CN116024067A - 一种循环胎儿细胞分离装置及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于循环胎儿细胞领域，提供了一种循环胎儿细胞分离装置及其制备方法，一种循环胎儿细胞分离装置，包括：微流控制芯片，所述微流控制芯片包括上层人字形结构基片和下层抗体修饰基片；相较于传统的细胞分离方法，该方法不依赖于流式细胞仪等专业装置实现对阳性细胞CFC的分离，在成本上有优势。同时，由于孕母外周血的取样量少，微流控芯片特别适合用于样本量小的生物样本的细胞分离。与传统的平壁微流控芯片相比，在微流控芯片内设置了人字形结构，人字形结构能诱导微涡旋产生，破坏样本中细胞流动的层流流线，导致它们发生“移位”，增加细胞与底片上抗体的相互作用的机会，能提高阳性细胞CFC的分离效率。

Description

一种循环胎儿细胞分离装置及其制备方法

技术领域

本发明属于循环胎儿细胞领域，尤其涉及一种循环胎儿细胞分离装置及其制备方法。

背景技术

近年来，循环胎儿细胞(CFC)被认为是最有潜力的非侵入性产前诊断对象，已成为围产检查技术研究的前沿领域。要通过CFC进行产前诊断，首先需要对CFC进行富集和分离。然而，由于在孕妇外周血中CFC数量非常稀少，正常情况下，每1×10⁶-1×10⁸个母体细胞中大约含有1个胎儿细胞。目前现有的细胞富集技术包括以细胞的物理性质为核心的膜滤过分离法和密度梯度离心法以及以细胞免疫学特征为核心的免疫磁性分离法或流式细胞术，前者在操作过程中细胞会产生挤压等不可避免的机械损伤；后者则由于固有的灵敏度限制，实际分选所得到的目标细胞纯度通常在95％以下，一些非特异细胞无法有效分离，对后续的研究有一定影响。在孕母外周血中存在大量血液细胞的条件下，很难实现高效且特异性地捕获分离。这也成为临床利用CFC进行无创产前诊断遇到的最大瓶颈。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种循环胎儿细胞分离装置及其制备方法，旨在解决目前现有的细胞富集技术包括以细胞的物理性质为核心的膜滤过分离法和密度梯度离心法以及以细胞免疫学特征为核心的免疫磁性分离法或流式细胞术，前者在操作过程中细胞会产生挤压等不可避免的机械损伤；后者则由于固有的灵敏度限制，实际分选所得到的目标细胞纯度通常在95％以下，一些非特异细胞无法有效分离，对后续的研究有一定影响。在孕母外周血中存在大量血液细胞的条件下，很难实现高效且特异性地捕获分离的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种循环胎儿细胞分离装置，所述循环胎儿细胞分离装置包括：

微流控制芯片，所述微流控制芯片包括上层基片和下层基片；

所述上层基片上设置有输入口，所述输入口用于传输待分离细胞的液体；

细胞分离区，设置于所述上层基片上，所述细胞分离区用于对细胞进行分离；

输出口，设置于所述上层基片上，所述输出口用于对细胞分离区分离的细胞进行收集。

作为本发明更进一步的方案，所述上层基片为具有微结构图案的PDMS材质的盖片，所述下层基片为已进行表面处理的玻璃材质的底片。

作为本发明更进一步的方案，所述细胞分离区包含人字形微混合器结构，且其形状为鱼骨状。

作为本发明更进一步的方案，所述人字形微混合器结构的通道总高度为30-100μm，其中人字形结构的凹槽高度为15-50μm，凹槽的高度与通道的高度的比率设定为1～3；V字形和通道轴的夹角为n(30-90)°。

作为本发明更进一步的方案，所述循环胎儿细胞分离装置的制备方法包括：

制作微流控制芯片下层基片、制作微流控制芯片上层基片和制作最终芯片

作为本发明更进一步的方案，所述制作微流控制芯片下层基片包括如下步骤：

步骤一、选用高洁净度、抛光边的超白玻璃作为基片，去离子水清洗干净后，用食人鱼洗液浸泡清洗，并使用去离子水再次清洗后，在80℃的温度下干燥，然后用2-4％(v/v)3-氨丙基三乙氧基硅烷/甲苯浸没基片30分钟，随后用丙酮冲洗表面，并自然风干，得到氨基化的玻璃表面；

步骤二、将PBS溶液稀释后的CD71抗体溶液在37℃的温度下与氨基化的玻璃表面共孵育0.5-3小时，孵育后用PBS溶液清洗2-3次，并用牛血清白蛋白溶液封闭1-3小时，得表面修饰后的芯片底片。

作为本发明更进一步的方案，所述制作微流控制芯片上层基片包括如下步骤：

步骤一、以直径为4英寸的单抛硅片作为模版基片，使用负性光刻胶(SU-8)制作微流控芯片上层基片的模具；

步骤二、对模版逐步进行预处理、PDMS软光刻、固化、打孔、前处理和键合操作，将芯片模板上的微图案复刻到PDMS芯片上，得到微流控芯片的上层基片。

作为本发明更进一步的方案，所述制作微流控制芯片上层基片包括如下步骤：

以表面修饰后的玻璃片为底片，通过键合工艺，将上层基片和下层基片相结合，制作微流控芯片。

本发明实施例提供的一种循环胎儿细胞分离装置及其制备方法，具有以下

有益效果：

1.相较于传统的细胞分离方法(流式细胞分选法和磁珠细胞分选法)，该方法不依赖于流式细胞仪等专业装置实现对阳性细胞CFC的分离，在成本上有优势。同时，由于孕母外周血的取样量一般不大，微流控芯片特别适合用于样本量小的生物样本的细胞分离。

2.与传统的平壁微流控芯片相比，在微流控芯片内设置了人字形结构，人字形结构能诱导微涡旋产生，破坏血液样品中细胞流动的层流流线，导致它们发生“移位”，增加细胞与底片上抗体的相互作用的机会，能提高阳性细胞CFC的分离效率。

附图说明

图1为微流控芯片的主体图；

图2为上层基片的主体图；

图3为细胞分离区的人字形微混合器结构图；

图4为微流控芯片的模具制备的步骤示意图；

图5为微流控芯片制备的流程图；

图6为模型细胞检验微流控芯片的细胞捕获能力示意图。

附图中：1-；2-；3-；4-；5-；6-；7-；8-；9-；10-；11-；12-；13-；14-；15-；16-；17-；18-；19-；20-；21-；22-；23-；24-；25-；26-；27-；28-；29-；30-；31-；32-；33-；34-；35-；36-；37-；38-；39-；40-；。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。

如图1所示，在本发明实施例中，一种循环胎儿细胞分离装置，所述循环胎儿细胞分离装置包括：

微流控制芯片，所述微流控制芯片包括上层基片1和下层基片2；

所述上层基片1上设置有输入口3，所述输入口3用于传输待分离细胞的液体；

细胞分离区4，设置于所述上层基片1上，所述细胞分离区4用于对细胞进行分离；

输出口5，设置于所述上层基片1上，所述输出口5用于对细胞分离区4分离的细胞进行收集。

在本发明实施例中，所述上层基片1为具有微结构图案的PDMS材质的盖片，所述下层基片2为已进行表面处理的玻璃材质的底片。

在本发明实施例中，所述细胞分离区包含人字形微混合器结构，且其形状为鱼骨状。

在本发明实施例中，所述人字形微混合器结构的通道总高度为30-100μm，其中人字形结构的凹槽高度为15-50μm，凹槽的高度与通道的高度的比率设定为1～3；V字形和通道轴的夹角为n(30-90)°。

如图1和图2所示，该芯片主要由两层基片组成，其中下层基片2为已进行表面处理的玻璃材质的底片，上层基片1为具有微结构图案的PDMS材质的盖片，两者通过键合工艺制备得到完整的微流控芯片。

图2为上层基片1的设计示意图，其中主要包含3个主体结构，分别为输入口3、细胞分离区4和输出口5。上层基片1中输入口3用于传输待分离细胞的液体，细胞分离区4用于分离细胞，输出口5用于收集所述分离出的细胞，其中细胞分离区5包含人字形微混合器结构，且其形状为鱼骨状。

如图3中a、b和c处所示，该结构在几何上是基于低雷诺数下诱导混沌混合的一种策略，通过改变凹槽高度与通道高度的比值来提高流体混合效率。如图3中d处所示，通道的总高度(h)30-100μm，其中人字形结构的凹槽高度为15-50μm，凹槽的高度与通道的高度的比率设定为1～3；V字形和通道轴的夹角为n(30-90)°。理论上，该结构能诱导微流控芯片通道内的流体产生微涡旋，破坏流体中细胞行进的层流流线，导致它们发生“移位”，理论上能增加底片与细胞相互作用的机率。

如图4和5所示，在本发明实施例中，所述循环胎儿细胞分离装置的制备方法包括：

制作微流控制芯片下层基片2、制作微流控制芯片上层基片1和制作最终芯片

作为本发明更进一步的方案，所述制作微流控制芯片下层基片2包括如下步骤：

步骤一、选用高洁净度、抛光边的超白玻璃作为基片，去离子水清洗干净后，用食人鱼洗液浸泡清洗，并使用去离子水再次清洗后，在80℃的温度下干燥，然后用2-4％(v/v)3-氨丙基三乙氧基硅烷/甲苯浸没基片30分钟，随后用丙酮冲洗表面，并自然风干，得到氨基化的玻璃表面；

步骤二、将PBS溶液稀释后的CD71抗体溶液在37℃的温度下与氨基化的玻璃表面共孵育0.5-3小时，孵育后用PBS溶液清洗2-3次，并用牛血清白蛋白溶液封闭1-3小时，得表面修饰后的芯片底片。

作为本发明更进一步的方案，所述制作微流控制芯片上层基片1包括如下步骤：

步骤一、以直径为4英寸的单抛硅片作为模版基片，使用负性光刻胶(SU-8)制作微流控芯片上层基片1的模具；

步骤二、对模版逐步进行预处理、PDMS软光刻、固化、打孔、前处理和键合操作，将芯片模板上的微图案复刻到PDMS芯片上，得到微流控芯片的上层基片1。

作为本发明更进一步的方案，所述制作微流控制芯片上层基片1包括如下步骤：

以表面修饰后的玻璃片为底片，通过键合工艺，将上层基片1和下层基片2相结合，制作微流控芯片。

将阳性模型细胞K562(高表达CD71)和阴性对照细胞HEK293T(低表达CD71)分别重悬于PBS缓冲液中，在1.0mL/h的流速下将各组细胞通入到芯片中。荧光显微镜下观察以计数捕获细胞个数，通过公式：

Capture efficiency(％)＝captured cell count/input cell count×100％

计算芯片对阳性细胞的捕获效率。结果显示如图6，在芯片上构建有微流控芯片对阳性模型细胞K562的捕获效率平均可以达到67.1％，而对阴性对照细胞HEK293T的捕获效率只有3.7％；另外，没有修饰上CD71抗体的微流控芯片无论是对阳性细胞还是阴性细胞，其捕获效率均低于5％。同时，我们分别将将5个、10个、20个、50个、100个、150个细胞和200个细胞重悬于PBS，进一步分析可得，在少量阳性细胞(＜20)的样品中，芯片仍然能保持较高的捕获效率，同时还展现出较好的线性关系。而对于阴性细胞则显示出较低的细胞非特异性吸附，进一步说明该芯片具有一定的细胞捕获分离能力。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种循环胎儿细胞分离装置，其特征在于，所述循环胎儿细胞分离装置包括：

微流控制芯片，所述微流控制芯片包括上层基片和下层基片；

所述上层基片上设置有:

输入口，所述输入口用于传输待分离细胞的液体；

细胞分离区，设置于所述上层基片上，所述细胞分离区用于对细胞进行分离；

输出口，设置于所述上层基片上，所述输出口用于对细胞分离区分离的细胞进行收集。

2.根据权利要求1所述的循环胎儿细胞分离装置，其特征在于，所述上层基片为具有微结构图案的PDMS材质的盖片，所述下层基片为已进行表面处理的玻璃材质的底片。

3.根据权利要求2所述的循环胎儿细胞分离装置，其特征在于，所述细胞分离区包含人字形微混合器结构，且其形状为鱼骨状。

4.根据权利要求3所述的循环胎儿细胞分离装置，其特征在于，所述人字形微混合器结构的通道总高度为30-100μm，其中人字形结构的凹槽高度为15-50μm，凹槽的高度与通道的高度的比率设定为1～3；V字形和通道轴的夹角为n(30-90)°。

5.一种如权利要求1-4任一所述的循环胎儿细胞分离装置的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

制作微流控制芯片下层基片、制作微流控制芯片上层基片和制作最终芯片。

6.根据权利要求5所述的循环胎儿细胞分离装置的制备方法，其特征在于，所述制作微流控制芯片下层基片包括如下步骤：

步骤一、选用高洁净度、抛光边的超白玻璃作为基片，去离子水清洗干净后，用食人鱼洗液浸泡清洗，并使用去离子水再次清洗后，在80℃的温度下干燥，然后用2-4％(v/v)3-氨丙基三乙氧基硅烷/甲苯浸没基片30分钟，随后用丙酮冲洗表面，并自然风干，得到氨基化的玻璃表面；

步骤二、将PBS溶液稀释后的CD71抗体溶液在37℃的温度下与氨基化的玻璃表面共孵育0.5-3小时，孵育后用PBS溶液清洗2-3次，并用牛血清白蛋白溶液封闭1-3小时，得表面修饰后的芯片底片。

7.根据权利要求5所述的循环胎儿细胞分离装置的制备方法，其特征在于，所述制作微流控制芯片上层基片包括如下步骤：

步骤一、以直径为4英寸的单抛硅片作为模版基片，使用负性光刻胶(SU-8)制作微流控芯片上层基片的模具；

步骤二、对模版逐步进行预处理、PDMS软光刻、固化、打孔、前处理和键合操作，将芯片模板上的微图案复刻到PDMS芯片上，得到微流控芯片的上层基片。

8.根据权利要求5所述的循环胎儿细胞分离装置的制备方法，其特征在于，所述制作微流控制芯片上层基片包括如下步骤：

以表面修饰后的玻璃片为底片，通过键合工艺，将上层基片和下层基片相结合，制作微流控芯片。

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