CN113832005A - 一种基于微通道凹槽涡胞流动的血液癌细胞过滤芯片装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于微通道凹槽涡胞流动的血液癌细胞过滤芯片装置，由芯片主体结构、入口、主通道、支路通道、微凹槽肿瘤细胞捕获结构、微凹槽侧出口、肿瘤细胞排出通道、癌细胞废液出口、净化后血细胞血液出口和下底板组成。利用微凹槽产生的涡胞流场，实现粒径较大的循环肿瘤细胞(CTCs)的捕获，并与主通道内的血细胞隔离(血细胞不会进入微凹槽)。捕获后的肿瘤细胞可以从微凹槽的侧出口流入CTCs排出通道，从而完成血液中的癌细胞的过滤。本发明结构简单，可重复使用；可实现肿瘤患者血液中CTCs的过滤，降低了肿瘤血引起的血行转移播散的可能性，对人类肿瘤疾病的治疗及科学研究具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于微通道凹槽涡胞流动的血液癌细胞过滤芯片装置。本发明属于微流控技术研究领域。
背景技术
自我国献血法实施以来，血液保护成为人们日益关注的问题。自血回收机在手术中的应用日益广泛，同时，也带来了新的问题，即肿瘤患者的自血回收时，存在肿瘤血有引起血行播散的可能性，严重影响临床应用。造成上述问题的主要原因是，自血回收机使用的过滤装置无法有效地过滤血液中的癌细胞。微流控技术(Microfluidics)是利用微米级通道操控或处理微小流体(纳升到皮升)的新型科学技术，因其具有精准化、微型化、可集成等突出优势被广泛研究应用于循环肿瘤细胞分选领域。基于微凹槽结构的惯性微流控技术利用自身产生的诱捕涡胞可以实现肿瘤细胞分选，通过细胞自身尺寸效应将目标细胞从非均一细胞溶液中分选出来，具有高通量、高效率、低成本等技术优势，已在肿瘤细胞操控和肿瘤疾病检测领域得到实验验证。因此，发明一种新型的基于微通道凹槽涡胞流动的血液癌细胞过滤芯片实验装置具有重要科研价值。
发明内容：
本发明目的是提供一种血液癌细胞过滤芯片装置。设计一种基于微通道凹槽涡胞流动的血液癌细胞过滤芯片装置，该装置可解决现有技术存在的问题，可有效地过滤血液中的癌细胞，降低肿瘤血有引起血行播散的可能性，具有较高的科研和临床应用价值，其采用的技术方案如下：
一种基于微通道凹槽涡胞流动的血液癌细胞过滤芯片装置。该通道包括芯片主体结构1、入口2、主通道3、支路通道4、微凹槽肿瘤细胞捕获结构5、微凹槽侧出口6、肿瘤细胞排出通道7、癌细胞废液出口8、净化后血细胞血液出口9、和下底板10。
具体而言，入口2、主通道3、支路通道4、微凹槽肿瘤细胞捕获结构5、微凹槽侧出口6、肿瘤细胞排出通道7、癌细胞废液出口8、净化后血细胞血液出口9为芯片主体结构1上凹槽或孔洞结构，且各结构为芯片工作时流体流动区域；微凹槽肿瘤细胞捕获结构5由矩形凹槽与圆形凹槽衔接而成，入口宽度范围设定为400微米，矩形凹槽的高度和与其衔接圆形微凹槽半径均为400微米，以充分利用凹槽内涡胞结构实现肿瘤细胞的收集；主通道3引出的五条支路通道4中应至少包含64个微凹槽细胞捕获结构5，以实现对肿瘤细胞的多次捕获，提高捕获效率；微凹槽侧出口6与微凹槽肿瘤细胞捕获结构5单侧的圆形微凹槽结构连接，捕获到的肿瘤细胞液流经肿瘤细胞排出通道7，从癌细胞废液出口8排出；过滤后的血液流回人体内。血液抽取装置选用20ml医用注射器，通过微流泵连接芯片装置，使其通过入口2流经主通道3和支路通道4进入微凹槽肿瘤细胞捕获结构5。
所述芯片主体结构1和下底板10均由聚二甲基硅氧烷制作，并通过氧离子上下键合固定，下底板10置于主体结构1底部，以支撑芯片主体结构并提供流动空间；
本发明总体工作过程如下：
携带肿瘤细胞的血液经微流泵从入口2流经主通道3和支路通道4，由于肿瘤细胞与血液中其他细胞的尺寸差异，其在凹槽入口处获得惯性升力，并在微凹槽肿瘤细胞捕获结构5被捕获。被捕获的肿瘤细胞进入微凹槽侧出口6实现无损释放，进一步流经肿瘤细胞排出通道7从癌细胞废液出口8排出，过滤后的血液流回人体内。
附图说明
图1是本发明芯片的三维结构示意图。
图2是带颈部的圆形微凹槽内涡胞流线及速度云图。
图3是带颈部的圆形微凹槽内单个粒子捕获轨迹图。
图4是是本发明芯片的平面结构示意图。
注释：
1.芯片主体结构，2.入口，3.主通道，4.支路通道，5.微凹槽肿瘤细胞捕获结构，6.微凹槽侧出口，7.肿瘤细胞排出通道，8.癌细胞废液出口，9.净化后血细胞血液出口，10.下底板
具体的实施方式
下面结合结构附图对发明的工作过程和效果进行进一步的说明。
图1为一种基于微通道凹槽涡胞流动的血液癌细胞过滤芯片装置的结构示意图。
一种基于微通道凹槽涡胞流动的血液癌细胞过滤芯片装置。该通道包括芯片主体结构1、入口2、主通道3、支路通道4、微凹槽肿瘤细胞收集结构5、微凹槽侧出口6、肿瘤细胞排出通道7、癌细胞废液出口8和净化后血细胞血液出口9为芯片主体结构1上凹槽或孔洞结构，且各结构为芯片工作时流体流动区域；微凹槽细胞捕获结构5由矩形凹槽与圆形凹槽衔接而成，入口宽度范围设定为400微米，矩形凹槽的高度和与其衔接圆形微凹槽半径均为400微米，以充分利用凹槽内涡胞结构实现肿瘤细胞的收集；主通道3引出的五条支路通道4中应至少包含64个微凹槽肿瘤细胞捕获结构5，以实现对肿瘤细胞的多次捕获，提高捕获效率；微凹槽侧出口6与微凹槽肿瘤细胞捕获结构5单侧的圆形微凹槽结构连接，捕获到的肿瘤细胞液流经肿瘤细胞排出通道7，从癌细胞废液出口8排出，过滤后的血液流回人体内；血液抽取装置选用20ml医用注射器，通过微流泵连接芯片装置，使其通过入口2流经主通道3和支路通道4进入微凹槽肿瘤细胞捕获结构5。
所述芯片主体结构1和下底板10由聚二甲基硅烷制成。
所述流体入口为设置在主体结构1上的上下贯通的孔洞结构。
本装置的工作过程如下：携带肿瘤细胞的血液经微流泵从入口2流经主通道3和支路通道4，由于肿瘤细胞与血液中其他细胞的尺寸差异，其在凹槽入口处获得惯性升力，并在微凹槽肿瘤细胞捕获结构5被捕获。捕获的肿瘤细胞进入微凹槽侧出口6实现无损释放，进一步流经肿瘤细胞排出通道7从癌细胞废液出口8排出，过滤后的血液流回人体内。
注：由于微通道尺寸较小，用实际尺寸表示微流控芯片时不能有效表征微流控芯片流道部分的结构，因此附图使用的是微流道结构相对放大的芯片示意图。
Claims (5)
1.一种基于微通道凹槽涡胞流动的血液癌细胞过滤芯片装置；包括芯片主体结构(1)、入口(2)、主通道(3)、支路通道(4)、微凹槽肿瘤细胞捕获结构(5)、微凹槽侧出口(6)、肿瘤细胞排出通道(7)、癌细胞废液出口(8)、净化后血细胞血液出口(9)、和下底板(10)；
入口(2)、主通道(3)、支路通道(4)、微凹槽肿瘤细胞捕获结构(5)、微凹槽侧出口(6)，肿瘤细胞排出通道(7)、癌细胞废液出口(8)和净化后血细胞血液出口(9)为芯片主体结构(1)上凹槽或孔洞结构，且各结构为芯片工作时流体流动区域；
具体而言，微凹槽肿瘤细胞捕获结构(5)由矩形凹槽与圆形凹槽衔接而成，入口宽度范围设定为400微米，矩形凹槽的高度和与其衔接圆形微凹槽半径均为400微米，以充分利用凹槽内涡胞结构实现肿瘤细胞的收集；
主通道(3)引出的五条支路通道(4)中应至少包含64个微凹槽肿瘤细胞捕获结构(5)，以实现对肿瘤细胞的多次捕获，提高捕获效率；微凹槽侧出口(6)与微凹槽肿瘤细胞捕获结构(5)单侧的圆形微凹槽结构连接，捕获到的肿瘤细胞液流经肿瘤细胞排出通道(7)，从癌细胞废液出口(8)排出，过滤后的血液流回人体内；
血液流入微流泵，通过微流泵连接芯片装置，使其通过入口(2)流经主通道(3)和支路通道(4)进入微凹槽细胞捕获结构(5)；所述芯片主体结构(1)和下底板(10)通过氧离子上下键合固定，下底板(10)置于芯片主体结构(1)底部，以支撑芯片主体结构并提供流动空间。
2.根据权利要求1所述的实现一种基于微通道凹槽涡胞流动的血液癌细胞过滤芯片装置，其总体工作过程如下：携带肿瘤细胞的血液经微流泵从入口(2)流经主通道(3)和支路通道(4)，由于肿瘤细胞与血液中其他细胞的尺寸差异，其在凹槽入口处获得惯性升力，并在微凹槽肿瘤细胞捕获结构(5)被捕获；被捕获的肿瘤细胞进入微凹槽侧出口(6)实现无损释放，进一步流经肿瘤细胞排出通道(7)从癌细胞废液出口(8)排出，过滤后的血液流回人体内。
3.根据权利要求1所述的实现一种基于微通道凹槽涡胞流动的血液癌细胞过滤芯片装置，其特征在于：设计了一种新型的带颈部的圆形微凹槽肿瘤细胞捕获结构(5)，该结构由矩形凹槽与圆形凹槽衔接而成；采用多组捕获通道结构的并行设计。
4.根据权利要求1所述的实现一种基于微通道凹槽涡胞流动的血液癌细胞过滤芯片装置，其特征在于：通过控制雷诺数实现捕获癌细胞的精准操控，利用不同雷诺数下微凹槽产生的不同涡胞流场，通过控制细胞轨道运动行为并对其进行精准操控，进而实现肿瘤细胞同时收集与释放；收集的高浓度肿瘤细胞液经过低剪切环境实现了无损释放，以便进行后续鉴别、培养、富集。
5.根据权利要求1所述的实现一种基于微通道凹槽涡胞流动的血液癌细胞过滤芯片装置，其特征在于：入口(2)、主通道(3)、支路通道(4)、微凹槽肿瘤细胞捕获结构(5)、微凹槽侧出口(6)、肿瘤细胞排出通道(7)、癌细胞废液出口(8)、净化后血细胞血液出口(9)为芯片主体结构(1)上凹槽或孔洞结构，且各结构为芯片工作时液体流动区域，且所述芯片主体结构(1)和下底板(10)由聚二甲基硅氧烷PDMS制成。
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