CN118325728A - 一种基于电磁铁辅助分离外泌体的微流控芯片结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电磁铁辅助分离外泌体的微流控芯片结构，属于外泌体分离和微流控技术领域。解决了现有的外泌体分离方法存在操作过程繁琐、分离效率低和提取设备昂贵的技术问题。该微流控芯片结构包括依次连通的样品入口、捕获室、第一分离室、洗涤室、第二分离室、洗脱室、第三分离室以及出口，还包括设在捕获室一侧的捕获电磁铁，设在第一分离室一侧的第一电磁铁，设在洗涤室一侧的洗涤电磁铁，设在第二分离室一侧的第二电磁铁，设在洗脱室一侧的洗脱电磁铁以及设在第三分离室一侧的第三电磁铁。通过将免疫磁珠与微控流芯片进行结合，可以在一个芯片上实现分离并提取外泌体，具有较高的分离效率，同时大大减少了成本。

Description

一种基于电磁铁辅助分离外泌体的微流控芯片结构

技术领域

本发明属于外泌体分离和微流控技术领域，具体涉及一种基于电磁铁辅助分离外泌体的微流控芯片结构。

背景技术

外泌体是一种由细胞分泌的小囊泡，大小通常在30～150纳米之间。它们在细胞间通讯、免疫调节、疾病发生和发展等方面具有重要作用。同时也具有潜在的临床应用价值，如作为药物递送载体、诊断标志物等。为了研究外泌体的功能和应用，需要对其进行分离和提取。常用的方法包括超速离心法、超滤法、亲和层析法等。然而，这些传统的外泌体分离方法都存在着一些问题，比如超速离心法，由于需要高速旋转的离心机，所以设备成本较高，该方法耗时较长，且重复性差，对操作技巧要求高；超滤法依赖于膜的孔径规格，这可能对外泌体的回收率和纯度产生影响，同时，膜的堵塞和污染也是常见问题，可能需要定期更换膜材料来保持实验的稳定性；亲和层析法从亲和基质上洗脱外泌体时可能会对它们造成损害，影响其结构和功能。近年来，随着微流芯片技术与工艺的发展，使用微流芯片分离外泌体的方法受到越来越多研究人员的关注。微流控技术又被称为芯片实验室或微流控芯片技术，是一种精确控制和操控微尺度流体的技术，尤其特指亚微米结构的技术。其核心在于把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作高度集成到芯片上。与传统外泌体分离方法相比，使用微流控技术分离外泌体具有显著的潜力与广阔的前景。

发明内容

针对现有的外泌体分离方法存在操作过程繁琐、分离效率低和提取设备昂贵的技术问题，本发明的目的在于提供一种基于电磁铁辅助分离外泌体的微流控芯片结构，通过将免疫磁珠与微控流芯片进行结合，可以在一个芯片上实现分离并提取外泌体，具有较高的分离效率，同时大大减少了成本。

为达到以上目的，本发明采取以下技术方案：一种基于电磁铁辅助分离外泌体的微流控芯片结构，包括依次连通的样品入口、捕获室、第一分离室、洗涤室、第二分离室、洗脱室、第三分离室以及出口，还包括设在捕获室一侧的捕获电磁铁，设在第一分离室一侧的第一电磁铁，设在洗涤室一侧的洗涤电磁铁，设在第二分离室一侧的第二电磁铁，设在洗脱室一侧的洗脱电磁铁以及设在第三分离室一侧的第三电磁铁；

所述样品入口包括第一入口和第二入口，第一入口用于泵入抗体包被的磁珠悬浮液，第二入口用于泵入含外泌体的血清；所述捕获室用于免疫磁珠捕获外泌体；所述第一分离室与所述捕获室连接，用于吸附或释放免疫磁珠；所述洗涤室与第一分离室连接，用于洗净捕获外泌体的免疫磁珠上的杂质；所述第二分离室与洗涤室连接，用于吸附和释放免疫磁珠；所述洗脱室与第二分离室连接，用于洗脱出免疫磁珠上的外泌体；所述第三分离室与洗脱室连接，用于吸附和释放免疫磁珠；所述出口与第三分离室连接，用于流出含有外泌体的溶液。

进一步地，所述第一入口和第二入口呈Y型结构与捕获室通过连接通道连接。

进一步地，所述捕获室、洗涤室和洗脱室分别设置为蛇形弯曲结构。蛇形弯曲结构的轮廓为圆形或任意形状，蛇形弯曲结构呈螺旋回转形成多个圈层，能够延长混合行程，从而提高混合效果。

进一步地，所述捕获电磁铁覆盖在捕获室的上方，通过捕获电磁铁使免疫磁珠吸附在捕获室的顶壁；所述洗涤电磁铁覆盖在洗涤室的上方，通过洗涤电磁铁使免疫磁珠吸附在洗涤室的顶壁；所述洗脱电磁铁覆盖在洗脱室的上方，通过洗脱电磁铁使免疫磁珠吸附在洗脱室的顶壁。

进一步地，第一电磁铁覆盖在第一分离室的上方，通过第一电磁铁使免疫磁珠吸附在第一分离室的顶壁；第二电磁铁覆盖在第二分离室的上方，通过第二电磁铁使免疫磁珠吸附在第二分离室的顶壁；第三电磁铁覆盖在第三分离室的上方，通过第三电磁铁使免疫磁珠吸附在第三分离室的顶壁。

进一步地，所述捕获室、洗涤室、洗脱室的顶壁间隔设有多个梯形凸台。梯形凸台可以使溶液流速发生变化，进一步提高免疫磁珠与溶液的混合效率。

进一步地，所述捕获电磁铁、第一电磁铁、洗涤电磁铁、第二电磁铁、洗脱电磁铁和第三电磁铁分别与控制电路连接。

进一步地，所述捕获电磁铁、洗涤电磁铁和洗脱电磁铁的磁力呈周期性变化。周期性变化的磁力使免疫磁珠的流速呈周期性变化，与溶液的流速产生差异且差异呈周期性变化，免疫磁珠与溶液可以进行充分混合。

进一步地，所述第一电磁铁、第二电磁铁和第三电磁铁的磁力为固定磁力。第一电磁铁、第二电磁铁和第三电磁铁的固定磁力大小分别根据将第一分离室、第二分离室、第三分离室内的免疫磁珠完全吸附而定。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

(1)本发明通过将免疫磁珠与微流控芯片结合的方案设计了一种基于电磁铁辅助分离外泌体的微流芯片，可以在一个芯片上实现分离并提取外泌体，与常用方法相比，操作过程简单，无需使用离心设备，也无需更换材料，可重复使用，降低了成本；

(2)本发明将在蛇形弯曲结构的捕获室、洗涤室和洗脱室的一侧各设置一个电磁铁，通过控制电磁铁的磁力呈周期性变化，使蛇形弯曲结构内的免疫磁珠的流速呈周期性变化，与蛇形弯曲结构内的液体形成流速差，提高免疫磁珠和液体的混合效率，依次完成免疫磁珠捕获外泌体、洗净捕获外泌体的免疫磁珠上的杂质以及洗脱出免疫磁珠上的外泌体，提高外泌体的分离效率；通过在第一分离室、第二分离室和第三分离室的一侧各设置一个电磁铁，吸附免疫磁珠后释放，依次完成对第一分离室、第二分离室内的杂质冲洗以及收集外泌体。

附图说明

图1为本发明微流控芯片结构的平面图；

图2为本发明微流控芯片结构的立体图；

图3为本发明梯形凸台的结构示意图；

图4为本发明外泌体分离的流程图；

1、第一入口；2、第二入口；3、连接通道；4、捕获电磁铁；5、捕获室；6、第一电磁铁；7、第一分离室；8、洗涤电磁铁；9、洗涤室；10、第二电磁铁；11、第二分离室；12、洗脱电磁铁；13、洗脱室；14、第三电磁铁；15、第三分离室；16、出口；17、梯形凸台。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例基于电磁铁辅助分离外泌体的微流控芯片结构，如图1和图2所示，包括依次连通的样品入口、捕获室5、第一分离室7、洗涤室9、第二分离室11、洗脱室13、第三分离室15以及出口16，还包括设在捕获室5一侧的捕获电磁铁4，设在第一分离室7一侧的第一电磁铁6，设在洗涤室9一侧的洗涤电磁铁8，设在第二分离室11一侧的第二电磁铁10，设在洗脱室13一侧的洗脱电磁铁12以及设在第三分离室15一侧的第三电磁铁14；

样品入口包括第一入口1和第二入口2，第一入口1用于泵入抗体包被的免疫磁珠悬浮液，第二入口2用于泵入含外泌体的血清，捕获室5用于免疫磁珠捕获外泌体；第一分离室7与捕获室5连接，用于吸附或释放免疫磁珠；洗涤室9与第一分离室7连接，用于洗净捕获外泌体的免疫磁珠上的杂质；第二分离室11与洗涤室9连接，用于吸附和释放免疫磁珠；洗脱室13与第二分离室11连接，用于洗脱出免疫磁珠上的外泌体；第三分离室15与洗脱室13连接，用于吸附和释放免疫磁珠；出口16与第三分离室15连接，用于流出含有外泌体的溶液。

第一入口1和第二入口2呈Y型结构与捕获室5通过连接通道3连接。第一入口1和第二入口2交汇在一起，与连接通道3连接。

捕获室5、洗涤室9和洗脱室13分别设置为蛇形弯曲结构，蛇形弯曲结构的轮廓为圆形或任意形状，蛇形弯曲结构呈螺旋回转形成多个圈层，能够延长混合行程，从而提高混合效果；另外，如图3所示，捕获室5、洗涤室9、洗脱室13的顶壁分别间隔设有多个梯形凸台17，蛇形弯曲结构的其中三个圈层设有梯形凸台，每个圈层内设有两个梯形凸台且两个梯形凸台垂直分布，梯形凸台可以使捕获室5、洗涤室9、洗脱室13内的溶液流速发生变化，进一步提高免疫磁珠与溶液的混合效率。

捕获电磁铁4、洗涤电磁铁8和洗脱电磁铁12设置为圆形结构。捕获电磁铁4覆盖在捕获室5的上方，洗涤电磁铁8覆盖在洗涤室9的上方，洗脱电磁铁12覆盖在洗脱室13的上方。

第一分离室7、第二分离室11、第三分离室15设置为圆形结构，第一电磁铁6、第二电磁铁10、第三电磁铁14设置为圆形结构，且第一电磁铁6覆盖在第一分离室7的上方，第二电磁铁10覆盖在第二分离室11的上方，第三电磁铁14覆盖在第三分离室15的上方。

捕获电磁铁4、第一电磁铁6、洗涤电磁铁8、第二电磁铁10、洗脱电磁铁12和第三电磁铁14分别与控制电路连接，并接入电脑控制其通断电以及磁力的大小。第一电磁铁6、第二电磁铁10和第三电磁铁14的固定磁力大小分别根据将第一分离室7、第二分离室11、第三分离室15内的免疫磁珠完全吸附而定。

捕获电磁铁4、洗涤电磁铁8和洗脱电磁铁12的磁力呈周期性变化；当捕获电磁铁4、洗涤电磁铁8和洗脱电磁铁12通电，使捕获电磁铁4、洗涤电磁铁8和洗脱电磁铁12磁力大小在设定时间内从0至最大值变化，之后在设定时间内从最大值至0变化，磁力的最大值可以根据完全将捕获室5、洗涤室9和洗脱室13的内免疫磁珠吸附进行设定，设定时间可以根据溶液泵入样品入口的流速而定，如，溶液泵入样品入口的流速为20μL/min，设定时间为0.5s，每个周期的时间是1s，在捕获室5、洗涤室9和洗脱室13的免疫磁珠与溶液可以进行充分混合。

捕获电磁铁4覆盖在捕获室5的上方，用于将抗体包被的免疫磁珠悬浮液和含外泌体的血清充分混合使免疫磁珠捕获外泌体，由于捕获电磁铁4的磁力从小变大，免疫磁珠因受到捕获电磁铁4的吸磁作用而流速相对变慢，捕获室5内的溶液流速不变，接着捕获电磁铁4的磁力从大变小，免疫磁珠因不受到捕获电磁铁4的吸磁作用而流速相对变快，从而免疫磁珠在溶液中充分冲洗，免疫磁珠混合效率高，免疫磁珠捕获外泌体。

第一电磁铁6覆盖在第一分离室7的上方，用于吸附第一分离室7内的免疫磁珠和释放免疫磁珠，免疫磁珠吸附是为了将捕获外泌体的免疫磁珠与杂质分离，其中，杂质比如蛋白质大分子、细胞碎片、亚细胞囊泡；释放免疫磁珠是为了磷酸缓冲盐溶液(PBS缓冲液)冲洗免疫磁珠上的杂质，其中，杂质比如蛋白质大分子、细胞碎片、亚细胞囊泡。

洗涤电磁铁8覆盖在洗涤室9的上方，用于使捕获外泌体的免疫磁珠与PBS缓冲液混合，充分冲洗杂质；由于电磁铁的磁力从小变大，免疫磁珠受到洗涤电磁铁8的吸磁作用，捕获外泌体的免疫磁珠的流速相对变慢，洗涤室9内的溶液的流速不变，其中，洗涤室9内的溶液由多余的抗体、PBS缓冲液和血清组成，捕获外泌体的免疫磁珠在PBS缓冲液中充分冲洗，免疫磁珠混合效率高，洗涤电磁铁的磁力从大变小，免疫磁珠不受到洗涤电磁铁的吸磁作用，免疫磁珠的流速相对变快，免疫磁珠在PBS缓冲液中充分冲洗，免疫磁珠混合效率高，目的是为了充分冲洗免疫磁珠上和微流控芯片结构中的残余杂质。

第二电磁铁10覆盖在第二分离室11的上方，用于吸附和释放免疫磁珠。吸附的过程是为了将洗净杂质的捕获外泌体的免疫磁珠吸附在第二分离室11的顶壁与第二分离室11的溶液分离，其中，第二分离室11内的溶液由多余的抗体、PBS缓冲液和血清组成；免疫磁珠释放之前通入PBS缓冲液，PBS缓冲液的用量使微流控芯片结构中没有其他杂质残留，释放的作用是为了使洗净杂质的捕获外泌体的免疫磁珠和外泌体洗脱液一起流至洗脱室。

洗脱电磁铁12覆盖在洗脱室13的上方，用于将捕获外泌体的免疫磁珠与洗脱液充分混合使外泌体和免疫磁珠分离。由于洗脱电磁铁的磁力从小变大，免疫磁珠受到洗脱电磁铁的吸磁作用，捕获外泌体的免疫磁珠的流速相对变慢，PBS缓冲液和外泌体洗脱液的混合溶液的流速不变，免疫磁珠在外泌体洗脱液中充分冲洗，免疫磁珠混合效率高，电磁铁的磁力从大变小，免疫磁珠不受到洗脱电磁铁的吸磁作用，免疫磁珠的流速相对变快，免疫磁珠在洗脱液中充分冲洗，免疫磁珠混合效率高。

第三分离室15上方放置有第三电磁铁14，用于吸附和释放免疫磁珠，吸附的过程是为了将分离外泌体的免疫磁珠吸附在第三分离室的顶壁，随着外泌体洗脱液流出外泌体；释放的作用是将免疫磁珠与废液一起排出。

本实施例还提供了一种分离方法，如图4所示，采用上述基于电磁铁辅助分离外泌体的微流控芯片结构，包括如下步骤：

(1)第一入口1泵入抗体包被的免疫磁珠悬浮液和第二入口2泵入含外泌体的血清，抗体包被的免疫磁珠悬浮液和含外泌体的血清汇流通过连接通道3至捕获室5，控制捕获电磁铁4的磁力呈周期性变化，充分混合反应得到免疫磁珠捕获外泌体的混合液；

(2)当免疫磁珠捕获外泌体的混合液流至第一分离室7时，控制第一电磁铁6通电，将捕获外泌体的免疫磁珠由第一电磁铁6吸附在第一分离室7的顶壁；将抗体包被的免疫磁珠悬浮液和含外泌体的血清通入完毕后，之后第一入口1泵入PBS缓冲液对第一分离室7内的杂质进行冲洗，PBS缓冲液流至第一分离室7后，控制第一电磁铁6断电，释放被吸附的免疫磁珠；

(3)捕获外泌体的免疫磁珠与PBS缓冲液一同流至洗涤室9进行混合，控制洗涤电磁铁8的磁力呈周期性变化，冲洗捕获外泌体的免疫磁珠上的杂质，得到洗净杂质的免疫磁珠混合液；

(4)洗净杂质的免疫磁珠混合液流至第二分离室11时，控制第二电磁铁10通电，将洗净杂质的捕获外泌体的免疫磁珠吸附在第二分离室11的顶壁，分离出不含有捕获外泌体的免疫磁珠的混合液；通入PBS缓冲液，PBS缓冲液的用量可以根据使第二分离室11没有杂质而定，接着第一入口1停止泵入PBS缓冲液，将不含有捕获到外泌体的免疫磁珠的混合液从出口16流出；

(5)第一入口1泵入外泌体洗脱液，外泌体洗脱液流至第二分离室11后，控制第二电磁铁10断电，释放洗净杂质的捕获外泌体的免疫磁珠，洗净杂质的捕获外泌体的免疫磁珠与外泌体洗脱液一同流至洗脱室13进行混合，控制洗脱电磁铁12的磁力呈周期性变化，外泌体和免疫磁珠完成分离，得到外泌体与免疫磁珠分离的混合溶液；

(6)外泌体和免疫磁珠分离的混合溶液流至第三分离室15，控制第三电磁铁14通电，将免疫磁珠吸附在第三分离室15的顶壁，从外泌体和免疫磁珠分离的混合溶液分离出含有外泌体的溶液和免疫磁珠，含有外泌体的溶液从出口16流出，将分离好的外泌体收集，外泌体的分离工作完成；控制第三电磁铁14断电，将免疫磁珠与废液一起排出。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于电磁铁辅助分离外泌体的微流控芯片结构，其特征在于：包括依次连通的样品入口、捕获室(5)、第一分离室(7)、洗涤室(9)、第二分离室(11)、洗脱室(13)、第三分离室(15)以及出口(16)，还包括设在捕获室(5)一侧的捕获电磁铁(4)，设在第一分离室(7)一侧的第一电磁铁(6)，设在洗涤室(9)一侧的洗涤电磁铁(8)，设在第二分离室(11)一侧的第二电磁铁(10)，设在洗脱室(13)一侧的洗脱电磁铁(12)以及设在第三分离室(15)一侧的第三电磁铁(14)；

所述样品入口包括第一入口(1)和第二入口(2)，第一入口(1)用于泵入抗体包被的磁珠悬浮液，第二入口(2)用于泵入含外泌体的血清；所述捕获室(5)用于免疫磁珠捕获外泌体；所述第一分离室(7)与所述捕获室(5)连接，用于吸附或释放免疫磁珠；所述洗涤室与第一分离室(7)连接，用于洗净捕获外泌体的免疫磁珠上的杂质；所述第二分离室与洗涤室连接，用于吸附和释放免疫磁珠；所述洗脱室与第二分离室连接，用于洗脱出免疫磁珠上的外泌体；所述第三分离室与洗脱室连接，用于吸附和释放免疫磁珠；所述出口(16)与第三分离室连接，用于流出含有外泌体的溶液。

2.根据权利要求1所述的基于电磁铁辅助分离外泌体的微流芯片结构，其特征在于，所述第一入口(1)和第二入口(2)呈Y型结构与捕获室(5)通过连接通道(3)连接。

3.根据权利要求1所述的基于电磁铁辅助分离外泌体的微流控芯片结构，其特征在于，所述捕获室(5)、洗涤室(9)和洗脱室(11)分别设置为蛇形弯曲结构。

4.根据权利要求1所述的基于电磁铁辅助分离外泌体的微流控芯片结构，其特征在于，所述捕获电磁铁(4)覆盖在捕获室(5)的上方，所述洗涤电磁铁(8)覆盖在洗涤室(9)的上方，所述洗脱电磁铁(12)覆盖在洗脱室(13)的上方。

5.根据权利要求1所述的基于电磁铁辅助分离外泌体的微流控芯片结构，其特征在于，第一电磁铁(6)覆盖在第一分离室(7)的上方，第二电磁铁(10)覆盖在第二分离室(11)的上方，第三电磁铁(14)覆盖在第三分离室(15)的上方。

6.根据权利要求1所述的基于电磁铁辅助分离外泌体的微流控芯片结构，其特征在于，所述捕获室(5)、洗涤室(9)、洗脱室(13)的顶壁间隔设有多个梯形凸台(17)。

7.根据权利要求1所述的基于电磁铁辅助分离外泌体的微流控芯片结构，其特征在于，所述捕获电磁铁(4)、第一电磁铁(6)、洗涤电磁铁(8)、第二电磁铁(10)、洗脱电磁铁(12)和第三电磁铁(14)分别与控制电路连接。

8.根据权利要求1所述的基于电磁铁辅助分离外泌体的微流控芯片结构，其特征在于，所述捕获电磁铁(4)、洗涤电磁铁(8)和洗脱电磁铁(12)的磁力呈周期性变化。

9.根据权利要求1所述的基于电磁铁辅助分离外泌体的微流控芯片结构，其特征在于，所述第一电磁铁(6)、第二电磁铁(10)和第三电磁铁(14)的磁力为固定磁力。