CN102360010B - 一种全血癌细胞捕获集成微流控芯片 - Google Patents
一种全血癌细胞捕获集成微流控芯片 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种全血癌细胞捕获集成微流控芯片，包括依次连接的进口、红细胞裂解单元、白细胞捕获单元、癌细胞捕获单元和出口，所述的进口设有三个，所述的白细胞捕获单元包括第一分流器、软磁性微柱阵列和永磁体，所述的第一分流器与软磁性微柱阵列连接，所述的永磁体设在软磁性微柱阵列两侧，所述的癌细胞捕获单元包括依次连接的第二分流器和捕获微结构阵列。与现有技术相比，本发明具有集成化程度高、操作简单、细胞捕获效率高、制作工艺简单等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种微流控医疗诊断芯片，尤其是涉及一种全血癌细胞捕获集成微流控芯片。
背景技术
当今社会，各种疾病的威胁尤其是艾滋病、癌症等严重威胁着人类健康。而细胞研究对艾滋病、癌症等重大疾病的研究十分重要，提供一种方便、快捷的细胞捕获和检测方法将促进细胞生物学的发展。因此从全血中分离、捕获、检测癌细胞，对研究癌细胞的转移，术后判断等都具有重要意义。
随着微机电***(Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS)技术与生命科学、分析科学等学科的迅猛发展，生物MEMS(Bio-MEMS)技术以及基于Bio-MEMS技术的微全分析***(Micro Total Analysis System，μTAS)逐步成为人们的研究热点。微流控芯片把化学和生物等领域中所涉及的样品制备、反应、分离、检测，细胞培养、分选、裂解等基本操作单元集成在一块小芯片上，用以实现常规化学或生物实验室的各种功能，具有体积小、试剂使用量少、反应速度快、结果准确可靠及可抛弃等优点，在生物医疗、细胞检测等方面上有广泛的应用前景。
通过对现有技术的检索发现，Sethu P等在Anal Chem，2004，76(21)：6247-6253中利用软光刻技术，研制一种用于快速裂解红细胞的微流控芯片，实现了将血液中的红细胞完全裂解，这就消除了红细胞对癌细胞捕获的影响，为癌细胞的捕获奠定了基础。此芯片只是实现了红细胞的裂解，缺少具有更重要功能的后续设计。
胡锐军等在《功能材料与器件学报》，2011，17(2)：227-232中将磁珠技术与MEMS技术相结合，提出了一种等边三角排列的Ni微磁柱结构，在磁场作用下成功地实现了对结肠癌细胞和CD4细胞的捕获。该芯片使用的细胞是单一的纯细胞，不能应用于从全血中直接捕获癌细胞的研究。
Faley S等在Lab Chip，2008，8，1700-1712中利用440个18μm×18μm×10μm的聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)微结构捕获阵列成功地实现了对CD4+T细胞的捕获。该设计侧向2μm宽的微小狭缝使得PDMS在脱模时容易断裂，另外芯片对细胞的捕获的选择性不高，会将全血中的红细胞、白细胞和癌细胞同时捕获。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种集成化程度高、操作简单、细胞捕获效率高、制作工艺简单的全血癌细胞捕获集成微流控芯片。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种全血癌细胞捕获集成微流控芯片，其特征在于，包括依次连接的进口、红细胞裂解单元、白细胞捕获单元、癌细胞捕获单元和出口，所述的进口设有三个，所述的白细胞捕获单元包括第一分流器、软磁性微柱阵列和永磁体，所述的第一分流器与软磁性微柱阵列连接，所述的永磁体设在软磁性微柱阵列两侧，所述的癌细胞捕获单元包括依次连接的第二分流器和捕获微结构阵列；
全血、红细胞裂解液和含有白细胞表面抗原抗体磁珠的缓冲溶液分别从进口注入，全血和红细胞裂解液在红细胞裂解单元中充分混合后，全血中的红细胞被裂解；同时全血中的白细胞与含有白细胞表面抗原抗体的磁珠经充分混合结合在一起，在永磁体产生的磁场中，含有白细胞表面抗原抗体的磁珠与白细胞捕获单元中的软磁性微柱阵列结合来捕获白细胞；最终溶液中的癌细胞在流经癌细胞捕获单元时被捕获微结构阵列捕获，从而实现从全血中直接提取和捕获癌细胞的目的。
所述的进口为圆柱形空腔结构，所述的出口为圆柱形空腔结构。
所述的红细胞裂解单元为S形混合流道结构，该S形混合流道结构由多个半圆环首尾相连而成。
所述的第一分流器、第二分流器均由主流通道、第一分流结构和第二分流结构组成，溶液从主通道通过第一分流结构流入两个相同的次通道，再通过第二分流结构流入四个相同的分流通道。
所述的软磁性微柱阵列由软磁性微柱排列而成，每个软磁性微柱与周围六个紧邻软磁性微柱成等间距排列，并且每个软磁性微柱周围的六个紧邻微柱中心连线组成一个等边六角形。
所述的软磁性微柱采用铁镍合金或镍软磁性金属材料。
所述的捕获微结构阵列由捕获微结构交错排列而成，每列捕获微结构成等间距排列，每列中的捕获微结构成等间距排列，相邻两列错开一个捕获微结构宽度和一个捕获微结构间距之和的一半距离，即前排微结构中轴线与后排微结构间隙中轴线为同一条直线。
所述的捕获微结构的横截面呈U形，该U形两端为三角形结构。
所述的捕获微结构为双层结构，其下层的横截面呈U形，上层为U形底部单出口结构。
或所述的捕获微结构为双层结构，其下层的横截面呈U形，上层为U形底部与侧壁三出口结构。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、高度集成了红细胞裂解单元，白细胞捕获单元和癌细胞捕获单元，能够在芯片内部从全血中直接提取和捕获癌细胞，避免了片外操作和试样转移过程中的污染。
2、只需从进口分别注入全血、红细胞裂解液和含有白细胞表面抗原抗体磁珠的缓冲溶液，就能完成癌细胞的捕获，所需试样使用量少，反应速度快，操作简单。
3、癌细胞捕获单元采用两层结构，既避免了PDMS脱模容易被损坏的缺陷，同时又降低了捕获结构内的流阻，增加了细胞捕获效率。
4、在设计上综合考虑了三个单元的MEMS制备工艺，做到了芯片制备工艺的兼容性，制作工艺简单，易于批量化生产。
附图说明
图1为本发明的总体结构示意图；
图2为本发明的横截面示意图；
图3为S形混合流道结构示意图；
图4为分流器结构示意图；
图5为软磁性微柱阵列示意图；
图6为捕获微结构阵列示意图；
图7为单出口捕获微结构示意图；
图8为三出口捕获微结构示意图；
图1中标号为：
1、进口，2、红细胞裂解单元，3、白细胞捕获单元，4、癌细胞捕获单元，5、出口，31、第一分流器，32、软磁性微柱阵列，33、永磁体，41、第二分流器，42、捕获微结构阵列。
图2中标号为：
6、玻璃材料，7、镍或铁镍材料，8、聚二甲基硅氧烷材料。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1所示，一种全血癌细胞捕获集成微流控芯片，主要由进口1、红细胞裂解单元2、白细胞捕获单元3、癌细胞捕获单元4和出口5组成。
所述的进口1为三个，分别为全血进口、红细胞裂解液进口和含有白细胞表面抗原抗体磁珠的缓冲溶液进口。
如图2所示，所述的进口1为PDMS中的圆柱形空腔结构，直径为1.5mm，高度为3mm。
所述的进口1的中间进口的长为4mm，宽为100μm，高度为20μm的管道与两侧进口的长为3mm，宽为100μm，高度为20μm的管道共同交汇主管道。
所述的红细胞裂解单元2为S形混合流道结构。
如图3所示，所述的S形混合流道是由多个半圆环首尾相连而成，内半圆半径R1为150μm，外半圆半径R2为300μm，高度为20μm。
所述的S形混合流道为制备在材料PDMS上的。
所述的红细胞裂解单元前端通过一段长为2mm，宽为150μm，高度为20μm主管道与所述白细胞捕获单元连接。
所述的白细胞捕获单元主要由第一分流器31、软磁性微柱阵列32和永磁体33组成。
如图4所示，所述的第一分流器由主流通道、第一分流结构和第二分流结构组成。
溶液从宽度W1为150μm的主通道通过第一分流结构流入两个宽度W2均为100μm的次通道，再通过第二分流结构流入四个宽度W3均为50μm的分流通道。
如图5所示，所述的软磁性微柱阵列32由软磁性微柱排列而成。微柱的半径R3为50μm，高度为20μm，每个软磁性微柱与周围其他紧邻微柱成等间距排列，两个紧邻微柱中心间距L1为150μm。并且每个软磁性微柱周围的六个紧邻微柱中心连线组成一个等边六角形，边长L1为150μm。
所述的软磁性微柱阵列32为金属镍材料。
所述的永磁体33为长方体结构，长度为6mm，宽度为3mm，高度为4mm。
所述的癌细胞捕获单元4主要由第二分流器41和捕获微结构阵列42组成。
所述的第二分流器41与第一分流器31相同。
如图6所示，所述的捕获微结构阵列42由捕获微结构交错排列而成，微结构成等间距排列，间距X3和Y3均为20μm；相邻两列错开一个微结构宽度和一个微结构间距之和的一半距离，即错开间距为55μm。
所述的捕获微结构为U形结构，其两端为三角形结构。U形结构的宽度Y2为90μm，长度X4为70μm；U形结构线宽X2为20μm；U形两端三角形结构两直角边Y1为30μm，X1为20μm。
所述的捕获微结构为两层结构，其下层为U形结构，上层为U形底部单出口结构，如图7所示；或上层为U形底部和侧壁的三出口结构，如图8所示。
所述的捕获微结构下层的高度为17μm，上层高度为3μm。
所述的捕获微结构阵列42为金属镍材料。
所述的出口5为PDMS中的圆柱形空腔结构，直径为1.5mm，高度为3mm。
Claims (8)
1.一种全血癌细胞捕获集成微流控芯片，其特征在于，包括依次连接的进口、红细胞裂解单元、白细胞捕获单元、癌细胞捕获单元和出口，所述的进口设有三个，所述的白细胞捕获单元包括第一分流器、软磁性微柱阵列和永磁体，所述的第一分流器与软磁性微柱阵列连接，所述的永磁体设在软磁性微柱阵列两侧，所述的癌细胞捕获单元包括依次连接的第二分流器和捕获微结构阵列；
全血、红细胞裂解液和含有白细胞表面抗原抗体磁珠的缓冲溶液分别从进口注入，全血和红细胞裂解液在红细胞裂解单元中充分混合后，全血中的红细胞被裂解；同时全血中的白细胞与含有白细胞表面抗原抗体的磁珠经充分混合结合在一起，在永磁体产生的磁场中，含有白细胞表面抗原抗体的磁珠与白细胞捕获单元中的软磁性微柱阵列结合来捕获白细胞；最终溶液中的癌细胞在流经癌细胞捕获单元时被捕获微结构阵列捕获，从而实现从全血中直接提取和捕获癌细胞
所述的软磁性微柱阵列由软磁性微柱排列而成，每个软磁性微柱与周围六个紧邻软磁性微柱成等间距排列，并且每个软磁性微柱周围的六个紧邻微柱中心连线组成一个等边六角形；
所述的捕获微结构阵列由捕获微结构交错排列而成，每列捕获微结构成等间距排列，每列中的捕获微结构成等间距排列，相邻两列错开一个捕获微结构宽度和一个捕获微结构间距之和的一半距离，即前排微结构中轴线与后排微结构间隙中轴线为同一条直线。
2.根据权利要求1所述的一种全血癌细胞捕获集成微流控芯片，其特征在于，所述的进口为圆柱形空腔结构，所述的出口为圆柱形空腔结构。
3.根据权利要求1所述的一种全血癌细胞捕获集成微流控芯片，其特征在于，所述的红细胞裂解单元为S形混合流道结构，该S形混合流道结构由多个半圆环首尾相连而成。
4.根据权利要求1所述的一种全血癌细胞捕获集成微流控芯片，其特征在于，所述的第一分流器、第二分流器均由主流通道、第一分流结构和第二分流结构组成，溶液从主通道通过第一分流结构流入两个相同的次通道，再通过第二分流结构流入四个相同的分流通道。
5.根据权利要求1所述的一种全血癌细胞捕获集成微流控芯片，其特征在于，所述的软磁性微柱是铁镍合金或镍软磁性金属材料。
6.根据权利要求1所述的一种全血癌细胞捕获集成微流控芯片，其特征在于，所述的捕获微结构的横截面呈U形，该U形两端为三角形结构。
7.根据权利要求6所述的一种全血癌细胞捕获集成微流控芯片，其特征在于，所述的捕获微结构为双层结构，其下层的横截面呈U形，上层为U形底部单出口结构。
8.根据权利要求6所述的一种全血癌细胞捕获集成微流控芯片，其特征在于，所述的捕获微结构为双层结构，其下层的横截面呈U形，上层为U形底部与两侧壁三出口结构。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |