CN113388501A - 一种具有细胞捕获、保持与释放功能的微流管道及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微流控技术领域，公开了一种具有细胞捕获、保持与释放功能的微流管道及方法。包括鞘流溶液入口、与鞘流溶液入口串联的细胞溶液入口，鞘流溶液管道和细胞溶液管道汇合连接输入管道，再连接输出管道最后连接出口，在输入管道和输出管道之间连接有捕获管道，捕获管道连接有一个阻塞结构，阻塞结构内有远小于细胞直径的通道，通道连通溶液回路，阻塞结构用于阻隔细胞，阻塞结构连接控制端口，控制端口用来控制细胞的捕获、保持和释放。本发明的微流管道的捕获、保持与释放功能通过流体和外部压力调节实现，具有结构简单，操作方便的优点。
Description
技术领域
本发明属于微流控技术领域，尤其涉及一种具有细胞捕获、保持与释放功能的微流管道及方法。
背景技术
细胞的研究，包括细胞生长的研究、细胞表型的研究、药物的研发和生命的认知具有重要的意义。在可见的未来，细胞生物学仍然是生命科学的领头学科，是支撑生物技术发展的基础科学。
细胞是成群培养的。对细胞的群体检测只能反应整体的情况而忽略了单个细胞的特异性信息。在实际应用中有效的捕获单个或者确定数量的细胞对细胞的特异性研究具有重要的意义。在一些场合，为了降低检测的成本和实现对照性的实验，需要具备简单高效的捕获、检测和释放，然后再捕获、再检测和再释放的方法。传统的方法如井字格阵列器件，虽然每个井能够独立捕获一个细胞，但是如果要再次捕获就需要重新清洗晾干等操作，不利于连续性测试。介电泳是一种常见的微流控细胞控制技术，能够实现细胞的捕获与释放，但是介电泳需要施加交变电场，从而引入电学设备和定制的导线，使得整个系统变得复杂，并且细胞捕获后需要停止液体流动以减小检测时的干扰。
发明内容
本发明目的在于提供一种具有细胞捕获、保持与释放功能的微流管道及方法,以解决细胞捕获不连续，操作繁琐复杂的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明的一种具有细胞捕获、保持与释放功能的微流管道及方法的具体技术方案如下：
一种具有细胞捕获、保持和释放功能的微流管道，包括鞘流溶液入口、与鞘流溶液入口串联的细胞溶液入口，鞘流溶液管道和细胞溶液管道汇合连接输入管道，再连接输出管道最后连接出口，在输入管道和输出管道之间连接有捕获管道，捕获管道连接有一个阻塞结构，阻塞结构内有远小于细胞直径的通道，通道连通溶液回路，阻塞结构用于阻隔细胞；控制端口连接阻塞结构，控制端口用来控制细胞的捕获、保持和释放。
进一步的，当控制端口打开时，通过调节细胞流速和鞘流的流速实现细胞的捕获；当控制端口关断时，捕获区域能够保持被捕获细胞的数量；当控制端口施加压力时，能够释放被捕获的细胞。
进一步的，所述阻塞结构为扇型，阻塞结构上分布5条细小的通道，通道的宽度优选为4μm。
进一步的 ，在每个入口与主管道之间有交错的微柱阵列，微柱阵列用于过滤溶液中的大体积杂质。
进一步的 ，微流管道优选采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）溶液倒入到定制的SU8模具后固化剥离制成，PDMS管道通过氧等离子清洗机处理（Plasma）处理后键合到玻璃材质的基底上。
进一步的 ，所述输入管道和输出管道的宽度为100μm；所述微柱阵列的直径为30μm，相邻间隙为50μm；所述捕获管道的宽度为50μm，有效的长度为400μm。
本发明还公开了一种具有细胞捕获、保持和释放功能的微流控制方法，包括如下步骤：
步骤1：将微流管道键合到玻璃基板上，然后放置在显微镜上；
步骤2：在鞘流溶液入口注入鞘流溶液，运行一段时间，排除管道内的气泡，并让控制端口的导管内存有一定量的液体；然后在细胞溶液入口注入细胞溶液；
步骤3：通过控制细胞溶液的流率和鞘流溶液的流率，把细胞溶液约束到靠近有捕获管道一侧的管道壁；
步骤4：通过控制控制端口进行细胞的捕获、保持或释放；
步骤4.1：细胞的捕获：控制端口打开（与大气相连），输入管道中靠近捕获管道的一部分溶液流入到捕获管道，此时如果有细胞进入到捕获管道，由于细胞的体积远大于阻塞结构内的通道，使得细胞被阻塞，即实现细胞的捕获；如果控制端口一直处于打开的状态，捕获管道会一直捕获细胞，直到捕获管道被细胞完全阻塞；
步骤4.2：细胞的保持：控制端口关断（堵住控制端口），此时输入通道的溶液不能进入到捕获管道，同时被捕获的细胞也不会离开捕获区域，进而实现保持的功能；
步骤4.3：细胞的释放：在控制端口施加一定的压力，捕获管道内的液体被排到输出管道，原本被捕获的细胞在流体的曳力作用下而移动到输出管道，即实现细胞的释放。
进一步地，步骤2在鞘流溶液入口注入鞘流溶液后优选以3μL/min的流率运行30分钟。
进一步地，步骤3为调节鞘流的流率和细胞溶液的流率，细胞溶液的流率设为0.1μL/min，鞘流的流率设为0.2μL/min，计算得雷诺数<0.3，管道内为层流，在鞘流聚焦的作用下，细胞沿着靠近有捕获管道一侧的流线流动。
进一步地，步骤4.1通过调整控制端口的压力，可以实现增加或者减少捕获管道内的细胞数量以及控制细胞在捕获管道内的位置。
本发明的一种具有细胞捕获、保持与释放功能的微流管道及方法具有以下优点：
在本发明的管道结构中，当控制端口打开时，通过调节细胞流速和鞘流的流速实现细胞的捕获；当控制端口关断时，捕获区域能够保持被捕获细胞的数量；当控制端口施加压力时，能够释放被捕获的细胞。该微流管道的捕获、保持与释放功能通过流体和外部压力调节实现，具有结构简单，操作方便的优点。
附图说明
图1为本发明的微流管道的掩模图；
图2为本发明的捕获管道和阻塞结构示意图；
图3为本发明的细胞捕获、保持与释放的微流管道系统框图；
图4为本发明的流线仿真模型图；
图5为捕获时的流线图；
图6为保持时的流线图；
图7为释放时的流线图。
图中标记说明：1、鞘流溶液入口；2、细胞溶液入口；3、控制端口；4、出口；5、微柱阵列；6、捕获管道；7、输出管道；8、阻塞结构；9、输入管道。
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种一种具有细胞捕获、保持与释放功能的微流管道及方法做进一步详细的描述。
如图1所示，一种具有细胞捕获、保持和释放功能的微流管道，包括鞘流溶液入口1、与鞘流溶液入口1串联的细胞溶液入口2，鞘流溶液管道和细胞溶液管道汇合连接输入管道9，再连接输出管道7最后连接出口4。在每个入口与主管道之间有交错的微柱阵列5，微柱阵列5用于过滤溶液中可能存在的大体积杂质，防止管道被异物阻塞而失效。如图2所示，在输入管道9和输出管道7之间连接有捕获管道6，捕获管道6连接有一个扇型的阻塞结构8，阻塞结构8内有远小于细胞直径的通道，通道连通溶液回路，阻塞结构8用于阻隔细胞。控制端口3连接阻塞结构8，控制端口3用来控制细胞的捕获、保持和释放。
微流管道优选采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）溶液倒入到定制的SU8模具后固化剥离制成，PDMS管道通过氧等离子清洗机处理（Plasma）处理后键合到玻璃材质的基底上。这里使用PDMS和玻璃作为基本管道的组成材料。可以根据需求更换成其他的材料。
作为优选，输入管道9和输出管道7的宽度为100μm；微柱阵列5的直径为30μm，相邻间隙为50μm；捕获管道6的宽度为50μm；阻塞结构8上分布5条细小的通道，通道的宽度为4μm；捕获管道6有效的长度为400μm，能够捕获一定数量的细胞。
在这样的管道结构中，当控制端口3打开时，通过调节细胞流速和鞘流的流速实现细胞的捕获；当控制端口3关断时，捕获区域能够保持被捕获细胞的数量；当控制端口3施加压力时，能够释放被捕获的细胞。
如图3所示，一种具有细胞捕获、保持和释放功能的微流控制方法，包括如下步骤：
步骤1：将微流管道键合到玻璃基板上，然后放置在显微镜上。
步骤2：在鞘流溶液入口1注入鞘流溶液，运行一段时间，本实施例优选以3μL/min的流率运行30分钟，排除管道内可能存在的气泡，并让控制端口3的导管内存有一定量的液体。然后在细胞溶液入口2注入细胞溶液。
步骤3：调节鞘流的流率和细胞溶液的流率，细胞溶液的流率设为0.1μL/min，鞘流的流率设为0.2μL/min。通过计算可得雷诺数<0.3，管道内为层流，在鞘流聚焦的作用下，细胞沿着靠近有捕获管道6一侧的流线流动。本实施例使用鞘流的方法把细胞靠近到有捕获管道6一侧的管道壁，也可以使用其他的主动（如电泳等）或被动的方法（如确定性侧向位移等）约束细胞的位置。
步骤4：通过控制控制端口3进行细胞的捕获、保持或释放。
步骤4.1：细胞的捕获：控制端口3打开（与大气相连），输入管道9中靠近捕获管道6的一部分溶液流入到捕获管道6。此时如果有细胞进入到捕获管道6，由于细胞的体积远大于阻塞结构内的通道，使得细胞被阻塞，即实现细胞的捕获。如果控制端口3一直处于打开的状态，捕获管道6会一直捕获细胞，直到捕获管道6被细胞完全阻塞。
步骤4.2：细胞的保持：控制端口3关断（堵住控制端口3），此时输入通道的溶液不能进入到捕获管道6，同时被捕获的细胞也不会离开捕获区域，进而实现保持的功能。
步骤4.3：细胞的释放：在控制端口3施加一定的压力，导致捕获管道6内的液体被排到输出管道7。在这个过程中，原本被捕获的细胞在流体的曳力作用下而移动到输出管道7，即实现细胞的释放。细胞释放的程度与控制端口的压力有关。只要控制端口3的压力控制得当，可以实现增加或者减少捕获管道6内的细胞数量以及控制细胞在捕获管道6内的位置。
如图3所示，使用时，将浇筑完成后的PDMS，打孔，再通过氧等离子处理并键合到玻璃基板上，然后放置在显微镜上，最后连接相应的导管、鞘流注射泵和样本注射泵。首先先泵入鞘流溶液，运行一段时间，排除管道内可能存在的气泡，并让控制端口的导管内存有一定量的液体。然后调节鞘流的流率和细胞溶液的流率，使细胞沿着靠近有捕获管道一侧的流线流动。如图4所示，是本发明的流线仿真模型图，图5-7是本发明的仿真流线图。捕获：如图5所示，控制端口打开（与大气相连），输入管道9中靠近捕获管道6的一部分溶液流入到捕获管道6。此时如果有细胞进入到捕获管道6，即实现细胞的捕获。如果控制端口3一直处于打开的状态，捕获管道6会一直捕获细胞，直到捕获管道6被细胞完全阻塞。保持：如图6所示，控制端口3关断（堵住控制端口3），此时输入管道9的溶液不能进入到捕获管道6，同时被捕获的细胞也不会离开捕获区域，进而实现保持的功能。释放：如图7所示：在控制端口6施加一定的压力，导致捕获管道6内的液体被排到输出管道7，即实现细胞的释放。通过控制端口3的压力，可以实现增加或者减少捕获管道6内的细胞数量以及控制细胞在捕获管道6内的位置。结合光学显微镜的实时观察，可以实现确定数量的细胞的捕获，保持与释放。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。
Claims (10)
1.一种具有细胞捕获、保持和释放功能的微流管道，包括鞘流溶液入口(1)、与鞘流溶液入口(1)串联的细胞溶液入口(2)，鞘流溶液管道和细胞溶液管道汇合连接输入管道(9)，再连接输出管道(7)最后连接出口(4)，其特征在于，在输入管道(9)和输出管道(7)之间连接有捕获管道(6)，捕获管道(6)连接有一个阻塞结构(8)，阻塞结构(8)内有远小于细胞直径的通道，通道连通溶液回路，阻塞结构(8)用于阻隔细胞；控制端口(3)连接阻塞结构(8)，控制端口(3)用来控制细胞的捕获、保持和释放。
2.根据权利要求1所述的具有细胞捕获、保持和释放功能的微流管道，其特征在于，当控制端口(3)打开时，通过调节细胞流速和鞘流的流速实现细胞的捕获；当控制端口(3)关断时，捕获区域能够保持被捕获细胞的数量；当控制端口(3)施加压力时，能够释放被捕获的细胞。
3.根据权利要求1所述的具有细胞捕获、保持和释放功能的微流管道，其特征在于，所述阻塞结构(8)为扇型，阻塞结构(8)上分布5条细小的通道，通道的宽度优选为4μm。
4.根据权利要求1所述的具有细胞捕获、保持和释放功能的微流管道，其特征在于，在每个入口与主管道之间有交错的微柱阵列(5)，微柱阵列(5)用于过滤溶液中的大体积杂质。
5.根据权利要求1所述的具有细胞捕获、保持和释放功能的微流管道，其特征在于，微流管道优选采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)溶液倒入到定制的SU8模具后固化剥离制成，PDMS管道通过氧等离子清洗机处理(Plasma)处理后键合到玻璃材质的基底上。
6.根据权利要求1所述的具有细胞捕获、保持和释放功能的微流管道，其特征在于，所述输入管道(9)和输出管道(7)的宽度为100μm；所述微柱阵列(5)的直径为30μm，相邻间隙为50μm；所述捕获管道(6)的宽度为50μm，有效的长度为400μm。
7.一种利用如权利要求1-6任一项所述的具有细胞捕获、保持和释放功能的微流管道控制细胞捕获、保持和释放的方法，包括如下步骤：
步骤1：将微流管道键合到玻璃基板上，然后放置在显微镜上；
步骤2：在鞘流溶液入口(1)注入鞘流溶液，运行一段时间，排除管道内的气泡，并让控制端口(3)的导管内存有一定量的液体；然后在细胞溶液入口(2)注入细胞溶液；
步骤3：通过控制细胞溶液的流率和鞘流溶液的流率，把细胞溶液约束到靠近有捕获管道(6)一侧的管道壁；
步骤4：通过控制控制端口(3)进行细胞的捕获、保持或释放；
步骤4.1：细胞的捕获：控制端口(3)打开(与大气相连)，输入管道(9)中靠近捕获管道(6)的一部分溶液流入到捕获管道(6)，此时如果有细胞进入到捕获管道(6)，由于细胞的体积远大于阻塞结构内的通道，使得细胞被阻塞，即实现细胞的捕获；如果控制端口(3)一直处于打开的状态，捕获管道(6)会一直捕获细胞，直到捕获管道(6)被细胞完全阻塞；
步骤4.2：细胞的保持：控制端口(3)关断(堵住控制端口(3))，此时输入通道的溶液不能进入到捕获管道(6)，同时被捕获的细胞也不会离开捕获区域，进而实现保持的功能；
步骤4.3：细胞的释放：在控制端口(3)施加一定的压力，捕获管道(6)内的液体被排到输出管道(7)，原本被捕获的细胞在流体的曳力作用下而移动到输出管道(7)，即实现细胞的释放。
8.根据权利要求7所述的微流控制方法，其特征在于，步骤2在鞘流溶液入口(1)注入鞘流溶液后优选以3μL/min的流率运行30分钟。
9.根据权利要求7所述的微流控制方法，其特征在于，步骤3为调节鞘流的流率和细胞溶液的流率，细胞溶液的流率设为0.1μL/min，鞘流的流率设为0.2μL/min，计算得雷诺数<0.3，管道内为层流，在鞘流聚焦的作用下，细胞沿着靠近有捕获管道(6)一侧的流线流动。
10.根据权利要求7所述的微流控制方法，其特征在于，步骤4.1通过调整控制端口(3)的压力，可以实现增加或者减少捕获管道(6)内的细胞数量以及控制细胞在捕获管道(6)内的位置。
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