CN209383761U - 基于界面效应的癌细胞分离装置 - Google Patents
基于界面效应的癌细胞分离装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN209383761U CN209383761U CN201821174077.0U CN201821174077U CN209383761U CN 209383761 U CN209383761 U CN 209383761U CN 201821174077 U CN201821174077 U CN 201821174077U CN 209383761 U CN209383761 U CN 209383761U
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- blood
- cancer cell
- newtonian fluid
- interfacial effect
- cell separator
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 206010028980 Neoplasm Diseases 0.000 title claims abstract description 77
- 201000011510 cancer Diseases 0.000 title claims abstract description 77
- 230000000694 effects Effects 0.000 title claims abstract description 34
- 210000004369 blood Anatomy 0.000 claims abstract description 165
- 239000008280 blood Substances 0.000 claims abstract description 164
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims abstract description 136
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims abstract description 29
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims abstract description 29
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 14
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 12
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 7
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 4
- 230000001154 acute effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000000926 separation method Methods 0.000 abstract description 37
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 82
- 229920003171 Poly (ethylene oxide) Polymers 0.000 description 14
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 13
- 239000004005 microsphere Substances 0.000 description 9
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
- 239000008187 granular material Substances 0.000 description 4
- 238000005534 hematocrit Methods 0.000 description 4
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 210000003743 erythrocyte Anatomy 0.000 description 3
- 201000005787 hematologic cancer Diseases 0.000 description 3
- 208000024200 hematopoietic and lymphoid system neoplasm Diseases 0.000 description 3
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 3
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 3
- 239000002953 phosphate buffered saline Substances 0.000 description 3
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 2
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 208000002925 dental caries Diseases 0.000 description 2
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 2
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 2
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 description 2
- 239000004417 polycarbonate Substances 0.000 description 2
- 229920000515 polycarbonate Polymers 0.000 description 2
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 description 2
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 2
- 238000010008 shearing Methods 0.000 description 2
- 206010006187 Breast cancer Diseases 0.000 description 1
- 208000026310 Breast neoplasm Diseases 0.000 description 1
- 206010059484 Haemodilution Diseases 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000017531 blood circulation Effects 0.000 description 1
- 230000009087 cell motility Effects 0.000 description 1
- 230000001413 cellular effect Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000019771 cognition Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000010790 dilution Methods 0.000 description 1
- 239000012895 dilution Substances 0.000 description 1
- 125000000118 dimethyl group Chemical group [H]C([H])([H])* 0.000 description 1
- 239000004205 dimethyl polysiloxane Substances 0.000 description 1
- 235000013870 dimethyl polysiloxane Nutrition 0.000 description 1
- LOKCTEFSRHRXRJ-UHFFFAOYSA-I dipotassium trisodium dihydrogen phosphate hydrogen phosphate dichloride Chemical compound P(=O)(O)(O)[O-].[K+].P(=O)(O)([O-])[O-].[Na+].[Na+].[Cl-].[K+].[Cl-].[Na+] LOKCTEFSRHRXRJ-UHFFFAOYSA-I 0.000 description 1
- 235000013399 edible fruits Nutrition 0.000 description 1
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 description 1
- 239000005357 flat glass Substances 0.000 description 1
- 238000002073 fluorescence micrograph Methods 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 230000036039 immunity Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 201000007270 liver cancer Diseases 0.000 description 1
- 208000014018 liver neoplasm Diseases 0.000 description 1
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 1
- CXQXSVUQTKDNFP-UHFFFAOYSA-N octamethyltrisiloxane Chemical compound C[Si](C)(C)O[Si](C)(C)O[Si](C)(C)C CXQXSVUQTKDNFP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 238000005325 percolation Methods 0.000 description 1
- 230000002572 peristaltic effect Effects 0.000 description 1
- 238000004987 plasma desorption mass spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 229920000435 poly(dimethylsiloxane) Polymers 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 229920005573 silicon-containing polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000005199 ultracentrifugation Methods 0.000 description 1
Landscapes
- External Artificial Organs (AREA)
Abstract
本实用新型涉及一种基于界面效应的癌细胞分离装置，所述分离装置利用细胞在血液和非牛顿流体接触面位置同时受到方向相反的惯性力和粘弹性力，癌细胞尺寸较大能够穿过界面，血细胞尺寸小，不能穿过界面，从而将癌细胞在血液中分离出来，包括：用以注入和输送所述血液的血液注入区；用以注入和输送所述非牛顿流体的非牛顿流体注入区；设置在所述血液注入区末端并与其相连，用以对所述血液和非牛顿流体进行汇流并分离其中细胞的分离通道；与所述分离通道末端相连，用以分离所述血液和非牛顿流体的分离区。本实用新型基于界面效应的癌细胞离装置采用界面效应具有更高的分辨率,能够实现癌细胞在全血里的分离。
Description
技术领域
本实用新型涉及医疗科技技术领域，尤其涉及一种基于界面效应的癌细胞分离装置。
背景技术
随着微纳米技术的发展以及微纳米材料在多个学科领域的广泛应用，传统的分离原理和设备在微纳米颗粒的分离中受到了各种限制，分离效果并不理想，寻求一种微纳米粒子有效的分离技术尤为关键。常用的微纳米颗粒分离方法主要分为两大类：接触式和非接触式；接触式微纳米颗粒分离具有不连续性，在操作过程中需要加入其它材料；非接触式微纳米颗粒分离不需添加其它材料，避免产生污染且操作连续；现有技术中常见的分离方法有超速离心、孔膜过滤、特异性免疫吸附等，这些分离方法通常会造成亚微米纳米颗粒的损失。
中国专利公开号：CN207493004U公开了一种血液癌细胞分离器，包括压力容器和过滤层；所述压力容器的形状为封闭的双向漏斗形，压力容器的内壁附着有保护膜，压力容器的上部设置有血液入口、第一抽气嘴和第一高压氧气入口，压力容器的下部设置有血液出口、第二抽气嘴和第二高压氧气入口；所述血液入口处设置有单向阀；所述过滤层固定在所述压力容器双向漏斗形的中部，并将压力容器隔离成上下两个独立的腔体；所述过滤层包括支撑体，以及附着于所述支撑体之上的过滤膜。由此可见，所述血液癌细胞分离器存在以下问题：
第一，所述分离器腔体内部含有空气，空气中的有害物质易对血液造成污染；
第二，所述分离器利用压力差对所述血液中的白细胞和红细胞施加压力并将其挤压穿过所述过滤膜，在挤压过程中容易破坏所述白细胞和红细胞的结构，损坏所述血液，从而导致所述分离器的分离效率降低；
第三，所述分离器在分离过程中，各细胞容易在滤网处堵塞，对此需要在所述滤网的上下两个腔体中反复进行抽气和进气，增加了所述分离器的使用时间，且在反复抽进气的同时，所述过滤后的白细胞和红细胞容易受到压力而重新回到过滤前的腔体内，分离效果低。
实用新型内容
为此，本实用新型提供一种基于界面效应的癌细胞分离系统，用以克服现有技术中颗粒分离效果低的问题。
为实现上述目的，本实用新型提供一种基于界面效应的癌细胞分离装置，所述分离装置利用癌细胞在血液和非牛顿流体接触面位置同时受到方向相反的惯性力和粘弹性力，将所述癌细胞从血液中分离出来，包括：
用以注入和输送所述血液的血液注入区；用以注入和输送所述非牛顿流体的非牛顿流体注入区；设置在所述血液注入区末端并与其相连，用以对所述血液和非牛顿流体进行汇流并分离其中细胞的分离通道；与所述分离通道末端相连，用以分离所述血液和非牛顿流体的分离区。
进一步地，所述血液注入区包括：用以注入所述血液的血液注入口；与所述血液注入口相连，用以输送所述血液的血液连通管道；设置在所述血液连通管道末端，用以对所述血液进行分流的分流区；
进一步地，所述分流区为一环形通道，包括：至少两个与所述血液连通管道末端相连，用以分流所述血液的分流通道；分别设置在所述分流通道末端并与其相连，用以输送所述血液的输送通道；分别设置在所述输送通道末端，用以将所述分流的血液汇流的汇流端。
进一步地，所述两分流通道的夹角与所述汇流通道的夹角均可以为锐角、直角或钝角，且所述分流通道夹角的角平分线和汇流通道夹角的角平分线均与所述血液连通管道重合。
进一步地，所述输送通道可以为一段的直线或弧线通道，也可以为多段的直线或弧线通道。
进一步地，所述非牛顿流体注入区被所述分流包围在内部，包括：用以注入所述非牛顿流体的非牛顿流体注入口；与所述非牛顿流体注入口相连，且与所述血液连通管道在同一直线上，用以输送所述非牛顿流体的非牛顿流体连通管道。
进一步地，所述非牛顿流体连通管道的末端与所述汇流通道末端相连。
进一步地，所述分离区包括：至少两个用以排出血细胞的血细胞出口；设置在所述血细胞出口中间空隙处，用以排出癌细胞的癌细胞出口；至少两个设置在所述血细胞出口和癌细胞出口之间空隙处，用以排出中等尺寸颗粒的中颗粒出口。
进一步地，所述非牛顿流体为纯水与高分子聚合物的混合液。
进一步地，所述癌细胞分离装置为设置在微流控芯片上的凹槽或凹口，也可以为独立的管路。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于，本实用新型基于界面效应的癌细胞分离装置通过利用不同细胞在血液和非牛顿流体的界面受到方向相反的粘弹性力和惯性力的作用，分离癌细胞，本实用新型采用界面效应能够直接将癌细胞在未经处理的全血中分离出来；本实用新型的分离通道可通过增加宽度和改变长度，来实现多种类型尺寸的细胞的分离；在分离通道上设置内、中、外或者更多流体出口，增加分离通道的宽度，为各细胞的分离提供充足的位置空间，不同尺寸的细胞聚积的区域距离较大，容易分离和收集。
进一步地，所述癌细胞分离装置上设有血液注入区、非牛顿流体注入区，并设置分流区域将所述血液分流，最终在所述分离通道的中间流通非牛顿流体，而非牛顿流体两侧、与分离通道的两侧壁接触的为血液，这样，在分离通道内，血液和非牛顿流体之间形成两个接触界面，更有利于大小颗粒的分离，进一步提高了所述癌细胞分离装置的分离效率。
进一步地，所述分流通道中分流处的两条通道呈一定角度，这样，在分流时能够将所述血液的流速维持在一个固定值，不会出现阻滞的情况，进一步提高了所述癌细胞分离装置的分离效率。
进一步地，所述输送管道可设有单段管道或多段管道，并以此保证将每一部分血液中的癌细胞分离出来，进一步提高了所述分离装置的分离效率。
进一步地，所述汇流通道中汇流处的两条通道呈一定角度，这样，在汇流时汇聚过渡更加平缓，避免由于两个流体垂直汇聚出现漩涡，进一步提高了所述癌细胞分离装置的分离效率。
进一步地，所述非牛顿流体注入区设置在所述分流区环形通道的内部，且所述非牛顿流体连通管道末端与所述汇流通道相连，这样，当所述血液和所述非牛顿流体被一同输送至所述分离通道时，所述非牛顿流体直接被输送至通道的中间位置，提高了所述非牛顿流体与所述血液的接触面积，在相同时间内，能够分离更多的癌细胞，进一步提高了所述癌细胞分离装置的分离效率。
进一步地，所述分离区设有至少五个排出口，包括一个癌细胞排出口，两个中颗粒排出口和两个血细胞排出口，将含有不同尺寸颗粒的流体通过不同的排出口分别排出，进一步提高了所述癌细胞分离装置的分离效率。
进一步地，本实用新型可通过调整分离单元的结构参数、非牛顿流体的浓度及血液和非牛顿流体的流速和流速比，来实现不同尺寸细胞的分离，分离效果更佳。
进一步地，所述非牛顿流体为在水中加入高分子聚合物使之具有非牛顿效应，从而称之为非牛顿流体；所述高分子聚合物为人工合成或天然的，本装置不利用特异性反应、外加物理场，制作和操作简单、成本低廉。
附图说明
图1为本实用新型的微流控芯片的立体结构示意图；
图2为本实用新型的分离通道的立体结构示意图；
图3为本实用新型的分离通道的剖视结构示意图；
图4为本实用新型的分离通道的颗粒受力和分离示意图；
图5为本实用新型的基于界面效应的微纳颗粒分离系统的结构示意图；
图6为本实用新型实验例中分别选用不同总流量和各出口流量比时的分离效率表以及富集因子浓度表；
图7为本实用新型实验例中在所述两注入口中分别注入不同物质时各出口的分离效率表；
图8为本实用新型实验例中利用不同的非牛顿流体分离血液中癌细胞的荧光轨迹示意图；
图9为本实用新型实验例中对所述非牛顿流体进行不同倍数稀释后的荧光轨迹图以及分离效率表；
图10位本实用新型实验例中各出口流体的微观图。
具体实施方式
以下结合附图，对本实用新型上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
下面参照附图来描述本实用新型的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本实用新型的技术原理，并非在限制本实用新型的保护范围。
需要说明的是，在本实用新型的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
此外，还需要说明的是，在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
请参阅图1，其为本实用新型实施例微流控芯片的结构示意图，包括：血液注入区1、非牛顿流体注入区2、分离通道3和分离区4，其中，所述非牛顿流体注入区2设置在所述血液注入区1的环形通道内并与其相连，所述分离通道3设置在所述血液注入区1末端并与其相连，所述分离区4设置在所述分离通道3末端并与其相连。
在使用所述分离装置时，将血液注入至所述血液注入区1，将所述非牛顿流体注入至所述非牛顿流体注入区2，所述血液经分流后与所述牛顿流体相接触并与其一同流向所述分离通道3，在所述分流通道中产生界面效应，将所述血液中的癌细胞分离出来并进入所述非牛顿流体中，所述癌细胞被分离之后，所述血液和非牛顿流体被输送至所述分离区4进行分离并被排出；本领域技术人员可以理解的是，所述癌细胞分离装置为开设在所述微流控芯片上的凹槽或凹口，允许流体通过；显然，上述结构均可通过独立的管路替换。
请继续参阅图1所示，本实用新型实施例所述血液注入区1包括血液注入口11，血液连通管道12和分流区13；所述血液注入口11设置在所述分离装置的上端，所述血液连通管道12设置在所述血液注入口11下方，所述分流区设置在所述血液连通管道12下方；在使用所述分离装置时，将所述血液通过所述血液注入口11注入至所述分离装置中，所述血液从所述血液注入口1流经所述血液连通管道12，并被输送至所述分流区进行分流。
具体而言，所述血液注入口11设置在所述分离装置的上端，为一圆柱形凹槽，用以接收含有癌细胞的血液；可以理解的是，所述血液注入口11的凹槽形状可以为圆形，方形，三角形或其他形状，只要满足所述血液注入口能够接收所述血液并将其输送至下一结构中即可。
具体而言，所述血液连通管道12设置在所述血液注入口11下端，用以将所述血液注入口11中的血液输送至所述分流区13；可以理解的是，所述血液连通管道12的横截面可以为矩形，梯形，圆形或其他形状，只要满足所述血液连通管道12能够以指定流速输送所述血液即可。
具体而言，所述分流区13设置在所述血液连通管道12下方，为环形通路，用以对所述血液进行分流，可以理解的是，所述分流区中各段管路可以为直线凹槽，也可以为弧线凹槽，只要满足所述血液流速不会在进入所述分流区13时减少即可。
请继续参阅图1所示，本实用新型实施例所述分离区13包括分流管道131，输送管道132和汇流管道133，其中，所述分流管道131与所述血液连通管道12末端相连，所述输送管道132与所述分流管道131末端相连，所述汇流管道133设置在所述输送管道132末端并与其相连；当所述血液从所述血液连通管道12中被输送至所述分流区13时，所述血液先被输送至所述分流管道131并被分流至两条管道内，经所述输送管道132输送后进入所述汇流管道133进行汇流并被输送至所述非牛顿流体两侧，与其一同被输送至分离管道3中。
具体而言，所述分流管道131设置在所述血液连通管道12末端并与其相连，用以对所述血液进行分流；可以理解的是，所述分离管道131中两条管道的夹角可以为锐角，直角或钝角，只要满足所述夹角的角平分线与所述血液连通管道12重合且不影响所诉血液的流速即可。
具体而言，所述输送管道132设置在所述分流管道131的末端并与其相连用以输送所述分流管道131中被分流的血液；可以理解的是，所述输送管道可以为一段的直线管道或弧线管道，也可以为多段的直线管道或弧线管道，只要满足所述输送管道132能够以指定流速输送所述血液即可。
具体而言，所述汇流管道133设置在所述输送管道132末端并与其相连，用以对所述被分流的血液进行汇流；可以理解的是，所述汇流管道133中两条管道的夹角可以为锐角，直角或钝角，只要满足所述夹角的角平分线与所述血液连通管道12重合且不影响所诉血液的流速即可。
请继续参阅图1所示，本实用新型实施例所述非牛顿流体注入区2包括非牛顿流体注入口21和非牛顿流体连通管道22，其中所述非牛顿流体注入口21设置在所述分流区13的环形管道内侧，所述非牛顿流体连通管道22设置在所述非牛顿流体注入口21下端并与其相连，且所述非牛顿流体连通管道22末端与所述汇流管道133末端相连；当向所述非牛顿流体注入口21注入非牛顿流体时，所述非牛顿流体会流经所述非牛顿流体连通管道22并在其末端与所述汇流管道133中的血液相接触，所述非牛顿流体与所述血液接触后被一同输送至所述分离通道3。
具体而言，所述非牛顿流体注入口21设置在所述分离区13环形管道内侧，为一圆柱形凹槽，用以接收非牛顿流体；可以理解的是，所述非牛顿流体注入口21的凹槽形状可以为圆形，方形，三角形或其他形状，只要满足所述非牛顿流体注入口能够接收所述非牛顿流体并将其输送至下一结构中即可。
具体而言，所述非牛顿流体连通管道22设置在所述非牛顿流体注入口21下端，用以将所述非牛顿流体注入口21中的非牛顿流体输送至所述分离通道3；可以理解的是，所述非牛顿流体连通管道22的横截面可以为矩形，梯形，圆形或其他形状，只要满足所述非牛顿流体连通管道22能够以指定流速输送所述非牛顿流体即可。
请继续参阅图1所示，本实用新型实施例所述分离通道设置在所述汇流管道133末端并与其相连，为了增强血液中癌细胞的分离效果，保证癌细胞能够汇集在非牛顿流体的中间位置，本实施例分离通道3的中间流通非牛顿流体，而非牛顿流体两侧、与分离通道3的两侧壁接触的为血液；这样，在分离通道3内，血液和非牛顿流体之间形成两个接触界面，更有利于癌细胞的分离。本领域技术人员可以理解的是，即使不对血液分流，将单层的血液和非牛顿流体置入分离通道3中，由于形成一个接触界面，也能够实现癌细胞的分离；显然，血液和非牛顿流体可以相间布置，在接触处形成多个界面，而不受界面层数的限制。较佳的，分离通道3的横截面可为矩形、梯形、圆形等，只要能够满足所述血液和非牛顿流体产生界面即可。
请继续参阅图1所示，本实用新型实施例所述分离区4还包括设置在所述分离通道3末端的若干分叉出口，在本实施例中，分别为设置在外侧的血细胞出口41、设置在中间的癌细胞出口43以及设置在血细胞出口41和癌细胞出口43之间的中颗粒出口42；每一出口与分离通道对应的不同直径颗粒停留位置相对应。本领域技术人员可以理解的是，分叉出口的数量根据需要设置，在设置单一的接触界面时，也设置三种出口；显然，也可设置癌细胞分离的两种出口，或者，增加细胞分离的精细度，设置三个及以上的出口。
请参阅图2-3所示，其为本实用新型微流控芯片的立体结构和剖视结构示意图，本实施例可以通过提高分离通道3的高度，之后将通道放倒，这样能够在很大程度上增大血液和非牛顿流体间的界面从而提高通量，大大提高本实用新型的分离效率。本领域技术人员可以理解的是，提高分离通道3的高度，为细胞的分离提供充足的位置空间，细胞聚积的区域距离较大，容易分离和收集；同时，适当调整分离通道3的长度也能够提高分离效率。
请参阅图4所示，其为本实用新型的分离通道的颗粒受力和分离示意图，对应于图1中的区域A、区域B、区域C三处位置，图4所示为在三处位置的颗粒受力和运动方向示意图,该图为俯视图。图示中，箭头所指方向为流体流动方向，中间液体为非牛顿流体，两侧为血液。在区域A处，各细胞在血液中，均受指向非牛顿流体方向的惯性力作用，如图中箭头所示；区域B中，各细胞在血液和非牛顿流体的接触界面，均受指向非牛顿流体方向的惯性力和指向血液方向的粘弹性力，由于两作用力存在大小不同，癌细胞向非牛顿流体方向移动；在区域C中，癌细胞运动至非牛顿流体中，同时受指向非牛顿流体方向的惯性力和指向流体通过中心的粘弹性力，此时两作用力受力方向相同，加速癌细胞的移动，而血细胞停留在接触界面，在细胞之间还有其他细胞移动，分布于癌细胞和血细胞之间。
具体而言，当各细胞在所述的界面上时，细胞受到的粘弹性力指向血液的方向，与惯性力的方向相反；由于惯性力的大小与细胞直径的四次方成正比，粘弹性力的大小与细胞直径的三次方成正比。因此在特定的条件下癌细胞能够进入非牛顿流体中而血细胞则只能处在血液中或血液和非牛顿流体的界面上。
在血液中细胞的受力由下述公式(1)所示的动力学模型确定：
在非牛顿流体中细胞的受力由下述公式(2)所示的动力学模型确定：
在血液与非牛顿流体的接触界面细胞的受力由下述公式(3)所示的动力学模型确定：
其中，a是细胞直径，Vp是工作流体中亚微米纳米颗粒的速度矢量，CD为粘性系数可根据公式(4)求得，其中a1、a2、a3是常数，Res为相对雷诺数，可根据公式(5)求得，g是重力加速，ρp是颗粒密度，ρ是流体密度，Fe是弹性力矢量，FL是惯性力矢量。
弹性力为：
其中，fe(Wi，xL)为与维森博格数(也可为德伯哈数)和颗粒在通道截面的位置相关的函数，N为主应力差与剪切率的平方成正比。
惯性力为：
FL＝(cwa3+cs)ρu2a3/Dh (7)
其中cw、cs分别是壁面作用力系数和剪切率作用力系数，Dh为通道的水利直径。
请参阅图5所示，其为本实用新型的基于界面效应的癌细胞分离系统的结构示意图，控制单元5、动力单元6为向所述微流控芯片提供预设浓度和流量的血液和非牛顿流体，各个分离通道3并行联结，可大大提高系统的通量。
具体而言，动力单元6通过非牛顿流体注入口21注入微流控芯片，非牛顿流体注入口21通过非牛顿流体主干路121与各个非牛顿流体支路122连通；同样，血液注入口11通过血液主干路111与各个血液支路112连通。血液和非牛顿流体流向各个分离通道分支7，各个分离通道分支7完成分离，并通过收集单元完成收集。显然，各个分支上的血细胞出口41、设置在中间的癌细胞出口43以及设置在血细胞出口41和癌细胞出口43之间的中颗粒出口42，分别连通，最终通过统一的收集口完成收集。
具体而言，所述控制单元为PC控制器、PLC控制器、单片机控制器等，动力单元为注射泵、蠕动泵等液体泵送装置，本实施例所用的控制单元和动力单元为，单片机控制的注射泵。本领域技术人员可以理解的是，动力单元还可以用重力场或者其他物理场使液体流入到分离通道中，只需满足分别将血液和非牛顿流体分别注入分离通道中，并可控制流体的流速即可。
具体而言，所述收集单元为液体储存装置，可用试管、玻璃瓶、塑料袋等液体存储物品与微流控芯片的不同出口通过管道相连，从而收集不同大小的细胞。
具体而言，所述微流控芯片可由聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)等制作；微流控芯片的制作过程采用以软刻蚀法为代表的常规的微流控芯片制作方法，首先在玻璃片或者单晶硅片上光刻得到芯片图形，通过模板来实现图案的转移和复制形成包含平面或曲面上的亚微米纳米图案的微流控芯片。
实验例1
请参阅图6所示，其为本实用新型实验例不同流量及流量比对所述分离装置分离效率及富集因子浓度影响的图表，所述流量比为非牛顿流体和血液的流量的比值。其中所述出口1和出口3为所述分离区4中设置在两侧的血细胞出口42，所述出口2为设置在所述分离区4中设置在中间的癌细胞出口41。
具体而言，图6中表A中的两个图表分别表示在选用不同流量以及各出口流量比时所述分离装置的分离效率；表A中采用渐变色表示所述分离装置的分离效率，根据表A可以得出，对于所述出口1和出口三3，所述分离装置的总流量和所述出口1、3的流量比对其分离效率影响不大；对于所述出口2来说，当所述实验装置大于等于6mL/h，且所述流量比大于10时，所述出口2具有较好的分离效率。
具体而言，图6中表B为所述实验装置选用不同流量以及所述不同流量比的情况下，所述出口2中富集因子含量表；表B中采用渐变色表示所述富集因子的含量，根据表B可以得出，当所述分离装置流量为9mL/h，所述流量比为10时，所述出口2中的富集因子含量达到最大，为1000。
综上所述，本实用新型分离装置选用9mL/h的总流量，所述流量比选用10。
实验例2
请参阅图7所示，其为本实用新型实验例在所述两注入口注入不同流体时5μm和15μm的荧光微球的荧光轨迹，其中红色代表5μm荧光微球，绿色代表15μm荧光微球。其中图A为本实验例所使用的分离装置结构示意图，图B为所述图A分离通道中两所述流体的荧光轨迹图，图C为两所述流体进入所述分离区4时的荧光轨迹图，图D为本实验例所述实验装置在使用不同流体情况下的分离效率。
具体而言，本实验例使用三组数据，分别为：
(1)注入口1注入纯水，注入口2中注入0.005wt％PEO；
(2)两所述注入口均注入0.005wt％PEO；
(3)两所述注入口均注入纯水。
其中，所述0.005wt％PEO为0.005％重量比的聚环氧乙烷，属于非牛顿流体。
请参阅图7中B所示，本实验例中在所述分离装置中每隔5mm进行一次荧光图像采集，用以测量所述两流体在管道中的混合状态；根据图B可得：(1)中5μm和15μm的荧光微球实现完全的分离，(2)中5μm和15μm的微球实现部分分离，分离效果较差。(3)中5μm和15μm的颗粒的分离效果最差。
请参阅图7中C所示，其为上述三组流体组合流至所述分离区4时各流体的荧光轨迹图；根据图C可得：(1)中两所述流体在流至所述分离区4时能够很好的对荧光微球进行分离，(2)中两所述流体在流至所述分离区4时能够较好的进行分离，但有少许5μm的荧光微球会流向中间出口，(3)中两所述流体在流至所述分离区4时不能对5μm和15μm荧光微球进行很好的分离。
请参阅图7中D所示，其为本实验例实验装置使用上述三组流体组合后的分离效率；根据图D可得：(1)中两所述流体能够对5μm和15μm荧光微球进行很好的分离，而(2)(3)中均出现5μm和15μm荧光微球混合的情况。
综上所述，本实用新型分离装置中在所述注入口1中注入牛顿流体，在所述注入口2中注入非牛顿流体。
实验例3
请参阅图8所示，其为本实用新型实验例分离血液中癌细胞的荧光轨迹图。在进行分离时，在所述分离装置上设置四处荧光传感器，用以观测两所述流体的混合状态，其分别设置在：
1，所述血液注入区1与所述非牛顿流体注入区2汇合处；
2，所述分离通道3前端；
3，所述分离通道3后端；
4，所述分离通道3末端与所述分离区4的连接处。
所述流体组合分别为：
(1)注入口1注入含有MCF-7细胞的血液，注入口2注入0.05wt％PEO；
(2)注入口1注入含有HepG2细胞的血液，注入口2注入0.05wt％PEO；
(3)注入口1注入含有HepG2细胞血液与0.05wt％PEO的混合液，注入口2注入0.05wt％PEO；
(4)注入口1注入含有HepG2细胞的血液，注入口2注入PBS；
其中MCF-7为乳腺癌细胞，HepG2为肝癌细胞，PBS为磷酸缓冲盐溶液。
根据图8中四种流体组合的荧光轨迹可以得出：
(1)中两所述流体能够进行很好的分离，能够分离血液中的癌细胞；
(2)中两所述流体能够进行很好的分离，能够分离血液中的癌细胞；
(3)中两所述流体无法进行分离，无法分离血液中的癌细胞；
(4)中两所述流体无法进行分离，无法分离血液中的癌细胞：
综上所述，在分离血液中的癌细胞时，应在所述注入口2中注入0.05wt％PEO。
实验例4
请参阅图9所示，其为本实验例所述分离装置中血球容积比对分离效率的影响，其中图A为全血稀释不同倍数后界面效应对血细胞的拦截效果，对应的观察区为所述分离通道3的末端，图B为PEO浓度、全血稀释倍数对分离效率的影响，图C为所述分离装置中流量比对分离效率的影响。
请参阅图9中A所示，其为所述非牛顿流体为0.005wt％PEO溶液，当血液未稀释时(血球容积比为45％)，界面效应不能拦截血细胞，血细胞充满整个通道；所述全血稀释10倍时(血球容积比为4.5％)，部分血细胞均被界面拦截；当血液稀释50倍时(血球容积比为0.9％)，所有的血细胞均被界面拦截。
请参阅图9中B所示，其为PEO浓度和全血稀释倍数对分离效率的影响示意图，根据图B可得，当PEO浓度为0.05wt％时，可在不稀释血液时取得最大的分离效率。
请参阅图9中C所示，其为流量比对分离效率的影响，总流速为9ml/h，根据图C可得，当流量比为20时，对所述大颗粒的分离效率达到最大。
综上所述，所述非牛顿流体选用0.05wt％PEO，且所述流量比为20，此时所述分离装置的而分离效率达到最大。
实验例5
请参阅图10所示，其为本实用新型实验例分离带有癌细胞血液的微观图，其中图A为所述带有癌细胞血液在注入所述分离装置前的微观图；图B为所述血液经过分离后所述出口1和出口3处的微观图；图C为所述血液中癌细胞为HepG2细胞时，分离后所述出口2处的微观图；图D为所述血液中癌细胞为MCF-7细胞时，分离后所述出口2处的微观图；图E为所述分离装置分离血液后的各项参数；图F为所述血液分离前后的实物图。
根据图10可得，本实用新型能够有效分离所述血液中的癌细胞，且不会对血液造成污染和损坏。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本实用新型的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本实用新型的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本实用新型的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于界面效应的癌细胞分离装置，其特征在于，所述分离装置利用癌细胞在血液和非牛顿流体界面位置同时受到方向相反的惯性力和粘弹性力，尺寸较大的癌细胞受到的惯性力比尺寸较小的血细胞受到的惯性力更大，并以此将所述癌细胞从血液中分离出来，包括：
用以注入和输送所述血液的血液注入区；
用以注入和输送所述非牛顿流体的非牛顿流体注入区；
设置在所述血液注入区末端并与其相连，用以对所述血液和非牛顿流体进行汇流并分离其中癌细胞的分离通道；
与所述分离通道末端相连，用以分离所述血液和非牛顿流体的分离区。
2.根据权利要求1所述的基于界面效应的癌细胞分离装置，其特征在于，所述血液注入区包括：
用以注入所述血液的血液注入口；
与所述血液注入口相连，用以输送所述血液的血液连通管道；
设置在所述血液连通管道末端，用以对所述血液进行分流的分流区。
3.根据权利要求2所述的基于界面效应的癌细胞分离装置，其特征在于，所述分流区为一环形通道，包括：
至少两个与所述血液连通管道末端相连，用以分流所述血液的分流通道；
分别设置在所述分流通道末端并与其相连，用以输送所述血液的输送通道；
分别设置在所述输送通道末端，用以将所述分流的血液汇流的汇流通道。
4.根据权利要求3所述的基于界面效应的癌细胞分离装置，其特征在于，两所述分流通道的夹角与所述汇流通道的夹角均可以为锐角、直角或钝角，且所述分流通道夹角的角平分线和汇流通道夹角的角平分线均与所述血液连通管道重合。
5.根据权利要求3所述的基于界面效应的癌细胞分离装置，其特征在于，所述输送通道可以为一段的直线或弧线通道，也可以为多段的直线或弧线通道。
6.根据权利要求3所述的基于界面效应的癌细胞分离装置，其特征在于，所述非牛顿流体注入区被所述分流区包围在内部，包括：
用以注入所述非牛顿流体的非牛顿流体注入口；
与所述非牛顿流体注入口相连，且与所述血液连通管道在同一直线上，用以输送所述非牛顿流体的非牛顿流体连通管道，所述非牛顿流体连通管道的末端与所述汇流通道末端相连。
7.根据权利要求3所述的基于界面效应的癌细胞分离装置，其特征在于，所述分离通道为直通道，分离通道连接所述汇流通道的末端和所述分离区的前端。
8.根据权利要求1所述的基于界面效应的癌细胞分离装置，其特征在于，所述分离区包括：
至少两个用以排出血细胞的血细胞出口；
设置在所述血细胞出口中间空隙处，用以排出癌细胞的癌细胞出口；
至少两个设置在所述血细胞出口和癌细胞出口之间空隙处，用以排出中等尺寸颗粒的中颗粒出口。
9.根据权利要求1-8任一项权利要求所述的基于界面效应的癌细胞分离装置，其特征在于，所述非牛顿流体为纯水与高分子聚合物的混合液。
10.根据权利要求1-8任一项权利要求所述的基于界面效应的癌细胞分离装置，其特征在于，所述癌细胞分离装置为设置在微流控芯片上的凹槽或凹口，也可以为独立的管路。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201821174077.0U CN209383761U (zh) | 2018-07-24 | 2018-07-24 | 基于界面效应的癌细胞分离装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201821174077.0U CN209383761U (zh) | 2018-07-24 | 2018-07-24 | 基于界面效应的癌细胞分离装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN209383761U true CN209383761U (zh) | 2019-09-13 |
Family
ID=67868670
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201821174077.0U Expired - Fee Related CN209383761U (zh) | 2018-07-24 | 2018-07-24 | 基于界面效应的癌细胞分离装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN209383761U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109055181A (zh) * | 2018-07-24 | 2018-12-21 | 国家纳米科学中心 | 基于界面效应的癌细胞分离装置 |
-
2018
- 2018-07-24 CN CN201821174077.0U patent/CN209383761U/zh not_active Expired - Fee Related
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109055181A (zh) * | 2018-07-24 | 2018-12-21 | 国家纳米科学中心 | 基于界面效应的癌细胞分离装置 |
| CN109055181B (zh) * | 2018-07-24 | 2024-09-24 | 国家纳米科学中心 | 基于界面效应的癌细胞分离装置 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN109580323B (zh) | 一种螺旋形微通道及其使用方法与串、并联安装结构 | |
| CN109055181A (zh) | 基于界面效应的癌细胞分离装置 | |
| CN107213929B (zh) | 一种基于界面效应的微纳颗粒分离系统 | |
| CN110044800B (zh) | 基于微流控三维聚焦技术的流式细胞仪 | |
| CN112538428B (zh) | 基于液滴微流控技术的微流控芯片及其检测方法 | |
| CN205235997U (zh) | 基于集成微通道的单组份/多组份液滴制备装置 | |
| CN109012355B (zh) | 一种适用于不同体积污水的可调式搅拌池 | |
| CN113333040B (zh) | 一种利用振荡流的高集成度微纳颗粒汇聚微流控装置 | |
| CN104588139A (zh) | 一种制备微球的微流控芯片及使用方法 | |
| CN209383761U (zh) | 基于界面效应的癌细胞分离装置 | |
| CN108443239A (zh) | 一种多功能静态引射装置 | |
| CN102179064B (zh) | 微流控双水相环隙流萃取技术及装置 | |
| CN111690508B (zh) | 一种多功能单元集成稀有肿瘤细胞多级分选器件 | |
| CN111778159B (zh) | 一种细胞用多级分选微流控芯片 | |
| CN107099450A (zh) | 一种用于循环肿瘤细胞分离的微流控芯片，一种循环肿瘤细胞分离方法以及计数方法 | |
| CN106031846A (zh) | 一种中空纤维超滤膜的应用及水气分离性能测试装置 | |
| CN105866126B (zh) | 一种多相流近壁效应实时监测装置 | |
| CN105087377B (zh) | 一种恒流注射泵系统及细胞磁分选装置 | |
| CN208667161U (zh) | 一种基于多相流气浮的防堵塞溶气释放系统 | |
| CN107123354B (zh) | 分选花形微粒载体的吸入器、呼吸道及肺部模型设备集成 | |
| CN109012207A (zh) | 一种循环肿瘤细胞富集的错流过滤系统 | |
| US20240084233A1 (en) | In vitro analysis diagnostic instrument, and microfluidic chip and method for sorting and enriching circulating tumor cells | |
| CN208123131U (zh) | 一种多功能静态引射装置 | |
| CN205109890U (zh) | 一种闭式离心机排气装置 | |
| CN208389793U (zh) | 一种血浆微滤结构及其涡流管结构 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20190913 |