CN115418300A - 一种集成式高通量循环肿瘤细胞分选芯片 - Google Patents

一种集成式高通量循环肿瘤细胞分选芯片 Download PDF

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Abstract

本发明涉及细胞分选芯片技术领域，特别是涉及一种集成式高通量循环肿瘤细胞分选芯片，包括上盖板、上导流层a、上导流层b、初级分选层、下导流层a、下导流层b、次级浓缩分选层、下盖板。本发明中上导流层a与上导流层b分别将样品液和鞘液导流到初级分选层，初级分选层通过八个相同的螺旋形流道实现第一次粗选，去除样品液中的血细胞，然后下导流层a与下导流层b将第一次粗选后的液体导流到次级分选层，次级分选层通过二次浓缩和侧向位移流道实现第二次精分选，进一步去除血细胞，从而得到循环肿瘤细胞。本发明集成式高通量循环肿瘤细胞分选芯片，对样品液进行两次分选，提高分选精度。同时该芯片设计灵活、结构新颖、制作成本低。

Description

一种集成式高通量循环肿瘤细胞分选芯片
技术领域
本发明涉及细胞分选芯片技术领域，特别是涉及一种集成式高通量循环肿瘤细胞分选芯片。
背景技术
循环肿瘤细胞从恶性肿瘤上脱落，进入人体循序系统中并迁移到人体的其他器官，形成癌症转移和扩散，最终导致大多数癌症患者死亡。从外周血中分离罕见的循环肿瘤细胞被认为是一种无创的液体活检技术，对于癌症的治疗效果评估、个性化治疗、癌症的早期诊断及癌症药物的筛选研发等临床应用具有重大意义。然而，人体外周血中循环肿瘤细胞的数目极其稀少，平均每十亿个血细胞才有一个循环肿瘤细胞。公开号为CN113337369A的中国专利《一种集成式循环肿瘤细胞分选芯片》公开了集成式循环肿瘤细胞分选芯片，上导流层分别将样品液和鞘液导流到初级分选层，初级分选层通过螺旋形流道实现第一次粗选，去除样品液中的血细胞，然后下导流层将第一次粗选后的液体导流到次级分选层，次级分选层通过蛇形流道和确定性侧向位移流道实现第二次精分选，进一步去除血细胞，从而得到循环肿瘤细胞。其分选过程中通量较低，肿瘤系统分选精度不足。
发明内容
本发明目的是针对背景技术中存在的问题，提出一种集成式高通量循环肿瘤细胞分选芯片。
本发明的技术方案，一种集成式高通量循环肿瘤细胞分选芯片，包括自上而下依次设置的上盖板、上导流层a、上导流层b、初级分选层、下导流层a、下导流层b和次级浓缩分选层；
上盖板上设置有样品液入口a和鞘液入口a；
样品液通过样品液入口a进入上导流层a；鞘液通过鞘液入口a进入上导流层b；初级分选层上设置有八个初级分选单元；通过八个初级分选单元进行第一次粗选，去除样品液中的血细胞；
下导流层b将第一次粗选后的液体导流到次级浓缩分选层，次级浓缩分选层进行二级浓缩与精分选，去除血细胞，得到循环肿瘤细胞；
芯片各层上均设置多个定位孔，由下到上依次对准装配。
优选的，上导流层a上设置有多个样品液出口、多个样品液第一流道、多个样品液第二流道和一个样品液入口b；
样品液入口b与八个样品液出口通过四个样品液第一流道与四个样品液第二流道连通；第一流道和第二流道以样品液入口b为中心呈中心对称分布；
样品液第一流道与样品液第二流道长度相等。
优选的，上导流层上设置有鞘液出口a、鞘液流道和鞘液入口a，鞘液入口a与鞘液出口a通过八个鞘液流道连通。
优选的，初级分选层上设置有八个初级分选单元，初级分选单元包括鞘液入口b、螺旋形流道、样品液入口c、第一滤液出口和初级分选出口，第一滤液出口、初级分选出口和螺旋形流道的出口连接成Y型结构；
初级分选出口与螺旋形流道中心的距离小于第一滤液出口与螺旋形流道中心的距离。
优选的，下导流层a上设置有第一滤液汇流入口、第一滤液汇流流道和第一滤液汇流出口，第一滤液汇流入口和第一滤液汇流出口通过第一滤液汇流流道连通。
优选的，下导流层b上设置有初级分选汇流入口a、初级分选汇流流道和初级分选汇流出口，初级分选汇流入口a和初级分选汇流出口通过初级分选汇流流道连通。
优选的，次级浓缩分选层上设置有二级浓缩单元、次级分选单元、第一滤液入口和第一滤液流道，二级浓缩单元包括初级分选汇流入口b、一级浓缩流道、第二滤液流道和二级浓缩流道，次级分选单元包括侧向位移流道、偏转出口和非偏转出口，一级浓缩流道、二级浓缩流道和侧向位移流道依次连通，侧向位移流道的出口分别与偏转出口和非偏转出口连通。
优选的，下导流层a中八个第一滤液汇流入口两两连接并通过四个第一滤液汇流流道连接到第一滤液汇流出口，且这四个第一滤液汇流流道长度相等。
优选的，样品液出口a、鞘液出口、第一滤液汇流入口和初级分选汇流入口a的数量与初级分选单元螺旋形流道的数量相等。
优选的，上导流层a、上导流层b、初级分选层、下导流层a、下导流层b和次级浓缩分选层之间均设置有双面胶层；各层之间通过双面胶层粘接。
与现有技术相比，本发明具有如下有益的技术效果：
1、本发明实施例提供的集成式高通量循环肿瘤细胞分选芯片，上导流层a与上导流层b分别将样品液和鞘液导流到初级分选层，初级分选层通过8个螺旋形流道实现第一次粗选，去除样品液中的血细胞，然后下导流层b将第一次粗选后的液体导流到次级分选层，次级分选层通过二级浓缩流道和侧向位移流道实现第二次浓缩与精分选，进一步去除血细胞，从而得到循环肿瘤细胞。本发明实施例的集成式高通量循环肿瘤细胞分选芯片，快速实现对样品液的两次分选，提高分选通量与精度。
2、样品液从上盖板中样品液入口a流入上导流层a中样品液入口b，再通过8条长度相等的流道平均分流入初级分选层中样品液入口c；鞘液从上盖板中鞘液入口a流入上导流层b中鞘液入口b，再通过8条流道流入初级分选层中鞘液入口b，其中上导流层a与上导流层b中间有双面胶层。将样品液和鞘液分别从上导流层a和上导流层b导入初级分选层可以使得样品液与鞘液在进入初级分选层之前互不影响，并且在这8条流道中，若其中某一条流道出现堵塞，还可以通过其它流道进行分选，保证了芯片分选的效率。
附图说明
图1是本发明实施例的集成式高通量循环肿瘤细胞分选芯片的装配爆炸示意图；
图2是本发明实施例中上盖板的结构示意图；
图3是本发明实施例中上导流层a的结构示意图；
图4是本发明实施例中上导流层b的结构示意图；
图5是本发明实施例中初级分选层的结构示意图；
图6是本发明实施例中下导流层a的结构示意图；
图7是本发明实施例中下导流层b的结构示意图；
图8是本发明实施例中次级浓缩分选层的结构示意图。
附图标记：
1、上盖板；11、样品液入口a；12、鞘液入口a；
2、上导流层a；21、样品液出口；22、样品液第一流道；23、样品液第二流道；24、样品液入口b；
3、上导流层b；31、鞘液出口a；32、鞘液流道；33、鞘液入口b；
4、初级分选层；41、鞘液入口b；42、螺旋形流道；43、样品液入口c；44、第一滤液出口；45、初级分选出口；
5、下导流层a；51、第一滤液汇流入口；52、第一滤液汇流流道；53、第一滤液汇流出口；
6、下导流层b；61、初级分选汇流入口a；62、初级分选汇流流道；63、初级分选汇流出口；
7、次级浓缩分选层；71、回流入口b；72、一级浓缩流道；73、第二滤液流道；74、二级浓缩流道；75、侧向位移流道；76、偏转出口；77、非偏转出口；78、第一滤液入口；79、第一滤液流道。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供一种集成式高通量循环肿瘤细胞分选芯片，集成式高通量循环肿瘤细胞分选芯片通过各层上设置的四个定位孔由下到上依次对准装配，其中样品液入口a11与样品液入口b24连通，鞘液入口a12与鞘液入口b33连通，样品液出口21与样品液入口c43连通，鞘液出口a31与鞘液入口b41连通，第一滤液出口44与第一滤液汇流入口51连通，初级分选出口45与初级分选汇流入口a61连通，第一滤液汇流出口53与第一滤液入口78连通，初级分选汇流出口63与初级分选汇流入口b71连通。
上述实施例的集成式高通量循环肿瘤细胞分选芯片的工作过程如下：
样品液以一定流速从样品液入口a11进入上导流层1中的样品液入口b24，鞘液以一定流速从鞘液入口a12进入上导流层2中的鞘液入口b33，样品液依次经样品液第一流道22、样品液第二流道23和样品液出口21从样品液入口c43进入初级分选层，鞘液依次经鞘液入口b33、鞘液流道32与鞘液出口a31从鞘液入口b41进入初级分选层。在初级分选层中，样品液和鞘液在螺旋形流道42中流动时，肿瘤细胞以及血细胞受到惯性升力以及Dean拽力的作用，肿瘤细胞平衡在螺旋形流道42的内壁面，血细胞循环至螺旋形流道42的外壁面，最终经过Y型结构，肿瘤细胞流入位于接近螺旋形流道42的初级分选出口45，血细胞流入位于远离螺旋形流道42的第一滤液出口44，实现第一次粗选。血细胞流入位于远离螺旋形流道42的第一滤液出口44，然后流入下导流层a中第一滤液汇流入口51，通过第一滤液汇流流道52流入第一滤液汇流出口53，接着流入次级浓缩分选层7中第一滤液入口78，通过第一滤液流道79流出芯片，收集在准备的试管中经过初选后的肿瘤细胞经初级分选出口45进入下导流层b6，再依次经初级分选汇流入口a61、初级分选汇流流道62、初级分选汇流出口63和初级分选汇流入口b71进入浓缩流道，再经过一级浓缩流道72和二级浓缩流道74进入次级浓缩分选层。在次级浓缩分选层，肿瘤细胞经一级浓缩流道72和二级浓缩流道74聚焦后，浓缩流道中存在约占1/2流道宽度的无粒子流，将这部分流体作为侧向位移流道75的鞘液，侧向位移流道75利用微流道内特定排布的微柱来精确控制粒子的运动轨迹，并促使大于临界尺寸的肿瘤细胞与小于临界尺寸血细胞分离，肿瘤细胞流入非偏转出口77，血细胞流入偏转出口76，实现第二次精分选。
本发明实施例的集成式高通量循环肿瘤细胞分选芯片，图1所示，稀释全血掺杂肿瘤细胞样品首先经初级分选层4完成第一次粗分选，去除样品中绝大多数红细胞和白细胞。然后，经初级分选层4分选后的样品在一级浓缩流道72和二级浓缩流道74作用下重新聚焦。最后，在侧向位移流道75中完成对于肿瘤细胞的精分选。从而对肿瘤细胞进行两次分选，提高分选精度。本发明实施例中，在初级分选层4上方设置上盖板1、上导流层a2和上导流层b3，可以只通过两个注入设备分别将样品液和鞘液同时且均匀的进入初级分选层4的八个初级分选单元中。在初级分选层4和次级浓缩分选层7之间设置下导流层a5和下导流层b6，便于将初级分选层4的八个初级分选单元的初级分选液进行汇集再分配到次级浓缩分选层7的两个次级分选单元中。
如图3所示，样品液第一流道22与样品液第二流道23长度相等，且呈中心对称，从而使样品液能够通过样品液出口21均匀的流入初级分选层4中的、八个螺旋形流道42。
初级分选层4设置八个初级分选单元，可同步并行进行初级分选，大大提高分选速率和效率。初级分选单元的滤液通过下导流层a5汇集后输送到次级浓缩分选层7中的第一滤液入口78和第一滤液流道79，初级分选单元的初级分选液通过下导流层b6汇集后输送到次级浓缩分选层7中的一级浓缩流道72和二级浓缩流道74进行聚焦。
样品液出口、鞘液出口、第一滤液汇流入口和初级分选汇流入口的数量与初级分选单元螺旋形流道的数量相等。每个样品液出口21与每个分选单元的样品液入口c43一一对应，每个鞘液出口a31与每个分选单元的鞘液入口b41一一对应，每个初级分选出口45与每个初级分选汇流入口a61一一对应，每个第一滤液出口44与第一滤液汇流入口51一一对应。
通过一级浓缩流道72和二级浓缩流道74，可以有效地将粒子聚焦在一起，提高次级分选效率。
次级分选单元有多个。次级浓缩分选层7设置多个次级分选单元，在次级浓缩分选层7中，通过设置的二级浓缩单元，能够将经过初级分选后的样品液进行二级浓缩，将经过初级分选后样品液中的粒子(主要成分为循环肿瘤细胞和白细胞)汇聚在中间位置，这样再经过侧向位移流道75的时候，便可以更好的将循环肿瘤细胞和白细胞进行分选，达到高浓度分选的目的，总体上实现了循环肿瘤细胞的高通量和高浓度分选。
综合考虑芯片的尺寸和分选效率，样品液出口有4个，鞘液出口有3个，初级分选单元有8个，汇流入口有8个，汇流出口有1个，次级分选单元有2个。2个次级分选单元对称分布，可节省空间。
上导流层1与上导流层2通过第一双面胶层粘结，上导流层2与初级分选层通过第二双面胶层粘结，初级分选层与下导流层1通过第三双面胶层粘结，下导流层1与下导流层2通过第四双面胶层粘结，下导流层2与次级浓缩分选层通过第五双面胶层粘结，各双面胶层在各层出入口连接处均设置有避让孔。
上盖板1、上导流层a2、上导流层b3、初级分选层4、下导流层a5、下导流层b6和次级浓缩分选层7采用夹具直接组装而成，无导管连接。
上盖板1、上导流层a2、上导流层b3、初级分选层4、下导流层a5和下导流层b6均采用聚二甲基硅氧烷PDMS、硅胶、塑料和玻璃中的一种或几种制成。次级浓缩分选层7采用聚二甲基硅氧烷PDMS和玻璃制成。其中薄膜塑料和薄膜硅胶厚度均是微米量级，所以芯片总体厚度很薄，只有毫米级别，一层层的薄膜通过键合，其黏结强度很高，且结构稳定。而次级浓缩分选层7采用聚二甲基硅氧烷PDMS和玻璃制成，利用光刻技术得到结构的玻璃模具，再将PDMS材料倒入模具，最后取出PDMS材料便是所需的次级浓缩分选层7结构，使用该工艺可以达到更高的精度，保证分选效果。同时PDMS材料耐高低温、具备良好的介电性能和一定的透气效果等等，可以一定程度上保持细胞的活性，达到更好的分选效果。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于此，在所属技术领域的技术人员所具备的知识范围内，在不脱离本发明宗旨的前提下还可以作出各种变化。

Claims (10)

1.一种集成式高通量循环肿瘤细胞分选芯片，其特征在于，包括自上而下依次设置的上盖板(1)、上导流层a(2)、上导流层b(3)、初级分选层(4)、下导流层a(5)、下导流层b(6)和次级浓缩分选层(7)；
上盖板(1)上设置有样品液入口a(11)和鞘液入口a(12)；
样品液通过样品液入口a(11)进入上导流层a(2)；鞘液通过鞘液入口a(12)进入上导流层b(3)；初级分选层(4)上设置有八个初级分选单元；通过八个初级分选单元进行第一次粗选，去除样品液中的血细胞；
下导流层b(6)将第一次粗选后的液体导流到次级浓缩分选层(7)，次级浓缩分选层(7)进行二级浓缩与精分选，去除血细胞，得到循环肿瘤细胞；
芯片各层上均设置多个定位孔，由下到上依次对准装配。
2.根据权利要求1所述的一种集成式高通量循环肿瘤细胞分选芯片，其特征在于，上导流层a(2)上设置有多个样品液出口(21)、多个样品液第一流道(22)、多个样品液第二流道(23)和一个样品液入口b(24)；
样品液入口b(24)与八个样品液出口(21)通过四个样品液第一流道(22)与四个样品液第二流道(23)连通；第一流道(22)和第二流道(23)以样品液入口b(24)为中心呈中心对称分布；
样品液第一流道(22)与样品液第二流道(23)长度相等。
3.根据权利要求1所述的一种集成式高通量循环肿瘤细胞分选芯片，其特征在于，上导流层2(3)上设置有鞘液出口a(31)、鞘液流道(32)和鞘液入口a(33)，鞘液入口a(33)与鞘液出口a(31)通过八个鞘液流道(32)连通。
4.根据权利要求1所述的一种集成式高通量循环肿瘤细胞分选芯片，其特征在于，初级分选层(4)上设置有八个初级分选单元，初级分选单元包括鞘液入口b(41)、螺旋形流道(42)、样品液入口c(43)、第一滤液出口(44)和初级分选出口(45)，第一滤液出口(44)、初级分选出口(45)和螺旋形流道(42)的出口连接成Y型结构；
初级分选出口(45)与螺旋形流道(42)中心的距离小于第一滤液出口(44)与螺旋形流道(42)中心的距离。
5.根据权利要求1所述的一种集成式高通量循环肿瘤细胞分选芯片，其特征在于，下导流层a(5)上设置有第一滤液汇流入口(51)、第一滤液汇流流道(52)和第一滤液汇流出口(53)，第一滤液汇流入口(51)和第一滤液汇流出口(53)通过第一滤液汇流流道(52)连通。
6.根据权利要求1所述的一种集成式高通量循环肿瘤细胞分选芯片，其特征在于，下导流层b(6)上设置有初级分选汇流入口a(61)、初级分选汇流流道(62)和初级分选汇流出口(63)，初级分选汇流入口a(61)和初级分选汇流出口(63)通过初级分选汇流流道(62)连通。
7.根据权利要求1所述的一种集成式高通量循环肿瘤细胞分选芯片，其特征在于，次级浓缩分选层(7)上设置有二级浓缩单元、次级分选单元、第一滤液入口(78)和第一滤液流道(79)，二级浓缩单元包括初级分选汇流入口b(71)、一级浓缩流道(72)、第二滤液流道(73)和二级浓缩流道(74)，次级分选单元包括侧向位移流道(75)、偏转出口(76)和非偏转出口(77)，一级浓缩流道(72)、二级浓缩流道(74)和侧向位移流道(75)依次连通，侧向位移流道(75)的出口分别与偏转出口(76)和非偏转出口(77)连通。
8.根据权利要求1所述的一种集成式高通量循环肿瘤细胞分选芯片，其特征在于，下导流层a(5)中八个第一滤液汇流入口(51)两两连接并通过四个第一滤液汇流流道(52)连接到第一滤液汇流出口(53)，且这四个第一滤液汇流流道(52)长度相等。
9.根据权利要求1所述的一种集成式高通量循环肿瘤细胞分选芯片，其特征在于，样品液出口a(21)、鞘液出口(31)、第一滤液汇流入口(51)和初级分选汇流入口a(61)的数量与初级分选单元螺旋形流道(42)的数量相等。
10.根据权利要求1所述的一种集成式高通量循环肿瘤细胞分选芯片，其特征在于，上导流层a(2)、上导流层b(3)、初级分选层(4)、下导流层a(5)、下导流层b(6)和次级浓缩分选层(7)之间均设置有双面胶层；各层之间通过双面胶层粘接。
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