CN113652333B - 一种优化流体分布的微柱式多相位移通道 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种优化流体分布的微柱式多相位移通道。该通道设置多级减速/分流模块，所述模块包括三角形结构柱和通道两侧多相位段的微柱阵列，所述三角形结构柱处于进样通道中间，所述通道两侧的多相位段的微柱阵列包括不同数量的基于流体流动方向倾斜的水平微柱列和/或基于流体流动方向逆向倾斜的水平微柱列。该通道使细胞悬液在通道两侧积排，防止细胞在通道末段堆积，有利于后续抗体或细胞裂解液与细胞的充分接触。

Description

一种优化流体分布的微柱式多相位移通道
技术领域
本发明属于生物医学检测及微流控技术领域，特别涉及一种优化流体分布的微柱式多相位移通道。
背景技术
微流控芯片技术能够以半自动化、微型化的形式将多个实验过程集成于一体，在临床诊断和生物研究中提供了潜在的应用。与传统实验室方法相比，微流控芯片具有低成本、快速分析、减少样品和试剂的消耗、便携性、自动化、易于集成和分辨率高等显著特点。
细胞微滤器，顾名思义，就是用于细胞分离或过滤的微流控芯片，常用于血液中白细胞的分离或循环肿瘤细胞的捕获。微滤器芯片基于尺寸排阻的原理，是一种被动和简单的技术，不需要庞大和昂贵的仪器。而其他细胞分离的方法，通常是微流控技术与流体力学、声学、电动学、介电泳或磁性方法相结合，但是这些方法常常需要昂贵的外部设备，如电极、激光、超声波、流分割、双向电泳设备、磁铁、电磁感应器等，使集成变得复杂甚至不可能，并且往往需要复杂的制备过程。
近年来，微滤结构在生物医学检测中得到了广泛的应用，比如“U型”水动力捕获结构，用于在大阵列中精确、有序地定位单个细胞，并可与显微镜相结合，对单个细胞的酶动力学等细胞过程进行更多定量分析（Di Carlo D, Aghdam N, Lee LP. S. Anal Chem.2006, 15;78(14):4925-30；专利号CN 106754240 A）；单个微孔阱结构阵列，可捕获单个细胞用于研究单细胞的高通量成像表征和全转录组分析（专利号CN 107389642 A），或捕获单个微珠作为动态微阵列中生物分子的移动固体载体（Tan WH, Takeuchi S. 2007, 23;104(4):1146-51）。但这些结构通常只能用于捕获单细胞，很难做到将不同尺寸的细胞有效地分离和收集。微柱阵列结构主要是由不同形状的微柱按照一定方向和间距进行排列，利用不同细胞直径大小差异将其分离。确定性横向位移（deterministiclateraldisplacement，DLD）微柱阵列（Choi J, Hyun JC, Yang S. Sci Rep. 2015, 14;5:15167；专利号CN 110093247 A），是利用倾斜排列的微柱阵列产生的流体分叉和间隙之间独特数量的流线，尺寸小的细胞以Z字形移动，尺寸大的细胞以横向位移方式移动，该方法对临界直径的控制和调整要求很高。除此之外，还有一种横流过滤式微柱阵列结构，两排平行排列的微柱阵列之间可形成流体通道，每排微柱阵列可将进样通道和出样通道隔开，利用横流过滤方式将靶标细胞捕获在进样通道中（专利号CN 106190774 A；专利号CN210916029 U），此结构可进一步应用于免疫荧光鉴定，也可与其他结构单元集成用于后续的细胞裂解和聚合酶链式反应（polymerase chain reaction，PCR）。虽然该结构芯片制作简单，有很高的细胞捕获率，但是若样本流量大，细胞会在通道末段大量堆积。中国专利CN106190774 A公开了一种微柱过滤微流控芯片，用于捕获循环肿瘤细胞（如图1A所示），图中所示的内圈细胞栅栏结构由圆形微柱列组成，在通入H1299细胞悬液后，芯片内细胞拦截结果如图1B所示，细胞堆积在通道末段大量堆积。直接影响后续检测中抗体或细胞裂解液与细胞的充分接触，尤其在分离和捕获免疫荧光鉴定中荧光信号本身就弱的靶标细胞，很容易造成靶标细胞的漏检或细胞裂解不充分。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种优化流体分布的微柱式多相位移通道，以克服现有技术中横流过滤式微柱阵列芯片中由于微柱阵列利用不充分导致细胞在通道末段大量堆积的缺陷。
本发明提供一种优化流体分布的微柱式多相位移通道，在进样通道内设置多级减速/分流模块，所述多级减速/分流模块包括三角形结构柱和通道两侧多相位段的微柱阵列，所述三角形结构柱处于进样通道中心线上，所述通道两侧的多相位段的微柱阵列包括不同数量的基于流体流动方向倾斜的水平微柱列和/或基于流体流动方向逆向倾斜的水平微柱列，每行微柱包括多个相位段的微柱阵列，每个相位段的微柱按照同一角度倾斜，并且按照流体流动方向，每行多相位段微柱的倾斜方向使流体从夹缝中流出的水流转角从大角到小角转换。
优选地，上述微柱式多相位移通道中，所述三角形结构柱在每条通道中可设置1个或多个，高为10~100 μm，同一通道中相邻的三角形结构柱之间距离相等，相等距离为1000~3000 μm。
优选地，上述微柱式多相位移通道中，所述三角形结构柱的横切面为等腰三角形，等腰三角形的底边长为50~500 μm，高度为20~300 μm，三角形结构柱顶角朝向进样口方向。
优选地，上述微柱式多相位移通道中，所述所述微柱的横截面形状为椭圆形，宽度为10~100 μm，长度为30~500 μm。
优选地，上述微柱式多相位移通道中，所述微柱高为10~100 μm，微柱间的夹缝宽度为5~12 μm。
优选地，上述微柱式多相位移通道中，所述微柱阵列与微柱阵列之间的通道宽度为50~1000 μm。
优选地，上述微柱式多相位移通道中，所述微柱基于流体流动方向倾斜使流体从夹缝中流出的水流转角为90°~150°。
优选地，上述微柱式多相位移通道中，所述微柱基于流体流动方向逆向倾斜使流体从夹缝中流出的水流转角为30°~90°。
优选地，上述微柱式多相位移通道中，所述每行多相位段微柱的倾斜方向使流体从夹缝中流出的水流转角从大角到小角转换为：同一行中流体首先经过的相位段的微柱倾斜方向使流体从夹缝中流出的水流转角最大，后面流体经过的每个相位段的微柱倾斜方向使流体从夹缝中流出的水流转角均比前一个相位段的要小，水流转角范围为30°~150°。
优选地，上述微柱式多相位移通道中，所述每个相位段微柱的数量占每行全部微柱数量的比例为1%~100%。
本发明还提供一种微柱阵列式细胞过滤器芯片，包括上述优化流体分布的微柱式多相位移通道。
本发明通道两侧多相位段的微柱阵列，包括不同数量的按照一定规则倾斜排列的微柱；通道两侧按照一定规则倾斜排列的微柱，包括但不限制于，一侧为基于流体流动方向倾斜的水平微柱列，另一侧为基于流体流动方向逆向倾斜的水平微柱列，或两侧均基于流体流动方向倾斜的水平微柱列，或两侧均基于流体流动方向逆向倾斜的水平微柱阵列。
本发明基于流体流动方向倾斜即微柱倾斜的角度有利于流体从微柱间夹缝流出，此时流体从夹缝中流出的水流转角为90°~150°，角度越大越有利于流体从夹缝流出。基于流体流动方向逆向倾斜即微柱倾斜的角度阻碍流体从微柱间夹缝流出，此时流体从夹缝中流出的水流转角为30°~90°，角度越小流体从夹缝流出越困难。
本发明中多级减速/分流模块包括三角形结构柱和通道两侧多相位段的微柱阵列，既能够解决细胞在通道末段大面积堆积的问题，使细胞均匀分布在通道两侧，又可改变流入某个/某些通道内的流体流量，增加或减少拦截在该通道内细胞的数量。
有益效果
（1）本发明通过设置多级减速/分流模块，充分利用通道内各相位段的微柱，使细胞悬液在通道两侧积排，防止细胞在通道末段堆积，有利于后续抗体或细胞裂解液与细胞的充分接触。
（2）本发明通过设置多级减速/分流模块，可对某一进样通道内设置与其他进样通道内倾斜角度不同的微柱阵列，使该通道产生不同于其他通道的流体阻力，可控制流入该通道的流体流量。比如，若芯片通道较多，前期需要做多级分流，但多级分流会占用芯片面积；而只设置一级或二级分流，可能会导致流入各通道的流体流量差异太大。利用/分流模块，在一级或二级分流基础上，可通过调整流体流量小的通道两侧微柱的倾斜角度，使流体更易从该通道的微柱夹缝流出，即可提高流入该通道的流体流量；或通过调整流体流量多的进样通道两侧微柱的倾斜角度，增大流体从该通道的微柱夹缝流出的阻力，可降低流入该通道的流体流量，最终使芯片内流体流量分布均衡。
（3）本发明中微柱式多相位移通道可作为微柱阵列式细胞过滤器芯片的结构元件，既能与其他类型的微滤器结构相结合，进行二次过滤；也可与其他结构单元集成用于后续的细胞裂解和聚合酶链式反应。
附图说明
图1为现有技术中公开的一种微柱过滤微流控芯片的结构示意图（A）和芯片内细胞拦截结果（B），其中1为样品细胞溶液进口，2为分流结构，3为细胞聚焦结构，4为细胞栅栏结构，5为废液出口，6为汇流结构，21为分流通道。
图2为本发明实施例1中基于微柱式多相位移通道的简易微流控芯片的结构示意图。
图3为本发明实施例1中微柱基于流体流动方向倾斜和逆向倾斜演示图。
图4为本发明实施例2中微柱的不同倾斜角度对流体流动影响的仿真模拟结果（箭头代表流体流动方向，线条代表流体流动路径）。
图5为本发明实施例3中芯片结构按照实施例1设计的仿真模拟结果。
图6为本发明实施例3中芯片中所有的通道两侧都设置多相位段微柱221-223的仿真模拟结果。
图7为本发明实施例4中多级减速/分流模块可使细胞在通道两侧聚集的实验结果（A）以及明场和荧光场下拍摄的细胞结果（B）。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
如图2所示，本实施例提供了一种微柱式多相位移通道的简易微流控芯片，用于捕获靶标细胞，由芯片层和基底层经过等离子处理后键合而成。芯片层设有依次连接的进样口1，微柱阵列式细胞过滤区2，和出样口3。
其中，微柱阵列式细胞过滤区2，包括进样通道21，微柱阵列22，三角形结构柱 23，分流柱24，以及出样管道25。
微柱阵列22，利用多级减速/分流模块，设置多相位段微柱221-223。中间两条进样通道的微柱阵列，每行微柱包括多个相位段的微柱阵列，每个相位段的微柱按照同一角度倾斜，且同一行多个相位段微柱的倾斜角度按照一定规则设置，按照流体流动方向，每行多相位段微柱的倾斜方向使流体从夹缝中流出的水流转角从150°到30°转换，具体地，同一行中流体首先经过的相位段的微柱倾斜方向使流体从夹缝中流出的水流转角最大，后面流体经过的每个相位段的微柱倾斜方向使流体从夹缝中流出的水流转角均比前一个相位段的要小。每个相位段微柱的数量占每行全部微柱数量的比例为1%~100%。在本实施例中，组成中间两条进样通道的4行微柱阵列均基于流体流动方向倾斜，每一行微柱阵列，前20%比例的微柱形成的夹缝使水流转角为120°，图2的221区域；接着30%比例的微柱形成的夹缝使水流转角为100°，图2的222区域；最后50%比例的微柱形成的夹缝使水流转角为90°，图2的223区域。可选的，倾斜的微柱形成的夹缝使水流转角范围为30°~150°。可选的，同一行中倾斜角度相同的微柱所占的比例范围为1%~100%。
在本实施例中，芯片两边最外侧进样通道内微柱设置与中间进样通道内微柱不同的倾斜角度，如图3所示，通道内侧设有基于流体流动方向逆向倾斜的水平微柱列224，微柱形成的夹缝使水流转角为75°；通道外侧设有基于流体流动方向倾斜的水平微柱列225，微柱形成的夹缝使水流转角为120°。该设置不仅能够增大最外侧进样通道内的流体流量，而且还可以增大从通道外侧微柱间夹缝流出的流体流量。可选的，沿流体流动方向倾斜的微柱形成的夹缝使水流转角范围为90°~150°。可选的，基于流体流动方向逆向倾斜的微柱形成的夹缝使水流转角范围为30°~90°。
在进样通道中还设有三角形结构柱23，每条通道中共有5个三角形结构柱，处于通道中心位置，高30 μm，同一通道中相邻的三角形结构柱相距2000 μm，其顶角朝向进样口方向，用于流体减速/分流，以及支撑作用，使流体更容易地从通道两侧微柱间的夹缝中流出。其横截面为等腰三角形，底边长50~500 μm，高度为20~300 μm，在本实施例中底边长为200μm，高度为88 μm。
分流柱24，其横截面为由两条同心圆弧组成的四边形，内弧半径为1335 μm，弧长1118 μm，弧度48°；外弧半径为1672 μm，弧长1365 μm，弧度48°。处于芯片的对称轴线上，外弧顶部与其左右两侧的出样管道顶部平齐，主要用于分流和支撑。
在本实施例中，微柱阵列中微柱的横截面形状为椭圆形，宽度为30 μm，长度为45μm；微柱的高度为30 μm，微柱间的间隙为7 μm；进样管道宽度为800 μm，出样管道宽度为600 μm。
在本实施例中，芯片底层由玻璃制成，芯片层由聚二甲基硅氧烷通过硅模具制成。但是应当理解的是，基底层和/或芯片层均可由玻璃、PDMS、PMMA、PC、PP中的任意一种材料制成。
实施例2
本实施例利用Comsol Multiphysics 5.4软件对基于流体流动方向倾斜的微柱和逆向倾斜的微柱进行了流体仿真模拟，结果如下：
如图4所示，本实施例对使水流转角为30°、90°和150°的微柱阵列分别进行了流体仿真模拟。仿真参数及条件设置如下：芯片材料设置为PDMS，通道内的流体参数按液态水设置，其密度为1000 kg/m3，动力粘度为0.001 Pa·s。边界条件设置为入口的流体速度1 μL/s。芯片内所有内壁设置为无滑移状态，网格以超细化来进行划分。通过仿真最终得到了芯片内流体的流速分布，如图4所示。当水流转角为30°时，如图4A所示，此时微柱逆着流体流动方向倾斜，在夹缝入口处，流体与微柱会产生撞击（箭头符号），而在夹缝出口处与横向流流体汇合时会产生扰乱，阻碍横向流流体继续往出样口方向流动；当水流转角为90°时，如图4B所示，前面所述的流体与微柱的撞击和流体混合时产生的扰乱减小；而当水流转角为150°时，如图4C所示，此时微柱基于流体流动方向倾斜，流动剖面更均匀，且流体流出夹缝与横向流流体汇合时产生的扰乱很小，有利于流体从夹缝流出。
实施例3
本实施例利用Comsol Multiphysics 5.5软件对多级减速/分流模块可调控通道流体流量的功能进行流体仿真模拟，结果如下：
图5中的芯片结构按照实施例1设计，如图2所示，中间两条进样管道设置多相位段微柱221-223，芯片两边最外侧两条进样通道的微柱224-225。图6的芯片中所有的通道两侧都设置多相位段微柱221-223，芯片其他参数按照实施例1设计。仿真参数及条件设置如下：芯片材料设置为PDMS，通道内的流体参数按液态水设置，其密度为1000 kg/m3，动力粘度为0.001 Pa·s。边界条件设置为入口的流体速度1 μL/s。芯片内所有内壁设置为无滑移状态，网格以超细化来进行划分。通过仿真最终得到了芯片内流体的流速分布，如图5图6所示。图5中流入两边最外侧的两条进样通道中的流体密度明显比图6中的大（线条代表速度流线路径），说明微柱阵列224-225的设置可使芯片两边最外侧进样通道的流体流量增大。且图5的局部放大图显示，由于进样通道左侧的微柱形成的夹缝使水流转角为120°，微柱基于流体流动方向倾斜，利于流体流出；而右侧微柱形成的夹缝使水流转角为75°，微柱基于流体流动方向逆向倾斜，阻碍流体流出，所以仿真结果显示三角形结构柱左侧的速度流线比右侧多，说明流体从左侧微柱夹缝中流出的流体流量比右侧要多。而图6局部放大图中三角形结构柱两侧的微柱倾斜角度相同，流体的水流转角相同，所以三角形结构柱左右两侧的速度流线数量基本相同，说明从通道左右两侧微柱夹缝中流出的流体流量比较均衡。
实施例4
本实施例对多级减速/分流模块可使细胞悬液在通道两侧积排，防止细胞在通道末段堆积的功能进行了实验测试。测试选择使用实施例1中一种微柱式多相位移通道的简易微流控芯片，实验方法如下：
（1）从培养瓶中收集H1975细胞，并用1 mL1%的多聚甲醛溶液固定10 min，1000rpm离心5 min，去上清，用PBS缓冲液重悬沉淀；
（2）利用加样针将150 μL 1X106的H1975细胞悬液以1 μL/s的速度从进样口加入芯片；
（3）取0.2 μL浓度为1mg/mL的DAPI溶液，加抗体稀释液补充至70 μL，以1 μL/s的速度从进样口加入芯片，常温下对细胞核染色10分钟；
（4）将200 μL洗液（0.05%的Tween 20，用PBS缓冲液配制）以1 μL/s的速度从进样口加入芯片，将未反应的DAPI洗掉；
（5）最后用OLYMPUS倒置荧光显微镜进行观察和拍照。
结果如图7所示，图7A为用2X物镜明场下拍摄的图片，约105个细胞被拦截在芯片内，且细胞堆积在通道两侧。芯片两边最外侧进样通道两侧微柱内细胞堆积面积明显比中间两条进样通道的要大，说明，最外侧进样通道的流体流量比中间进样通道的要多，该结果与实施例3的仿真结果一致。图7B为用10X物镜明场和荧光场下拍摄的细胞，细胞核荧光很强且染色均匀，说明细胞在通道两侧堆积并没有影响DAPI染色液对细胞核的染色。
而图1的现有技术中通道前后的微柱设置一样，流体在流经前段微柱时，由于前段微柱没有设置相比后段微柱更容易使流体流出的夹缝，所以流体很容易直接流到通道末段，从末段的微柱间流出，进而使大量细胞堆积在通道末段，而该芯片仅仅进了约104个H1299细胞，细胞捕获的通道末段中就已经堆积大量细胞（图1B）。
由此对比可见，本发明涉及的一种优化流体分布的微柱式多相位移通道，通过在通道中设置多级减速/分流模块，能够使细胞悬液在通道两侧积排，防止细胞在通道末段堆积，有利于后续抗体或细胞裂解液与细胞的充分接触。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用以限制本发明，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (7)

1.一种优化流体分布的微柱式多相位移通道，其特征在于，在进样通道内设置多级减速/分流模块，所述多级减速/分流模块包括三角形结构柱和进样通道两侧多相位段的微柱阵列，所述三角形结构柱处于进样通道中心线上，所述进样通道两侧多相位段的微柱阵列包括不同数量的基于流体流动方向倾斜的水平微柱列和/或基于流体流动方向逆向倾斜的水平微柱列，每个相位段的微柱按照同一角度倾斜，并且按照流体流动方向，同一行中流体首先经过的相位段的微柱倾斜方向使流体从夹缝中流出的水流转角最大，后面流体经过的每个相位段的微柱倾斜方向使流体从夹缝中流出的水流转角均比前一个相位段的要小，水流转角范围为30°~150°；
所述进样通道包括中间进样通道和最外侧进样通道；
所述最外侧进样通道两侧的微柱设置与中间进样通道内微柱不同的倾斜角度；所述最外侧进样通道两侧的内侧设有基于流体流动方向逆向倾斜的水平微柱列；所述最外侧进样通道两侧的外侧设有基于流体流动方向倾斜的水平微柱列；所述微柱基于流体流动方向倾斜使流体从夹缝中流出的水流转角为90°~150°；所述微柱基于流体流动方向逆向倾斜使流体从夹缝中流出的水流转角为30°~90°。
2.根据权利要求1所述微柱式多相位移通道，其特征在于，所述三角形结构柱在每条通道中设置1个或多个，同一通道中相邻的三角形结构柱之间距离相等，相等距离为1000~3000 μm，三角形结构柱顶角朝向进样口方向；所述三角形结构柱的横切面为等腰三角形，等腰三角形的底边长为50~500 μm，高度为20~300 μm。
3. 根据权利要求1所述微柱式多相位移通道，其特征在于，所述微柱的横截面形状为椭圆形，宽度为10~100 μm，长度为30~500 μm。
4. 根据权利要求1所述微柱式多相位移通道，其特征在于，所述微柱高为10~100 μm，微柱间的夹缝宽度为5~12 μm。
5. 根据权利要求1所述微柱式多相位移通道，其特征在于，所述微柱阵列与微柱阵列之间的通道宽度为50~1000 μm。
6.根据权利要求1所述微柱式多相位移通道，其特征在于，所述每个相位段微柱的数量占每行全部微柱数量的比例为1%~100%。
7.一种微柱阵列式细胞过滤器芯片，包括如权利要求1所述优化流体分布的微柱式多相位移通道。
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