CN113337369A - 一种集成式循环肿瘤细胞分选芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种集成式循环肿瘤细胞分选芯片，包括自上而下依次连接的上导流层、初级分选层、下导流层和次级分选层。本发明集成式循环肿瘤细胞分选芯片，上导流层分别将样品液和鞘液导流到初级分选层，初级分选层通过螺旋形流道实现第一次粗选，去除样品液中的血细胞，然后下导流层将第一次粗选后的液体导流到次级分选层，次级分选层通过蛇形流道和确定性侧向位移流道实现第二次精分选，进一步去除血细胞，从而得到循环肿瘤细胞。本发明集成式循环肿瘤细胞分选芯片，对样品液进行两次分选，提高分选精度。
Description
技术领域
本发明涉及肿瘤细胞分选芯片技术领域，具体来说，涉及一种集成式循环肿瘤细胞分选芯片。
背景技术
随着全球人口的增长以及老年化的加剧，癌症的发病率和死亡率正在迅速增长。癌症预计将成为21世纪世界各国人口死亡的主要原因和延长预期寿命最严重的障碍。根据世界卫生组织(WHO)数据表明，癌症已经成为全球第二大死亡原因。2015年在全球有91个国家，癌症是导致人口在70岁前死亡的第一或第二位原因；在22个国家中，癌症是导致人口70岁前死亡的第三或第四位原因。2018年全球预计有960万人死于癌症，占全球死亡人数的六分之一。由此可见，癌症已经成为影响世界公共健康的重大疾病，针对癌症的研究是非常必要且有重要意义的。
循环肿瘤细胞从恶性肿瘤上脱落，进入人体循序系统中并迁移到人体的其他器官，形成癌症转移和扩散，最终导致大多数癌症患者死亡。从外周血中分离罕见的循环肿瘤细胞被认为是一种无创的液体活检技术，对于癌症的治疗效果评估、个性化治疗、癌症的早期诊断及癌症药物的筛选研发等临床应用具有重大意义。然而，人体外周血中循环肿瘤细胞的数目极其稀少，平均每十亿个血细胞才有一个循环肿瘤细胞。因此如何实现循环肿瘤细胞高精度、高通量的分选具有非常重要的实践应用价值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种集成式循环肿瘤细胞分选芯片，提高肿瘤细胞的分选精度。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种集成式循环肿瘤细胞分选芯片，包括自上而下依次连接的上导流层、初级分选层、下导流层和次级分选层；
所述上导流层包括上导流本体，所述上导流本体上设有第一样品液入口、第一流道、样品液出口、第一鞘液入口、第二流道和鞘液出口；所述第一样品液入口和样品液出口通过第一流道连通；所述第一鞘液入口和鞘液出口通过第二流道连通；
所述初级分选层包括初级分选本体，初级分选本体上设有初级分选单元，所述初级分选单元包括第二样品液入口、第二鞘液入口、螺旋形流道、初级分选出口和第一滤液出口，所述第二样品液入口和第二鞘液入口均与螺旋形流道的入口连通，所述初级分选出口、第一滤液出口和螺旋形流道的出口连接成Y型结构；所述初级分选出口与螺旋形流道中心的距离小于滤液出口与螺旋形流道中心的距离；
所述下导流层包括下导流本体，所述下导流本体上设有汇流入口、汇流流道和汇流出口，所述汇流入口和汇流出口通过汇流流道连通；
所述次级分选层包括次级分选本体，所述次级分选本体上设有次级分选单元，所述次级分选单元包括蛇形流道入口、蛇形流道、确定性侧向位移流道、偏转出口和非偏转出口，所述蛇形流道入口、蛇形流道和确定性侧向位移流道依次连通，确定性侧向位移流道的出口分别与偏转出口和非偏转出口连通；
所述样品液出口与第二样品液入口连通，鞘液出口与第二鞘液入口连通，初级分选出口与汇流入口连通，汇流出口与蛇形流道入口连通。
作为本发明实施例的进一步改进，所述上导流本体上还设有依次连通的滤液入口、滤液流道和第二滤液出口，所述滤液入口与第一滤液出口连通。
作为本发明实施例的进一步改进，所述第一流道为均分流道，所述样品液出口有至少两个；所述第二流道为均分流道，所述鞘液出口有至少两个。
作为本发明实施例的进一步改进，所述初级分选单元有至少两个，初级分选单元的滤液出口重叠。
作为本发明实施例的进一步改进，所述样品液出口的数量、鞘液出口的数量、汇流入口的数量和初级分选单元的数量均相等。
作为本发明实施例的进一步改进，所述蛇形流道成扇形布设。
作为本发明实施例的进一步改进，所述次级分选单元有至少两个。
作为本发明实施例的进一步改进，所述汇流出口的数量与次级分选单元的数量相等。
作为本发明实施例的进一步改进，所述上导流层和初级分选层之间连接有第一双面胶层，所述初级分选层和下导流层之间连接有第二双面胶层，所述下导流层和次级分选层之间连接有第三双面胶层。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：本发明实施例提供的集成式循环肿瘤细胞分选芯片，上导流层分别将样品液和鞘液导流到初级分选层，初级分选层通过螺旋形流道实现第一次粗选，去除样品液中的血细胞，然后下导流层将第一次粗选后的液体导流到次级分选层，次级分选层通过蛇形流道和确定性侧向位移流道实现第二次精分选，进一步去除血细胞，从而得到循环肿瘤细胞。本发明实施例的集成式循环肿瘤细胞分选芯片，对样品液进行两次分选，提高分选精度。
附图说明
图1是本发明实施例的集成式循环肿瘤细胞分选芯片的装配爆炸示意图；
图2是本发明实施例中上导流层的结构示意图；
图3是本发明实施例中初级分选层的结构示意图；
图4是本发明实施例中下导流层的结构示意图；
图5是本发明实施例中次级分选层的结构示意图；
图6是本发明实施例的集成式循环肿瘤细胞分选芯片分选肿瘤细胞时的示意图；
图7是本发明实施例的集成式循环肿瘤细胞分选芯片分选外周血中循环肿瘤细胞的效果图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。
本发明实施例提供一种集成式循环肿瘤细胞分选芯片，如图1所示，包括自上而下依次连接的上导流层1、初级分选层2、下导流层3和次级分选层4。
如图2所示，上导流层1包括上导流本体，上导流本体上设有第一样品液入口11、第一流道12、样品液出口13、第一鞘液入口14、第二流道15和鞘液出口16。第一样品液入口11和样品液出口13通过第一流道12连通。第一鞘液入口14和鞘液出口16通过第二流道15连通。
如图3所示，初级分选层2包括初级分选本体，初级分选本体上设有初级分选单元。初级分选单元包括第二样品液入口21、第二鞘液入口22、螺旋形流道23、初级分选出口24和第一滤液出口25，第二样品液入口21和第二鞘液入口22均与螺旋形流道23的入口连通，初级分选出口24、第一滤液出口25和螺旋形流道23的出口连接成Y型结构。初级分选出口24与螺旋形流道23中心的距离小于滤液出口25与螺旋形流道23中心的距离。
如图4所示，下导流层3包括下导流本体，下导流本体上设有汇流入口31、汇流流道32和汇流出口33，汇流入口31和汇流出口33通过汇流流道32连通。
如图5所示，次级分选层4包括次级分选本体，次级分选本体上设有次级分选单元。次级分选单元包括蛇形流道入口41、蛇形流道42、确定性侧向位移流道43、偏转出口44和非偏转出口45，蛇形流道入口41、蛇形流道42和确定性侧向位移流道43依次连通，确定性侧向位移流道43的出口分别与偏转出口44和非偏转出口45连通。
样品液出口13与第二样品液入口21连通，鞘液出口16与第二鞘液入口22连通，初级分选出口24与汇流入口31连通，汇流出口33与蛇形流道入口41连通。
上述实施例的集成式循环肿瘤细胞分选芯片的工作过程如下：
样品液以一定流速从第一样品液入口11进入上导流层1，鞘液以一定流速从第一鞘液入口14进入上导流层1，样品液依次经第一流道12和样品液出口13从第二样品液入口21进入初级分选层，鞘液依次经第二流道15和鞘液出口16从第二鞘液入口22进入初级分选层。在初级分选层2，样品液和鞘液在螺旋形流道23中流动时，肿瘤细胞以及血细胞受到惯性升力以及Dean拽力的作用，肿瘤细胞平衡在螺旋形流道23的内壁面，血细胞循环至螺旋形流道23的外壁面，最终经过Y型结构，肿瘤细胞流入位于接近螺旋形流道23的初级分选出口24，血细胞流入位于远离螺旋形流道23的第一滤液出口25，实现第一次粗选。经过初选后的肿瘤细胞经初级分选出口24从汇流入口31进入下导流层3，再依次经汇流流道32和汇流出口33从蛇形流道入口41进入次级分选层4。在次级分选层4，肿瘤细胞经蛇形流道42聚焦后，蛇形流道42中存在约占1/2流道宽度的无粒子流，将这部分流体作为确定性侧向位移流道43的鞘液，确定性侧向位移流道43利用微流道内特定排布的微柱来精确控制粒子的运动轨迹，并促使大于临界尺寸的肿瘤细胞与小于临界尺寸血细胞分离，肿瘤细胞流入非偏转出口44，血细胞流入偏转出口45，实现第二次精分选。
本发明实施例的集成式循环肿瘤细胞分选芯片，图6所示，稀释全血掺杂肿瘤细胞样品首先经初级分选层2完成第一次粗分选，去除样品中绝大多数红细胞和白细胞。然后，经初级分选层2分选后的样品在蛇形流道42作用下重新聚焦。最后，在确定性侧向位移流道43中完成对于肿瘤细胞的精分选。从而对肿瘤细胞进行两次分选，提高分选精度。本发明实施例中，在初级分选层2上方设置上导流层1，可以只通过两个注入设备分别将样品液和鞘液同时且均匀的进入初级分选层2的多个初级分选单元中。在初级分选层2和次级分选层4之间设置下导流层3，便于将初级分选层2的多个初级分选单元的初级分选液进行汇集再分配到次级分选层4的多个次级分选单元中。
优选的，如图2所示，上导流本体上还设有依次连通的滤液入口、滤液流道17和第二滤液出口18，滤液入口与第一滤液出口25连通。初级分选层2的第一滤液出口25中含有血细胞的滤液从滤液入口进入上导流层1，再依次经滤液流道17从第二滤液出口18流出。将初级分选层2的滤液导入上导流层1中，便于外接设备进行滤液收集。上导流层1的滤液流道17为流阻配平流道，将其设计成蛇形更节省芯片的空间，且相对直流道有更大的流阻。
优选的，初级分选单元有至少两个，初级分选单元的滤液出口25重叠。初级分选层2设置多个初级分选单元，可同步并行进行初级分选，提高分选速率和效率。所有初级分选单元的滤液均汇集到一个滤液出口25，汇集后输送到上导流层1，上导流层无需设置多个输送滤液的出入口和流道，简化了结构。
优选的，第一流道12为均分流道，样品液出口13有至少两个。第二流道15为均分流道，鞘液出口16有至少两个。当初级分选单元有多个时，可通过第一导流层1分别将样品液和鞘液进行平均分流，分流后导入多个分选单元，进一步提高分选速率和效率。
优选的，样品液出口13的数量、鞘液出口16的数量、汇流入口31的数量和分选单元的数量均相等。每个样品液出口13与每个分选单元的第二样品液入口21一一对应，每个鞘液出口16与每个分选单元的第二鞘液入口22一一对应。每个汇流入口31与每个初级分选单元的汇流入口31一一对应，所有初级分选单元的经过初次分选后的肿瘤细胞液经汇流入口进行汇集流入汇流流道32，再通过汇流流道32分流给汇流出口33，经汇流出口33进入次级分选层4。
优选的，蛇形流道42成扇形布设。扇形布设的蛇形流道可以有效地将粒子聚焦在一起，提高次级分选效率。
优选的，次级分选单元有至少两个。次级分选层4设置多个次级分选单元，可同步并行进行次级分选，提高分选速率和效率。
优选的，汇流出口33的数量与次级分选单元的数量相等。
优选的，综合考虑芯片的尺寸和分选效率，样品液出口13有4个，鞘液出口16有4个，初级分选单元有4个，汇流入口31有4个，汇流出口33有2个，次级分选单元有2个。2个次级分选单元对称分布，可节省空间。
优选的，上导流层1和初级分选层2之间连接有第一双面胶层，初级分选层2和下导流层3之间连接有第二双面胶层，下导流层3和次级分选层4之间连接有第三双面胶层。上导流层1和初级分选层2通过第一双面胶层粘结，初级分选层2和下导流层3通过第二双面胶层粘结，下导流层3和次级分选层4通过第三双面胶层粘结，各双面胶层在各层出入口连接处均设置有避让孔。
上导流层1、初级分选层2、下导流层3与次级分选层4采用夹具直接组装而成，无导管连接。
上导流层1、初级分选层2和下导流层3均采用聚二甲基硅氧烷PDMS、硅胶、塑料和玻璃中的一种或几种制成。次级分选层4采用聚二甲基硅氧烷PDMS和玻璃制成。
经实验测试，样品液流速为1200μl/min，鞘液流速为3600μl/min时，本实施例的芯片对于血细胞的去除率大于99.99％，对于人乳腺癌细胞MCF-7的回收率大于99.99％，纯度为90.57％。如图7所示，人乳腺癌细胞预先经钙黄绿素染色而血细胞未染色，分别观测了螺旋形流道出口位置，如图7(a)所示，蛇形流道入口和蛇形流道出口，如图7(b)所示，以及确定性侧向位移流道入口和确定性侧向位移流道出口，如图7(c)所示，可以发现血细胞和人乳腺癌细胞在螺旋形流道完成粗分选的基础上，在蛇形流道预聚焦加确定性侧向位移流道完成精分选。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。
Claims (9)
1.一种集成式循环肿瘤细胞分选芯片，其特征在于，包括自上而下依次连接的上导流层(1)、初级分选层(2)、下导流层(3)和次级分选层(4)；
所述上导流层(1)包括上导流本体，所述上导流本体上设有第一样品液入口(11)、第一流道(12)、样品液出口(13)、第一鞘液入口(14)、第二流道(15)和鞘液出口(16)；所述第一样品液入口(11)和样品液出口(13)通过第一流道(12)连通；所述第一鞘液入口(14)和鞘液出口(16)通过第二流道(15)连通；
所述初级分选层(2)包括初级分选本体，初级分选本体上设有初级分选单元，所述初级分选单元包括第二样品液入口(21)、第二鞘液入口(22)、螺旋形流道(23)、初级分选出口(24)和第一滤液出口(25)，所述第二样品液入口(21)和第二鞘液入口(22)均与螺旋形流道(23)的入口连通，所述初级分选出口(24)、第一滤液出口(25)和螺旋形流道(23)的出口连接成Y型结构；所述初级分选出口(24)与螺旋形流道(23)中心的距离小于滤液出口(25)与螺旋形流道(23)中心的距离；
所述下导流层(3)包括下导流本体，所述下导流本体上设有汇流入口(31)、汇流流道(32)和汇流出口(33)，所述汇流入口(31)和汇流出口(33)通过汇流流道(32)连通；
所述次级分选层(4)包括次级分选本体，所述次级分选本体上设有次级分选单元，所述次级分选单元包括蛇形流道入口(41)、蛇形流道(42)、确定性侧向位移流道(43)、偏转出口(44)和非偏转出口(45)，所述蛇形流道入口(41)、蛇形流道(42)和确定性侧向位移流道(43)依次连通，确定性侧向位移流道(43)的出口分别与偏转出口(44)和非偏转出口(45)连通；
所述样品液出口(13)与第二样品液入口(21)连通，鞘液出口(16)与第二鞘液入口(22)连通，初级分选出口(24)与汇流入口(31)连通，汇流出口(33)与蛇形流道入口(41)连通。
2.根据权利要求1所述的集成式循环肿瘤细胞分选芯片，其特征在于，所述上导流本体上还设有依次连通的滤液入口、滤液流道(17)和第二滤液出口(18)，所述滤液入口与第一滤液出口(25)连通。
3.根据权利要求1所述的集成式循环肿瘤细胞分选芯片，其特征在于，所述第一流道(12)为均分流道，所述样品液出口(13)有至少两个；所述第二流道(15)为均分流道，所述鞘液出口(16)有至少两个。
4.根据权利要求1所述的集成式循环肿瘤细胞分选芯片，其特征在于，所述初级分选单元有至少两个，初级分选单元的滤液出口(25)重叠。
5.根据权利要求1所述的集成式循环肿瘤细胞分选芯片，其特征在于，所述样品液出口(13)的数量、鞘液出口(16)的数量、汇流入口(31)的数量和初级分选单元的数量均相等。
6.根据权利要求1所述的集成式循环肿瘤细胞分选芯片，其特征在于，所述蛇形流道(42)成扇形布设。
7.根据权利要求1所述的集成式循环肿瘤细胞分选芯片，其特征在于，所述次级分选单元有至少两个。
8.根据权利要求1所述的集成式循环肿瘤细胞分选芯片，其特征在于，所述汇流出口(33)的数量与次级分选单元的数量相等。
9.根据权利要求1所述的集成式循环肿瘤细胞分选芯片，其特征在于，所述上导流层(1)和初级分选层(2)之间连接有第一双面胶层，所述初级分选层(2)和下导流层(3)之间连接有第二双面胶层，所述下导流层(3)和次级分选层(4)之间连接有第三双面胶层。
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