选微流控器件，其特征在于，所述的样品入口（7）与外部夹具密封连接，并通过导管连接到装载在精密注射泵上的注射器。
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