CN113952993B - 集成微混合器与Tesla阀的多级惯性微流控血样处理芯片 - Google Patents

Abstract

本发明集成微混合器与Tesla阀的多级惯性微流控血样处理芯片，涉及微量采集血液样本的快速体积扩充与目标细胞筛选的一体化实现方法，具体为微混合器、两级惯性细胞分选单元以及特斯拉阀流阻匹配单元的一体化设计与制备。本发明利用流阻匹配的方法实现了两级惯性微流控单元的串联，通过流阻匹配流道将血细胞导出与两级惯性聚焦相结合的方法实现了微量血液样本中稀有癌细胞的高精度富集与筛选，与现有的一级被动式微流控癌细胞筛选技术相比，本发明所提出的两级串联方案筛选纯度更高。现有微流控细胞操纵技术需要先将血液样本稀释后再注入微流控芯片，本发明将微混合器与惯性癌细胞筛选器（一、二级惯性分选单元）集成在一体化片上实现了微量血液样本的稀释与癌细胞的高精度筛选。

Description

集成微混合器与Tesla阀的多级惯性微流控血样处理芯片

技术领域

本发明涉及微量采集血液样本的快速体积扩充与目标细胞筛选的一体化实现方法，具体为微混合器、两级惯性细胞分选单元以及特斯拉阀流阻匹配单元的一体化设计与制备。

背景技术

目前能够有效用于临床癌症状态检测的方法成本高昂，操作复杂，且病人在检测过程常承受较大痛苦(如肝脏穿刺等)。近年来，微流控技术的发展为癌症检测的低成本普及提供了一条路径，具体解决方法大致如下：首先利用微流控技术对微量采集癌症患者外周血中的循环肿瘤细胞进行富集，并除掉其他细胞尺度杂质；其次利用光学检测方法快速对富集后的样本进行癌细胞计数；最后利用癌细胞数量与外周血体积的关系可以得到癌细胞浓度，依据浓度便可判断患者癌症所处的发病周期。这项技术的实现能够方便快捷低成本地实现癌症的早期诊断，大幅降低癌症的致死率。

这种利用微流控技术的检测方案的大规模临床应用面临一个困难，即微流控单元对细胞的操纵精度和处理效率难以兼得，利用外加物理场操纵细胞的主动式微流控技术操纵精度高，但是样本通量低，处理效率低(如图7所示)；利用流体曳力基于细胞尺寸差异实现操纵的被动式微流控技术样本通量高(如图8所示)，能够实现很高的处理效率，但是精度较低，常有非目标细胞与目标细胞混杂的情况出现。

发明内容

本发明要解决如下技术问题：1、芯片上集成一体化实现微量采集血液样本的体积扩充与癌细胞富集提纯；2、利用多级串联的方式实现被动式微流控细胞操纵精度的提升。

本发明是采用如下技术方案实现的：一种集成微混合器与Tesla 阀的多级惯性微流控血样处理芯片，所述芯片上制备有入口区、微混合器、一级惯性分选单元、Tesla阀流阻匹配区、二级惯性分选单元以及出口区；所述入口区由微量血样入口和缓冲液入口以及连接微量血样入口和缓冲液入口的中间段组成，中间段与微混合器相连接；所述微混合器由多个顺次连接的微混合单元以及末级通道组成，每个微混合单元由第一通道、与第一通道呈钝角连接的第二通道、与第二通道呈直角连接的第三通道以及与第三通道呈直角的第四通道组成，且第二通道与第四通道位于第三通道中心线的两侧；最靠近入口区的微混合单元的第一通道与入口区中间段相连接；第一通道内设有排成“八”字型的一对挡板，该“八”字型的一对挡板与第一通道两边管壁之间有间隙；第二通道与第三通道的直角连接处有一块挡板，该挡板沿该直角的角平分线走向排列且与该直角连接处的两个端点之间有间隔；第三通道与第四通道的直角连接处有一块挡板，该挡板沿该直角的角平分线走向排列且与该直角连接处的两个端点之间有间隔；末级通道一端与最后一级的微混合单元的第四通道连接并与该第四通道呈钝角，另一端与一级惯性分选单元的入口相连通，末级通道内设有排成“八”字型的一对挡板，该“八”字型的一对挡板与末级通道的管壁两侧有间隔；

一级惯性分选单元的出口端通过一个分岔的连接结构分别连接 Tesla阀流阻匹配区和二级惯性分选单元，Tesla阀流阻匹配区由多个特斯拉阀按照高流阻的配置方式顺次连接而成，Tesla阀流阻匹配区的前端与连接结构的一条支路相连接，Tesla阀流阻匹配区的末端连接有一个一级废液出口；二级惯性分选单元的入口端与连接结构的另一条支路相连接，二级惯性分选单元的出口端分成两条支路，分别连接有二级废液出口和目标液出口。

实际应用中，在对血液样本进行癌细胞筛选之前，需要将血样与稀释液充分混合以降低流体黏度，提升被动式微流控细胞操纵的精度。采用本发明所述处理芯片，可将微混合器集成于两级串联惯性分选单元之前，利用微混合器流道壁的形状变化与流道内扰动结构的强化二次流效应实现微量血液样本与缓冲液的短程快速高效混合，解决前述提出的第1项技术问题。

本发明所提出的多级串联被动式微流控芯片利用级间废液流道将大量血细胞导出的方式实现癌细胞操纵精度的提升，该功能的实现需要芯片连接结构处的体积流速按照分叉点位置进行分配，即连接结构后端的管道流阻需要匹配。为解决该问题，本发明使用Tesla阀结构来增大单位长度匹配流道的黏性损耗强度，使得短距离内的流阻匹配得以实现。

本发明利用两级串联的惯性分选单元实现细胞的惯性聚焦，根据不同尺寸细胞的聚焦位置设置了分叉结构(连接结构)，利用分叉结构将癌细胞和少量血细胞导入下一级惯性分选单元，将大量血细胞导入用于流阻匹配的废液流道，在第二级惯性分选单元，相似的细胞聚焦过程会进一步分离癌细胞与血细胞，最终在目标出口可以收集到高纯度的癌细胞样本，配合前述Tesla阀流阻匹配方案，从而解决了前述的第2个技术问题。

相比现有技术，本发明的癌细胞筛选精度更高：

本发明利用流阻匹配的方法实现了两级惯性微流控单元的串联，通过流阻匹配流道将血细胞导出与两级惯性聚焦相结合的方法实现了微量血液样本中稀有癌细胞的高精度富集与筛选，与现有的一级被动式微流控癌细胞筛选技术相比，本发明所提出的两级串联方案筛选纯度更高。

相比现有技术，本发明在微流控芯片上集成了血液样本稀释功能：

现有微流控细胞操纵技术需要先将血液样本稀释后再注入微流控芯片，本发明将微混合器与惯性癌细胞筛选器(一、二级惯性分选单元)集成，一体化片上集成实现了微量血液样本的稀释与癌细胞的高精度筛选。

附图说明

图1本发明所述微流控血样处理芯片结构示意图。

图2微流控血样处理芯片结构尺寸示意图。

图3微流控血样处理芯片制备工艺流程图。

图4不充分与充分流阻匹配作用下的流动现象示意图；其中图a为不充分流阻匹配，图b为充分流阻匹配。拍摄位置在图1的连接结构处。

图5Tesla阀结构与直流道的机械能损耗对比图。

图6流阻匹配后癌细胞的聚焦轨迹，其中图a为流阻匹配实现后癌细胞在连接结构处的聚焦轨迹，图b为癌细胞在最终芯片出口处的聚焦轨迹。

图7底部带有电极的主动式微流控操纵技术示意图。

图8利用流体曳力的被动式微流控操纵技术示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1、2所示，一种集成微混合器与Tesla阀的多级惯性微流控血样处理芯片，所述芯片上制备有入口区、微混合器、一级惯性分选单元、Tesla阀流阻匹配区、二级惯性分选单元以及出口区；所述入口区由微量血样入口和缓冲液入口以及连接微量血样入口和缓冲液入口的中间段组成，中间段与微混合器相连接；所述微混合器由多个顺次连接的微混合单元以及末级通道组成，每个微混合单元由第一通道、与第一通道呈钝角连接的第二通道、与第二通道呈直角连接的第三通道以及与第三通道呈直角的第四通道组成，且第二通道与第四通道位于第三通道中心线的两侧；最靠近入口区的微混合单元的第一通道与入口区中间段相连接；第一通道内设有排成“八”字型的一对挡板(俯视视角下)，该“八”字型的一对挡板与第一通道两边管壁之间有间隙；第二通道与第三通道的直角连接处有一块挡板，该挡板沿该直角的角平分线走向排列且与该直角连接处的两个端点之间有间隔；第三通道与第四通道的直角连接处有一块挡板，该挡板沿该直角的角平分线走向排列且与该直角连接处的两个端点之间有间隔；末级通道一端与最后一级的微混合单元的第四通道连接并与该第四通道呈钝角，另一端与一级惯性分选单元的入口相连通，末级通道内设有排成“八”字型的一对挡板，该“八”字型的一对挡板与末级通道的管壁两侧有间隔；上述微混合器的连接结构以及其内部的挡板结构，能够使微量血液样本与缓冲液的短程快速高效混合；挡板在上下方向与管道内壁连接，只在挡板的水平两端与管道内壁间有间隙，用于流体的流动。相邻的第四通道和第一通道之间呈钝角。优选的，上述各钝角角度相同。

一级惯性分选单元的出口端通过一个分岔的连接结构分别连接 Tesla阀流阻匹配区和二级惯性分选单元，Tesla阀流阻匹配区由多个特斯拉阀按照高流阻的配置方式顺次连接而成，Tesla阀流阻匹配区的前端与连接结构的一条支路相连接，Tesla阀流阻匹配区的末端连接有一个一级废液出口；二级惯性分选单元的入口端与连接结构的另一条支路相连接，二级惯性分选单元的出口端分成两条支路，分别连接有二级废液出口和目标液出口。

实施例2

Tesla阀流阻匹配区由三个T45C型特斯拉阀顺次连接而成；Tesla 阀流阻匹配区的长度为18700μm，该长度即为连接结构分叉处到一级废液出口最前端的距离，或者说是三个特斯拉阀首尾端的距离，如图2所示。T45C型阀由一条主流道、由主流道分叉而成的第一、第二流道以及连接在第一、第二流道另一端之间的一个弧形流道组成；其中第一流道沿主流道方向延伸；第一、第二流道之间所成夹角为 45度，第一流道长度为2500μm；各个流道宽度为500μm。采用上述型号和尺寸的特斯拉阀以及上述组合方式，流阻匹配效果最佳。

实施例3

所述一级惯性分选单元和二级惯性分选单元均采用被动式惯性微流控细胞分选器，该分选器为双螺旋通道结构，其中一级惯性分选单元的通道宽度为900μm，二级惯性分选单元的通道宽度为600μm。所述被动式惯性微流控细胞分选器为现有技术，但是本发明选用上述尺寸的被动式惯性微流控细胞分选器，能够发挥其最大的惯性聚焦效果。

实施例4

中间段的宽度为900μm，微混合器各通道的宽度均为900μm；所述微混合器由两个顺次连接的微混合单元以及一个末级通道组成。采用上述数据的微混合器、中间段能够最大限度的提升缓冲液和血样的混合效果。

以下结合附图具体详述本发明的各项技术特征。

本发明解决发明内容中技术问题1的技术方案：

在对血液样本进行癌细胞筛选之前，需要将血样与稀释液充分混合以降低流体黏度，提升被动式微流控细胞操纵的精度。本发明拟将微混合器集成于两级串联被动式惯性微流控细胞分选器之前，利用流道壁的形状变化与流道内扰动结构的强化二次流效应实现微量血液样本与缓冲液的短程快速高效混合，芯片结构如图1所示，尺寸标注如图2所示。芯片的制备选用传统的负胶光刻工艺，具体工艺流程如图3所示。

解决技术问题2的技术方案：

(1)多级被动微流控单元串联的实现：

本发明所提出的多级串联被动式微流控芯片利用级间废液流道将大量血细胞导出的方式实现癌细胞操纵精度的提升，该功能的实现需要芯片连接结构处的体积流速按照分叉点位置进行分配，即连接结构后端的管道流阻需要匹配，如图4所示为不充分与充分流阻匹配作用下的流动现象，可以看出，如果分叉结构后端所连接的管道中的流阻不匹配，则在惯性级间利用废液流道导出血细胞的设计目的难以实现。

流动阻力的本质为流体机械能的损耗，即微流控管道中的流体机械能被流层之间的黏性力做功所消耗。当流道之间的黏性损耗程度一致时，流动阻力匹配便可以实现。在宏观水力学的应用中，流动阻力匹配常通过使并联流道长度相等的方法来实现，但在微流控芯片中使用该方法会大幅增加匹配流道的复杂程度，降低芯片的集成度。为了解决该问题，本发明使用Tesla阀结构来增大单位长度匹配流道的黏性损耗强度，使得短距离内的流阻匹配得以实现。

对T45C型Tesla阀结构机械能损耗强度的仿真结果如图5所示，可以看出，较短的Tesla阀结构所引起的能量损耗远大于三倍长度的等横截面直流道。通过仿真与实验优化，本发明最终确定的Tesla阀流阻匹配区长度为18700μm，远小于第二级惯性分选区的长度，实现了短程流阻匹配的目标。在此基础上的多级惯性微流控单元串联可以实现。

(2)利用多级串联提升被动式微流控细胞操纵精度的实现：

本发明利用螺旋流道实现细胞的惯性聚焦，根据不同尺寸细胞的聚焦位置设置了分叉结构(即连接结构)，利用分叉结构将癌细胞和少量血细胞导入下一级惯性分选单元，将大量血细胞导入用于流阻匹配的废液流道，在第二级惯性分选单元，相似的细胞聚焦过程会进一步分离癌细胞与血细胞，最终在目标出口可以收集到高纯度的癌细胞样本，如图6所示。

本发明主要有以下几项创新点：1、在微流控芯片中利用Tesla 阀实现高效流阻匹配的方法；

2、多级微流控单元串联提升细胞操纵精度的方法；

3、在细胞操纵单元前端集成微混合器，一体化实现微量血液样本稀释与癌细胞筛选的方法。

Claims (7)

1.一种集成微混合器与Tesla阀的多级惯性微流控血样处理芯片，其特征在于，所述芯片上制备有入口区、微混合器、一级惯性分选单元、Tesla阀流阻匹配区、二级惯性分选单元以及出口区；所述入口区由微量血样入口和缓冲液入口以及连接微量血样入口和缓冲液入口的中间段组成，中间段与微混合器相连接；所述微混合器由多个顺次连接的微混合单元以及末级通道组成，每个微混合单元由第一通道、与第一通道呈钝角连接的第二通道、与第二通道呈直角连接的第三通道以及与第三通道呈直角的第四通道组成，且第二通道与第四通道位于第三通道中心线的两侧；最靠近入口区的微混合单元的第一通道与入口区中间段相连接；第一通道内设有排成“八”字型的一对挡板，该“八”字型的一对挡板与第一通道两边管壁之间有间隙；第二通道与第三通道的直角连接处有一块挡板，该挡板沿该直角的角平分线走向排列且与该直角连接处的两个端点之间有间隔；第三通道与第四通道的直角连接处有一块挡板，该挡板沿该直角的角平分线走向排列且与该直角连接处的两个端点之间有间隔；末级通道一端与最后一级的微混合单元的第四通道连接并与该第四通道呈钝角，另一端与一级惯性分选单元的入口相连通，末级通道内设有排成“八”字型的一对挡板，该“八”字型的一对挡板与末级通道的管壁两侧有间隔；

一级惯性分选单元的出口端通过一个分岔的连接结构分别连接Tesla阀流阻匹配区和二级惯性分选单元，Tesla阀流阻匹配区由多个特斯拉阀按照高流阻的配置方式顺次连接而成，Tesla阀流阻匹配区的前端与连接结构的一条支路相连接，Tesla阀流阻匹配区的末端连接有一个一级废液出口；二级惯性分选单元的入口端与连接结构的另一条支路相连接，二级惯性分选单元的出口端分成两条支路，分别连接有二级废液出口和目标液出口。

2.如权利要求1所述的集成微混合器与Tesla阀的多级惯性微流控血样处理芯片，其特征在于，Tesla阀流阻匹配区由三个T45C型特斯拉阀顺次连接而成；Tesla阀流阻匹配区的长度为18700μm。

3.如权利要求2所述的集成微混合器与Tesla阀的多级惯性微流控血样处理芯片，其特征在于，T45C型阀由一条主流道、由主流道分叉而成的第一、第二流道以及连接在第一、第二流道另一端之间的一个弧形流道组成；其中第一流道沿主流道方向延伸；第一、第二流道之间所成夹角为45度，第一流道长度为2500μm；各个流道宽度为500μm。

4.如权利要求1-3任一项所述的集成微混合器与Tesla阀的多级惯性微流控血样处理芯片，其特征在于，所述一级惯性分选单元和二级惯性分选单元均采用被动式惯性微流控细胞分选器，该分选器为双螺旋通道结构，其中一级惯性分选单元的通道宽度为900μm，二级惯性分选单元的通道宽度为600μm。

5.如权利要求4所述的集成微混合器与Tesla阀的多级惯性微流控血样处理芯片，其特征在于，中间段的宽度为900μm，微混合器各通道的宽度均为900μm。

6.如权利要求1-3任一项所述的集成微混合器与Tesla阀的多级惯性微流控血样处理芯片，其特征在于，所述微混合器由两个顺次连接的微混合单元以及一个末级通道组成。

7.如权利要求5所述的集成微混合器与Tesla阀的多级惯性微流控血样处理芯片，其特征在于，所述微混合器由两个顺次连接的微混合单元以及一个末级通道组成。

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