CN208599792U - 一种结构堆叠式微流控芯片夹具 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种结构堆叠式微流控芯片夹具，芯片夹整体呈三层堆叠设置，包括上层夹板组件和上层夹板组件，上层夹板组件和上层夹板组件之间设置有能够容置微流控芯片的空间；本实用新型还通过上板组件上各部件的可拆卸式连接，或者下板组件上各部件的可拆卸式连接，结构堆叠式微流控芯片夹具能够实现模块化设计，通用性强，结构简单，易组装拆卸，无需额外工具；并且制备成本低，体积微小，重量轻，便于携带。

Description

一种结构堆叠式微流控芯片夹具

技术领域

本实用新型涉及生物医疗检测领域，进一步涉及一种结构堆叠式微流控芯片夹具。

背景技术

血液中存在一些含量非常少的细胞，它们在生命活动中发挥各自重要功能，对这类细胞的研究与检测一直存在困难。循环肿瘤细胞就是其中一种。CTCs来源于肿瘤原发灶，它既是肿瘤状态信息载体，也是肿瘤转移特异且直接的标志物；并且能多次采集外周血获得，被称为“液体活病理”。外周血中CTCs非常稀少，通常CTCs检测利用细胞的生物特性或物理性质等对CTCs加以分离富集。目前各种CTC富集技术基本上是基于以下三种原理：免疫捕获、细胞大小、其他特征的识别(如细胞密度、电荷、形变能力等)，前两种是目前应用较多的方法。富集后对其中的CTCs进行鉴定，目前主要通过免疫荧光、HE染色、荧光定量PCR、FISH等分子方法检测某个或某些生物标志物而实现。由于只要把CTCs 富集到，就可以根据不同目的而使用不同的生物标志物来进行鉴定，因此现阶段的焦点问题还是CTCs富集的方法学问题。

上世纪九十年代，逐渐兴起的微流控芯片技术可以实现将采样、分离、检测等实验流程和生化反应等集成到一个微小芯片上，从而减少样品消耗，提高检测灵敏度，缩短反应时间，并可实现检测流程的自动化和检测结果的信息化。微流控芯片的优点高度契合POCT的发展需求，对推动临床检测的发展具有重要意义。目前多为单独采用微滤或微流体技术，微滤技术采用高分子材料制成圆形多孔滤膜，能细胞富集分离和之后分析；微流控技术芯片，有螺旋形、梯度柱状等形式，能部分实现富集分离和转移目的。在实际操作中，如何对芯片进行夹持，设计合理的通路，实现外部宏观流体高效、快速进入芯片内的微小流路是微流控技术芯片的关键点。在工程产品领域，现有的夹具设计多用螺栓连接上下盖板提供压力使接口密封，虽然密封效果良好，但流速慢，每分钟仅几微升，实验时间长，多达十几到二十多小时；实际操作容易堵塞，细胞活性受损，甚至破裂等现象；进而导致芯片滤孔变形降低捕获率；捕获的细胞转移出来难，捕获的细胞由于粘附等原因难以被有效转移出来。另外，夹具部分多为一体化设计与制造，尺寸固定，很难做到精细化操控微流控芯片，这大大限制了此类夹具在微流控芯片中的应用与普及。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本实用新型提供了一种结构堆叠式微流控芯片夹具，以至少部分解决以上所述的问题。

(二)技术方案

为实现上述目的，本实用新型提供了一种结构堆叠式微流控芯片夹具，芯片夹具整体呈三层堆叠设置，包括上层夹板组件和下层夹板组件，上层夹板组件和下层夹板组件之间设置有能够容置微流控芯片的空间；其特征在于，所述上层夹板组件相对的两侧面上分别设有第一冲洗管路端口模块、第二冲洗管路端口模块；所述上层夹板组件上与第一冲洗管路端口模块和第二冲洗管路端口模块相邻的侧面上设有第三冲洗管路端口模块；上层夹板组件还设有微流道模块，所述微流道模块上设有与所述空间连接的冲洗管路；所述空间由O形圆环构成，所述微流道模块设置在O形圆环内；所述下层夹板组件上设置有废液端口模块。

进一步地，结构堆叠式微流控芯片夹具的所述上层夹板组件和所述下层夹板组件上分别设置有与O形圆环相匹配的第一圆环槽线和第二环形槽线，所述第一环形圆环槽线和所述第二环形槽线分别为在上层夹板组件和下层夹板组件上蚀刻的半弧形结构，所述半弧形结构的线径与O形圆环的线径相同，所述O 形圆环容置于所述第一圆环槽线和所述第二环形槽线内，所述第一圆环槽线以所述上层夹板组件对角线交叉点作中心点，以O形圆环的外径为半径，所述第二环形槽线以所述下层夹板组件对角线交叉点作中心点，以O形圆环的外径为半径。

进一步地，结构堆叠式微流控芯片夹具的所述第一冲洗管路端口模块、所述第二冲洗管路端口模块、所述第三冲洗管路端口模块分别包含一个卡块结构，所述卡块结构上分别设有多个中空的通管，所述通管能够使所述第一冲洗管路端口模块、所述第二冲洗管路端口模块、所述第三冲洗管路端口模块卡合于上层夹板组件上；所述第一冲洗管路端口模块上的第一冲洗管接口穿过所述通管中的一个，所述第二冲洗管路端口模块上的第二冲洗管接口穿过所述通管中的一个，所述第三冲洗管路端口模块上的第三冲洗管接口穿过所述通管中的一个；废液端口模块设置有卡块结构，卡块结构上分别设置有多个中空的通管，所述通管卡合于下层夹板组件上，废液管道接口穿过多个中空的通管中的一个。

进一步地，结构堆叠式微流控芯片夹具的所述微流道模块上设有与所述空间连接的冲洗管路；所述冲洗管路为内环形流路，所述内环形流路设在上层夹板组件上的第一圆环槽线内侧，与所述第一圆环槽线形成同心圆结构；所述内环形流路上设置有第一耦合接口和第二耦合接口，所述第一耦合接口与所述第一冲洗接口连接，所述第二耦合接口与所述第二冲洗接口连接；接口间连线将环分为两个半圆；第三冲洗管接口与上层夹板组件的中心导通连接；环形流路与上夹板结构对角线交叉位置处设置四个开孔；第四端口，与微量泵连接。

进一步地，结构堆叠式微流控芯片夹具的所述四个开孔的开孔方向为向环形流路外侧45度倾角。

进一步地，结构堆叠式微流控芯片夹具的所述上层夹板组件、所述下层夹板组件均采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，厚度各5-6毫米。

进一步地，结构堆叠式微流控芯片夹具的所述O形圈外径16毫米，线径1.5 毫米，采用熟橡胶材质。

进一步地，结构堆叠式微流控芯片夹具的所述下层夹板组件上对角位置处设置两个销柱，上层夹板组件上对应位置处设有两个销孔。

9进一步地，结构堆叠式微流控芯片夹具的所述上层夹板组件为微流道，所述下层夹板组件为腔室层。

(三)有益效果

本实用新型的结构堆叠式微流控芯片夹具通过O形密封圈和环形侧冲流路设计，夹具上下板双O形圈设计，将芯片悬空不与夹板直接接触，提高密封效果，有利于出液端流出，同时O形环将芯片四周固定绷紧，降低了实验过程中微孔的变形性，保证所富集的细胞选择性，该设计解决同类芯片实验过程中变形引起的系列问题；通过环形侧冲流路设计，能够配合泵提供持续的波动液流，让细胞与芯片间不易形成稳定粘附，多点对称设计保证芯片各位置均收到有效冲洗。此外，通过上板组件上各部件的可拆卸式连接，或者下板组件上各部件的可拆卸式连接，结构堆叠式微流控芯片夹具能够实现模块化设计，通用性强；本实用新型中采用活动夹的设计，结构简单，易组装拆卸，无需额外工具；本实用新型的结构堆叠式微流控芯片夹具，制备成本低，体积小，重量轻，易携带。

附图说明

图1为本实用新型优选实施例的结构堆叠式微流控芯片夹具结构示意图。

图2为本实用新型优选实施例的结构堆叠式微流控芯片夹具组装示意图。

图3为本实用新型优选实施例的结构堆叠式微流控芯片夹具上层夹板组件仰视图。

图4是本实用新型优选实施例的血液稀有细胞富集分离与转移方案流程图。

图5是本实用新型优选实施例应用于稀有细胞的分离富集与转移系统整体设备示意图。

图6(A)、(B)和(C)、(D)和(E)分别是微流控芯片的微过滤膜结构的示意图、光学显微镜图、扫描电镜(SEM)图。

附图标记说明：

100上层夹板组件；200下层夹板组件；101第一冲洗管路端口模块；102 第二冲洗管路端口模块；103第三冲洗管路端口模块；104微流道模块；105O 形圆环；201第四端口模块；107卡块结构；108通管；111第一冲洗管接口； 112第二冲洗管接口；113第三冲洗管接口；207卡块结构；208通管；114冲洗管；121第一耦合接口；122第二耦合接口；109开孔；210废液端口；223销柱； 123销孔。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型作进一步的详细说明。在本实用新型中，术语“包括”和“含有”及其派生词意为包括而非限制。

在本说明书中，下述用于描述本实用新型原理的各种实施例只是说明，不应该以任何方式解释为限制公开的范围。参照附图的下述描述用于帮助全面理解由权利要求及其等同物限定的本实用新型的示例性实施例。下述描述包括多种具体细节来帮助理解，但这些细节应认为仅仅是示例性的。因此，本领域普通技术人员应认识到，在不脱离本实用新型的范围和精神的情况下，可以对本文中描述的实施例进行多种改变和修改。此外，为了清楚和简洁起见，省略了公知功能和结构的描述。此外，贯穿附图，相同附图标记用于相同或相似的功能和操作。此外，尽管可能在不同实施例中描述了具有不同特征的方案，但是本领域技术人员应当意识到：可以将不同实施例的全部或部分特征相结合，以形成不脱离本实用新型的精神和范围的新的实施例。

以下结合图1-6详细描述根据本实用新型实施例的结构堆叠式微流控芯片夹具结构中的各个部件。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种结构堆叠式微流控芯片夹具，芯片夹具整体呈三层堆叠设置，包括上层夹板组件100和上层夹板组件200，上层夹板组件100和上层夹板组件200之间设置有能够容置微流控芯片的空间；其特征在于，所述上层夹板组件100相对的两侧面上分别设有第一冲洗管路端口模块101、第二冲洗管路端口模块102；所述上层夹板组件100上与第一冲洗管路端口模块101和第二冲洗管路端口模块102相邻的侧面上设置有第三冲洗管路端口模块103，所述第三冲洗管路端口模块103位于第一冲洗管路端口模块 101和第二冲洗管路端口模块102中间；上层夹板组件100还设置有微流道模块 104，所述微流道模块104上设置有与所述空间连接的冲洗管路；所述能够容置微流控芯片的空间由一个O形圆环105构成，所述微流道模块104设置在O 形圆环105内；所述下层夹板组件上设置有第四端口模块201。

进一步地，所述上层夹板组件和所述下层夹板组件上分别设置有与O形圆环105相匹配的第一圆环槽线和第二环形槽线，所述第一环形圆环槽线和所述第二环形槽线为半弧形结构，所述半弧形结构的线径与O形圆环105的线径相同，所述O形圆环105容置于所述上层夹板组件与所述下层夹板组件上的第一圆环槽线和第二环形槽线内，所述第一圆环槽线以所述上层夹板组件对角线交叉点作中心点，以O形圆环105的外径为半径，所述第二环形槽线以所述下层夹板组件对角线交叉点作中心点，以O形圆环105的外径为半径。

进一步地，所述第一冲洗管路端口模块101、所述第二冲洗管路端口模块102、所述第三冲洗管路端口模块103分别包括卡块结构，所述卡块结构上分别设置有多个中空的通管，所述通管卡合于上层夹板组件上；第一冲洗管接口111 穿过第一冲洗管路端口模块101多个中空的通管中的一个，第二冲洗管接口112 穿过第二冲洗管路端口模块102多个中空的通管中的一个，第三冲洗管接口113 穿过第三冲洗管路端口模块103多个中空的通管中的一个；所述第四端口模块 201设置有卡块结构，卡块结构上分别设置有多个中空的通管，所述通管卡合于上层夹板组件上，第四管道穿过第四端口模块201多个中空的通管中的一个。

进一步地，所述微流道模块104上设置有与所述空间连接的冲洗管路；所述冲洗管路为内环形流路，所述内环形流路设置在上层夹板组件上的第一圆环槽线内侧，与所述第一圆环槽线形成同心圆结构；所述内环形流路上设置有第一耦合接口121和第二耦合接口122；所述第一耦合接口121与所述第一冲洗接口连接；所述第二耦合接口122与所述第二冲洗接口连接；第三冲洗管接口113 与上层夹板组件的中心导通连接；环形流路与上夹板结构对角线交叉位置处设置四个开孔109。

优选地，所述开孔109的开孔方向为向环形流路外侧45度倾角。

优选地，上下层夹板采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，厚度各6毫米。

优选地，O型圈外径16毫米，线径1.5毫米，采用熟橡胶材质。

优选地，下层夹板上对角位置处设置两个销柱223，上层夹板上对应位置处设有有两个销孔123。

优选地，芯片夹具整体结构采用三明治结构堆叠方式进行组装设计，芯片的微过滤膜处于结构中间层，上、下夹片分别为微流道及腔室层。上、下夹片可采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，厚度各6毫米，上夹片相邻三侧面包埋有侧冲洗管路的两个第一端口1和一个第二端口2，第二端口2在两个第一端口1中间；上夹片靠近微流控芯片的一侧另有一环形流路；下夹片仅有第三端口3，上、下夹片以中央点(对角线交叉点)为原点，直径16-14.5毫米区域间各开一半弧形圆圈，用于放置O形圈。O型圈外径16毫米，线径1.5毫米，采用熟橡胶材质，使得O形圈刚好紧密放置在两个半弧形圆圈组成的完整弧形圆圈内。组装时芯片置于夹具中间位置，优选置于夹具正中央位置，保证O形圈将芯片过滤区全部包含在内。另外夹具下板有两个销柱，上夹片对应位置有两个销孔。优选地，夹具上、下夹片以及O形圈设计将芯片悬空不与上、下夹片直接接触，提高密封效果，有利于出液端流出，同时O形圈将芯片四周固定绷紧，相比于其他同类芯片检测，大大降低了检测过程中芯片滤孔的变形性，保证了所富集的细胞选择性。

优选地，夹具上夹片的环形流路为环形侧冲流路设计，在上夹片的O型圈内侧，与O型圈为同心圆关系，该环路直径13毫米，管径1.8毫米，环路设两个第一端口1，位置相对设计，两个第一端口1间连线将该环路分为两个半圆；环形流路上在夹具对角线4个交叉点位置开孔，开孔方向为向环外45度倾角。

优选地，本实用新型独特的环形侧冲流路设计，配合第二泵可以提供持续的波动液流，相比于现有技术中没有环形侧冲流路的芯片，让细胞与芯片间不易形成稳定粘附，多点对称设计保证芯片各位置均收到有效冲洗。

本实用新型通过优化芯片夹具结构保证芯片在运行中无可见变形；通过芯片表面涂层减少芯片与细胞粘附；通过加入抗粘附生物试剂，降低细胞间粘附；最后通过引入间歇波动性流体，将富集分离得细胞从芯片上转移出来，供下游检测需要。

本实用新型的微流控芯片夹具，可与主机、微流控芯片、液体控制系统、样品管4、第四管5相配合，用于血液稀有细胞，尤其是循环肿瘤细胞的富集分离和细胞转移。主机控制所有液体控制系统运行与切换，液体控制系统通过管线、多个第一泵6和一个第二泵7，分别与上样缓冲液管、侧冲缓冲液管、转移缓冲液管、样品管和第四管相连接，所述的样品管4与微流控芯片夹具连接并且相互连通，所述的微流控芯片通过管线与第四管5连接，第四管道端口，主要用于废液流出和细胞转移用途。

该微流控芯片夹具所夹持的芯片采用栅形孔设计替代微滤中常用的圆孔，通过仿真设计的3-D栅形微纳芯片，并根据常见肿瘤细胞的物理特性，优化栅形结构参数、富集分离条件，相比于单独采用微滤或微流控技术，实现了不同类型稀有细胞的富集分离和转移，大大提高了分离能力。

微流控芯片的具体制备可以采用如下流程：首先在硅基上下分别沉积一定厚度的氮化硅；再分别采用涂胶-光刻-显影-RIE刻蚀的步骤，分别图形化上下层的氮化硅层；最后通过KOH湿法刻蚀方法整体释放出微过滤膜结构。通过优化芯片夹具结构保证芯片在运行中无可见变形；通过芯片表面涂层减少芯片与细胞粘附；通过加入抗粘附生物试剂，降低细胞间粘附；最后通过引入间歇波动性流体，将富集分离得细胞从芯片上转移出来，供下游检测需要。

现有的预实验结果显示：上样流速0.1-0.2ml/mim，富集分离时间30-40分钟，转移时间10分钟，能去除血液中99.9％以上的红细胞，70％以上的白细胞，富集分离得细胞直径大于8微米，富集细胞转移率大于90％，活性细胞大于90％。基本解决现在同类芯片流速慢、易堵塞、细胞活性低且难以转移的问题。

综上所述，本实用新型提供了一种结构堆叠式微流控芯片夹具通过O形密封圈和环形侧冲流路设计，夹具上下板双O形圈设计，将芯片悬空不与夹板直接接触，提高密封效果，有利于出液端流出，同时O形环将芯片四周固定绷紧，降低了实验过程中微孔的变形性，保证所富集的细胞选择性，该设计解决同类芯片实验过程中变形引起的系列问题；通过环形侧冲流路设计，能够配合泵提供持续的波动液流，让细胞与芯片间不易形成稳定粘附，多点对称设计保证芯片各位置均收到有效冲洗。此外，通过上板组件上各部件的可拆卸式连接，或者下板组件上各部件的可拆卸式连接，结构堆叠式微流控芯片夹具能够实现模块化设计，通用性强；本实用新型中采用活动夹的设计，结构简单，易组装拆卸，无需额外工具；本实用新型的结构堆叠式微流控芯片夹具，制备成本低，体积小，重量轻，易携带。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种结构堆叠式微流控芯片夹具，芯片夹具整体呈三层堆叠设置，包括上层夹板组件和下层夹板组件，上层夹板组件和下层夹板组件之间设置有能够容置微流控芯片的空间；其特征在于，所述上层夹板组件相对的两侧面上分别设有第一冲洗管路端口模块、第二冲洗管路端口模块；所述上层夹板组件上与第一冲洗管路端口模块和第二冲洗管路端口模块相邻的侧面上设有第三冲洗管路端口模块；上层夹板组件还设有微流道模块，所述微流道模块上设有与所述空间连接的冲洗管路；所述空间由O形圆环构成，所述微流道模块设置在O形圆环内；所述下层夹板组件上设置有第四端口模块。

2.根据权利要求1所述的结构堆叠式微流控芯片夹具，其特征在于，所述上层夹板组件和所述下层夹板组件上分别设置有与O形圆环相匹配的第一圆环槽线和第二环形槽线，所述第一圆环槽线和所述第二环形槽线分别为在上层夹板组件和下层夹板组件上蚀刻的半弧形结构，所述半弧形结构的线径与O形圆环的线径相同，所述O形圆环容置于所述第一圆环槽线和所述第二环形槽线内，所述第一圆环槽线以所述上层夹板组件对角线交叉点作中心点，以O形圆环的外径为半径，所述第二环形槽线以所述下层夹板组件对角线交叉点作中心点，以O形圆环的外径为半径。

3.根据权利要求2所述的结构堆叠式微流控芯片夹具，其特征在于，所述第一冲洗管路端口模块、所述第二冲洗管路端口模块、所述第三冲洗管路端口模块分别包含一个卡块结构，所述卡块结构上分别设有多个中空的通管，所述通管能够使所述第一冲洗管路端口模块、所述第二冲洗管路端口模块、所述第三冲洗管路端口模块卡合于上层夹板组件上；所述第一冲洗管路端口模块上的第一冲洗管接口穿过所述通管中的一个，所述第二冲洗管路端口模块上的第二冲洗管接口穿过所述通管中的一个，所述第三冲洗管路端口模块上的第三冲洗管接口穿过所述通管中的一个；废液端口模块设置有卡块结构，卡块结构上分别设置有多个中空的通管，所述通管卡合于下层夹板组件上，第四管道接口穿过多个中空的通管中的一个。

4.根据权利要求3所述的结构堆叠式微流控芯片夹具，其特征在于，所述微流道模块上设有与所述空间连接的冲洗管路；所述冲洗管路为内环形流路，所述内环形流路设在上层夹板组件上的第一圆环槽线内侧，与所述第一圆环槽线形成同心圆结构；所述内环形流路上设置有第一耦合接口和第二耦合接口，所述第一耦合接口与所述第一冲洗接口连接，所述第二耦合接口与所述第二冲洗接口连接；接口间连线将环分为两个半圆；第三冲洗管接口与上层夹板组件的中心导通连接；环形流路与上夹板结构对角线交叉位置处设置四个开孔；第四端口，与微量泵连接。

5.根据权利要求4所述的结构堆叠式微流控芯片夹具，其特征在于，所述四个开孔的开孔方向为向环形流路外侧45度倾角，有利于减少芯片周边细胞残留。

6.根据权利要求1所述的结构堆叠式微流控芯片夹具，其特征在于，所述上层夹板组件、所述下层夹板组件均采用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），厚度各5-6毫米。

7.根据权利要求5所述的结构堆叠式微流控芯片夹具，其特征在于，O形圈外径16毫米，线径1.5毫米，采用熟橡胶材质。

8.根据权利要求7所述的结构堆叠式微流控芯片夹具，其特征在于，下层夹板组件上对角位置处设置两个销柱，上层夹板组件上对应位置处设有两个销孔。

9.根据权利要求8所述的结构堆叠式微流控芯片夹具，其特征在于，所述上层夹板组件为微流道，所述下层夹板组件为腔室层。