CN114073997A - 一种低流速下实现细胞快速精准分选的微流控芯片及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低流速下实现细胞快速精准分选的微流控芯片及方法，包括微流控芯片流道层，所述微流控芯片流道层包括样品流双分入口流道、鞘流入口流道、挤压直流道、收缩扩张阵列流道、分选直流道和突扩分选流道，黏弹性鞘流和黏弹性样品流均采用黏弹性溶液，细胞在收缩扩张阵列流道中依据其尺寸进行不同程度的横向迁移，实现了在简单流道结构中的快速分选，同时在低流速下进行，对易损细胞具有一定的保护作用。

Description

一种低流速下实现细胞快速精准分选的微流控芯片及方法
技术领域
本发明涉及基于微流控芯片的生物粒子操控领域，具体涉及一种集成黏弹性直流道壁面和流道中心双平衡位置聚焦技术和收缩扩张阵列流道分选技术以实现细胞基于尺寸分选的微流控芯片及方法。
背景技术
目前，稀有细胞如循环肿瘤细胞(CTCs)的检测已广泛运用于恶性肿瘤患者的早期诊断、预后评估、疗效检测和个性化治疗，故操作简单、精确度高的稀有细胞检测设备成为临床应用的研究热点。
微流控芯片以其样品量少、成本低廉、操作简单、检测快速和精度较高的优点，在稀有细胞的检测和分选等领域具有巨大发展潜力和广泛应用前景。目前，在用于细胞分选的惯性被动操控技术的微流控芯片中，收缩扩张阵列结构已经成为广泛使用的通道形式，有加速粒子聚焦的作用。为实现有效的细胞分选，常见的牛顿流体惯性微流控技术通常在较高流速下进行，分选效率较高，但对于小尺寸细胞的操控精度有限，且对易损细胞并不友好。而在惯性直流道中黏弹性流体的流速较低，细胞操控效率受到一定限制，但对粒子有较高的区分精度。故而结合收缩扩张阵列流道与黏弹性流体的优点解决细胞操控效率与精度的矛盾具有十分重要的意义。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种低流速下实现细胞快速精准分选的微流控芯片及方法，本发明集成黏弹性直流道壁面和流道中心双平衡位置聚焦技术和收缩扩张阵列流道分选技术，实现不同细胞依据其尺寸特性在低流速下进行快速精准分选，对小尺寸细胞依旧具有较好的分选效果且对易损细胞具有一定的保护作用。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种低流速下实现细胞快速精准分选的微流控芯片，包括微流控芯片流道层，所述微流控芯片流道层包括样品流双分入口流道、鞘流入口流道、挤压直流道、收缩扩张阵列流道、分选直流道和突扩分选流道，其中：
所述样品流双分入口流道包括样品入口、第一样品流入口流道、第二样品流入口流道，所述第一样品流入口流道的进口端、第二样品流入口流道的进口端均与样品入口连通，所述第一样品流入口流道的出口端、第二样品流入口流道的出口端均与挤压直流道的进口端连通。
所述鞘流入口流道一端设置有鞘流入口，另一端与挤压直流道的进口端连通，且所述鞘流入口流道位于第一样品流入口流道、第二样品流入口流道之间。
所述挤压直流道的出口端、收缩扩张阵列流道、分选直流道和突扩分选流道依次连接，所述突扩分选流道的出口端设置有第一流道出口、第二流道出口和第三流道出口，且所述第一流道出口、第一样品流入口流道位于同一侧。所述第三流道出口、第二样品流入口流道位于同一侧。
所述收缩扩张阵列流道包括一个以上的扩张流道、一个以上的收缩流道，所述扩张流道、收缩流道交替排列，且相邻的扩张流道、收缩流道相互连通，所述扩张流道的宽度大于收缩流道的宽度。所述突扩分选流道的宽度大于分选直流道的宽度。
优选的：所述第一样品流入口流道、第二样品流入口流道关于鞘流入口流道对称设置。
优选的：所述鞘流入口流道的出口段与第一样品流入口流道的出口段之间的夹角为锐角。所述鞘流入口流道的出口段与第二样品流入口流道的出口段之间的夹角为锐角。
优选的：所述鞘流入口流道、挤压直流道、收缩扩张阵列流道、分选直流道和突扩分选流道在同一轴线上。
优选的：所述挤压直流道、分选直流道的宽度相同。
优选的：所述扩张流道的宽度大于收缩流道的宽度，收缩流道的宽度与挤压直流道的宽度相同。
优选的：所述样品流双分入口流道中的溶液流速与鞘流入口流道中的溶液流速一致。
一种低流速下实现细胞快速精准分选的微流控方法，包括以下步骤：
步骤1，将带有混合血液的黏弹性样品流从样品入口注入，无细胞的黏弹性鞘流从鞘流入口注入。
步骤2，黏弹性样品流由于黏弹性鞘流作用被挤压至挤压直流道的两侧，两侧的细胞受指向壁面的弹性力在进入收缩扩张阵列流道前一直沿壁面流动。
步骤3，在细胞进入收缩扩张阵列流道后，细胞在每个扩张流道的出口处会受到流道产生的拖曳力向流道中心迁移，细胞所受力的大小与其尺寸成正比。
步骤4，当细胞进入分选直流道时，稀有细胞已处在流道中心附近而血细胞仍在壁面附近，稀有细胞在流经分选直流道时受指向流道中心的弹性力进一步向流道中心迁移，血细胞则受到指向壁面的弹性力与稀有细胞实现分离，随后稀有细胞和血细胞间距离在突扩分选流道中进一步扩大，稀有细胞进入第二流道出口，两侧的血细胞分别进入第一流道出口和第三流道出口，从而实现稀有细胞和血细胞的分选。
优选的：步骤1中黏弹性样品流在样品流双分入口流道中的流速与黏弹性鞘流在鞘流入口流道中的流速保持一致。
本发明相比现有技术，具有以下有益效果：
黏弹性样品流受黏弹性鞘流作用被挤压至流道两侧，由于两侧黏弹性样品流和黏弹性鞘流具有相同的流速且均为黏弹性流体，黏弹性样品流和黏弹性鞘流在进入挤压直流道后可被视作混有细胞的单一流体，细胞初始位置则为流道两侧，对于靠近壁面的细胞在黏弹性溶液中将受到指向壁面的弹性力，在细胞进入收缩扩张阵列流道前将一直沿着两侧壁面随流体流动。随后细胞在每个收缩扩张结构的出口处会受到流道产生的拖曳力向流道中心迁移，细胞所受力的大小与其尺寸成正比，故流经收缩扩张阵列流道后，稀有细胞将较快地迁移至流道中心附近而血细胞仍处在壁面附近。当细胞再次进入直流道后，细胞在流道中心附近受到指向流道中心的弹性力，在壁面附近则受到指向壁面的弹性力，进一步分离了稀有细胞和血细胞，最后在出口附近突扩结构流道中稀有细胞和血细胞间距离进一步拉大最终完成分选。本发明流道结构简单，流道长度尺寸较小，可实现细胞的快速精准分选处理，且样品流和鞘流均为黏弹性流体，细胞分选在相对较低流速下进行，对易损细胞具有一定的保护作用。
附图说明
图1为本发明微流道芯片的示意图；
图2为本发明微流道芯片流道层结构示意图；
图3为本发明样品流和鞘流入口结构及细胞挤压原理示意图；
图4为本发明收缩扩张阵列流道结构及细胞分离原理示意图；
图5为本发明分选直流道结构及分选原理示意图；
图6为本发明突扩结构实现细胞分选示意图；
图中：11、样品流双分入口流道，111、样品入口，112、第一样品流入口流道，113、第二样品流入口流道，12、鞘流入口流道，121、鞘流入口，13、挤压直流道，14、收缩扩张阵列流道，15、分选直流道，16、突扩分选流道，161、第一流道出口，162、第二流道出口，163、第三流道出口，21、黏弹性鞘流，22、黏弹性样品流，23、血细胞，24、稀有细胞。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
一种低流速下实现细胞快速精准分选的微流控芯片，如图1，2所示，包括微流控芯片流道层，所述微流控芯片流道层包括样品流双分入口流道11、鞘流入口流道12、挤压直流道13、收缩扩张阵列流道14、分选直流道15和突扩分选流道16，其中：
如图2所示，所述样品流双分入口流道11包括样品入口111、第一样品流入口流道112、第二样品流入口流道113，所述第一样品流入口流道112的进口端、第二样品流入口流道113的进口端均与样品入口111连通，所述第一样品流入口流道112的出口端、第二样品流入口流道113的出口端均与挤压直流道13的进口端连通。所述第一样品流入口流道112、第二样品流入口流道113关于鞘流入口流道12对称设置。所述鞘流入口流道12的出口段与第一样品流入口流道112的出口段之间的夹角为锐角。所述鞘流入口流道12的出口段与第二样品流入口流道113的出口段之间的夹角为锐角。
所述鞘流入口流道12一端设置有鞘流入口121，另一端与挤压直流道13的进口端连通，且所述鞘流入口流道12位于第一样品流入口流道112、第二样品流入口流道113之间，也就是说，鞘流入口流道12的出口端、第一样品流入口流道112的出口端、第二样品流入口流道113的出口端相交共同汇入挤压直流道13。
所述挤压直流道13的出口端、收缩扩张阵列流道14、分选直流道15和突扩分选流道16依次连接，所述突扩分选流道16的出口端设置有第一流道出口161、第二流道出口162和第三流道出口163，且所述第一流道出口161、第一样品流入口流道112位于同一侧。所述第三流道出口163、第二样品流入口流道113位于同一侧。混有大尺寸细胞的溶液经所述第二流道出口162流出；混有小细胞的溶液经所述第一流道出口161和所述第三流道出口163流出。所述鞘流入口流道12、挤压直流道13、收缩扩张阵列流道14、分选直流道15和突扩分选流道16在同一轴线上。
所述收缩扩张阵列流道14包括一个以上的扩张流道、一个以上的收缩流道，所述扩张流道、收缩流道交替排列，且相邻的扩张流道、收缩流道相互连通，所述扩张流道的宽度大于收缩流道的宽度。所述突扩分选流道16的宽度大于分选直流道15的宽度。
所述挤压直流道13、分选直流道15的宽度相同。所述扩张流道的宽度大于收缩流道的宽度，收缩扩张阵列流道14为轴对称结构，收缩流道的宽度与挤压直流道13的宽度相同，也就说，收缩扩张阵列流道14的收缩结构尺寸宽度与所述挤压直流道13和所述分选直流道15的宽度相同。所述样品流双分入口流道11中的溶液流速与鞘流入口流道12中的溶液流速一致。
有样品入口111中注入的是混合细胞的黏弹性样品流22，所述鞘流入口121中注入的是无细胞的黏弹性鞘流21；所述黏弹性样品流22和黏弹性鞘流21均为黏弹性溶液；黏弹性溶液包括有聚乙烯吡咯烷酮溶液。
所述样品流双分入口流道11和所鞘流入口流道12中溶液流速保持一致，且雷诺数约等于1。
一种低流速下实现细胞快速精准分选的微流控方法，包括以下步骤：
步骤1，将带有混合血液的黏弹性样品流22从样品入口111注入，无细胞的黏弹性鞘流21从鞘流入口121注入。黏弹性样品流22在样品流双分入口流道11中的流速与黏弹性鞘流21在鞘流入口流道12中的流速保持一致。
步骤2，黏弹性样品流22由于黏弹性鞘流21作用被挤压至挤压直流道13的两侧，两侧的细胞受指向壁面的弹性力在进入收缩扩张阵列流道14前一直沿壁面流动。
如图3所示，黏弹性样品流22中的血细胞23和稀有细胞24受黏弹性鞘流21挤压至流道两侧，进入挤压直流道13后，由于两侧黏弹性样品流和黏弹性鞘流速度保持一致，故挤压直流道13中流体可视作单一黏弹性流体，流体中细胞的初始位置在壁面附近。细胞在黏弹性流体直流道中受弹性力FE的主导作用产生迁移，对于流道中心附近的细胞受指向流道中心的弹性力FE，对壁面附近的细胞受指向壁面的弹性力FE，故血细胞23和稀有细胞24均受到指向壁面的弹性力FE沿着壁面随流体流动。
步骤3，在细胞进入收缩扩张阵列流道14后，细胞在每个扩张流道的出口处会受到流道产生的拖曳力向流道中心迁移，细胞所受力的大小与其尺寸成正比。
如图4所示，血细胞23和稀有细胞24沿着壁面进入收缩扩张阵列流道14，在收缩扩张结构中，流体在每个收缩扩张结构出口处会对细胞产生一个指向流道中心的拖曳力FD，将细胞推向流道中心，拖曳力FD的大小则与细胞尺寸成正比，故稀有细胞24具有更快的横向迁移速度，在经过一系列收缩扩张阵列后，稀有细胞24将靠近流道中心，而血细胞23仍处在壁面附近。
步骤4，当细胞进入分选直流道15时，稀有细胞24已处在流道中心附近而血细胞23仍在壁面附近，稀有细胞24在流经分选直流道15时受指向流道中心的弹性力进一步向流道中心迁移，血细胞23则受到指向壁面的弹性力与稀有细胞24实现分离，随后稀有细胞24和血细胞23间距离在突扩分选流道16中进一步扩大，稀有细胞24进入第二流道出口162，两侧的血细胞23分别进入第一流道出口161和第三流道出口163，从而实现稀有细胞24和血细胞23的分选。
如图5所示，经过收缩扩张阵列流道14后进入分选直流道15的稀有细胞24已位于流道中心附近，故稀有细胞24再次受到指向流道中心的弹性力FE直至迁移至流道中心，壁面附近的血细胞23则受到指向壁面的弹性力FE再次沿着壁面随流体流动，实现稀有细胞24和血细胞23的有效分离。
如图6所示，稀有细胞24位于流道中心，血细胞23分布在流道两侧，当流体进入突扩分选流道16时，由于流道的拓宽，稀有细胞24和血细胞23之间的距离将进一步增大，随后稀有细胞24进入第二流道出口162，两侧的血细胞23分别进入第一流道出口161和第三流道出口163，从而实现稀有细胞24和血细胞23的分选。
本发明中黏弹性鞘流21和黏弹性样品流22均采用黏弹性溶液，细胞在收缩扩张阵列流道中依据其尺寸进行不同程度的横向迁移，实现了在简单流道结构中的快速分选，同时在低流速下进行，对易损细胞具有一定的保护作用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种低流速下实现细胞快速精准分选的微流控芯片，包括微流控芯片流道层，其特征在于：所述微流控芯片流道层包括样品流双分入口流道(11)、鞘流入口流道(12)、挤压直流道(13)、收缩扩张阵列流道(14)、分选直流道(15)和突扩分选流道(16)，其中：
所述样品流双分入口流道(11)包括样品入口(111)、第一样品流入口流道(112)、第二样品流入口流道(113)，所述第一样品流入口流道(112)的进口端、第二样品流入口流道(113)的进口端均与样品入口(111)连通，所述第一样品流入口流道(112)的出口端、第二样品流入口流道(113)的出口端均与挤压直流道(13)的进口端连通；
所述鞘流入口流道(12)一端设置有鞘流入口(121)，另一端与挤压直流道(13)的进口端连通，且所述鞘流入口流道(12)位于第一样品流入口流道(112)、第二样品流入口流道(113)之间；
所述挤压直流道(13)的出口端、收缩扩张阵列流道(14)、分选直流道(15)和突扩分选流道(16)依次连接，所述突扩分选流道(16)的出口端设置有第一流道出口(161)、第二流道出口(162)和第三流道出口(163)，且所述第一流道出口(161)、第一样品流入口流道(112)位于同一侧；所述第三流道出口(163)、第二样品流入口流道(113)位于同一侧；
所述收缩扩张阵列流道(14)包括一个以上的扩张流道、一个以上的收缩流道，所述扩张流道、收缩流道交替排列，且相邻的扩张流道、收缩流道相互连通，所述扩张流道的宽度大于收缩流道的宽度；所述突扩分选流道(16)的宽度大于分选直流道(15)的宽度。
2.根据权利要求1所述低流速下实现细胞快速精准分选的微流控芯片，其特征在于：所述第一样品流入口流道(112)、第二样品流入口流道(113)关于鞘流入口流道(12)对称设置。
3.根据权利要求2所述低流速下实现细胞快速精准分选的微流控芯片，其特征在于：所述鞘流入口流道(12)的出口段与第一样品流入口流道(112)的出口段之间的夹角为锐角；所述鞘流入口流道(12)的出口段与第二样品流入口流道(113)的出口段之间的夹角为锐角。
4.根据权利要求3所述低流速下实现细胞快速精准分选的微流控芯片，其特征在于：所述鞘流入口流道(12)、挤压直流道(13)、收缩扩张阵列流道(14)、分选直流道(15)和突扩分选流道(16)在同一轴线上。
5.根据权利要求4所述低流速下实现细胞快速精准分选的微流控芯片，其特征在于：所述挤压直流道(13)、分选直流道(15)的宽度相同。
6.根据权利要求5所述低流速下实现细胞快速精准分选的微流控芯片，其特征在于：所述扩张流道的宽度大于收缩流道的宽度，收缩流道的宽度与挤压直流道(13)的宽度相同。
7.根据权利要求6所述低流速下实现细胞快速精准分选的微流控芯片，其特征在于：所述样品流双分入口流道(11)中的溶液流速与鞘流入口流道(12)中的溶液流速一致。
8.一种权利要求1所述低流速下实现细胞快速精准分选的微流控芯片的微流控方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将带有混合血液的黏弹性样品流(22)从样品入口(111)注入，无细胞的黏弹性鞘流(21)从鞘流入口(121)注入；
步骤2，黏弹性样品流(22)由于黏弹性鞘流(21)作用被挤压至挤压直流道(13)的两侧，两侧的细胞受指向壁面的弹性力在进入收缩扩张阵列流道(14)前一直沿壁面流动；
步骤3，在细胞进入收缩扩张阵列流道(14)后，细胞在每个扩张流道的出口处会受到流道产生的拖曳力向流道中心迁移，细胞所受力的大小与其尺寸成正比；
步骤4，当细胞进入分选直流道(15)时，稀有细胞(24)已处在流道中心附近而血细胞(23)仍在壁面附近，稀有细胞(24)在流经分选直流道(15)时受指向流道中心的弹性力进一步向流道中心迁移，血细胞(23)则受到指向壁面的弹性力与稀有细胞(24)实现分离，随后稀有细胞(24)和血细胞(23)间距离在突扩分选流道(16)中进一步扩大，稀有细胞(24)进入第二流道出口(162)，两侧的血细胞(23)分别进入第一流道出口(161)和第三流道出口(163)，从而实现稀有细胞(24)和血细胞(23)的分选。
9.根据权利要求8所述微流控方法，其特征在于：步骤1中黏弹性样品流(22)在样品流双分入口流道(11)中的流速与黏弹性鞘流(21)在鞘流入口流道(12)中的流速保持一致。
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