CN107746794B - 一种细胞分离装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种细胞分离装置，包括多级微流控芯片，多级微流控芯片包括第一通道、第二通道和第三通道，第一通道与所述第二通道组成第一通路，第一通道与所述第三通道组成第二通路，第一通道的一端设置有第一输入口，第二通道的一端设置有第二输入口，第二通道的另一端设置有第一输出口、第二输出口，第三通道的一端设置有第三输入口，第三通道的另一端设置有第三输出口、第四输出口。本发明还提供了使用该细胞分离装置进行细胞分离的方法。本发明在血细胞分离装置中采用了多级微流控芯片，可以实现四种细胞的同时分离，通量高，速度快，分离后的细胞活性不受影响，且成本低、操作简便，易于推广。

Description

一种细胞分离装置
技术领域
本发明涉及医疗器械领域，特别涉及一种细胞分离装置。
背景技术
癌症相关死亡率在过去几十年稳步增加，仍然是人类死亡的主要原因。世界卫生组织(WHO)进行的一项研究发现，如果癌症患者在转移性癌症发生前被诊断和治疗，至少有30％的死亡率是可预防的。当循环肿瘤细胞(CTCs)从原发性或转移性肿瘤分离并流入外周血流时，肿瘤发生转移。CTCs由澳大利亚医师Thomas Ashworth于1869年首次确定。由于癌症患者外周血中CTCs发生频率低，准确计数难度较大，因此不广泛用于诊断和治疗。CTCs在转移过程中的潜在作用尚未完全清楚。因此，为了促进癌症诊断，预后和治疗，迫切需要有效和准确的CTCs 计数和表征方法。
在过去二十年中，许多研究人员探索了高效可靠的CTCs分离***。开发了基于细胞生物学特性的生物学技术如生物标志物的特定表达，或物理性质如 CTCs的大小和可变形能力，以高产量和高纯度将全血中的CTCs与全血分离。最常用的生物学方法之一是基于抗体的技术(包括FDA批准的CellSearch***， Veridex)。
CellSearch***使用抗EpCAM(上皮细胞粘附分子，特异于人乳腺癌细胞) 共轭磁珠来用于CTCs的免疫磁捕获和分离。该***被认为是CTCs分离和计数的黄金标准。然而，考虑到上皮间质转化(EMT)的存在以及不同类型肿瘤细胞上EpCAM表达水平的变化，在分离过程中可能会损失一部分CTCs。因此，不能高精度地实现CTCs的分离和计数。此外，为了对收集的循环肿瘤细胞进行后续研究，收集完整的细胞而不加标签的技术更有吸引力。
常用的另一类方法是无标签分离的CTCs，包括微流控过滤器、惯性聚焦、声学、光学和介电电泳(DEP)。这些方法利用了CTCs比正常血细胞更大和更硬的特性。然而，这些方法也有其局限性。声学，光学和介电电泳(DEP) 需要额外的工作场和更长的处理时间，而目前的惯性聚焦方法仅能将一种CTC 与正常血细胞分离，且专一性较强，特定装置仅能实现特定大小的细胞的分离。
发明内容
本发明提供了一种细胞分离装置，利用了流体在微米尺度下的性质，即在微米尺度下，流体形成层流，不同大小的颗粒在层流中因惯性升力和Dean拽力的平衡，占有各自不同的平衡位置，能够简单、高通量、高效率地分离细胞。
为了实现本发明的目的，本发明的一个方面提供了一种细胞分离装置及一种分离细胞的方法。在一个具体实施方式中，一种细胞分离装置，其特征在于，一种细胞分离装置，其特征在于，包括多级微流控芯片，多级微流控芯片包括第一通道、第二通道和第三通道，第一通道的一端设置有第一输入口，第二通道的一端设置有第二输入口，第二通道的另一端设置有第一输出口、第二输出口，第三通道的一端设置有第三输入口，第三通道的另一端设置有第三输出口、第四输出口。
进一步地，多级微流控芯片的第一通道和第二通道为螺旋形单导管通道，多级微流控芯片的第三通道前半部分为Z型单导管通道、后半部分为半圆形单导管通道，第三通道的前半部分为连接至第三注射泵的部分。
进一步地，第一通道还包括第一分叉口；第一输入口位于第一通道的最内层；
第一分叉口位于第一通道的最外层，第一通道在第一分叉口通过管道分别与第二通道、第三通道相连，与第二通道相连的管道位于远离第一通道的中心的一侧，与第三通道相连的管道位于靠近第一通道的中心的一侧。
进一步地，第二通道还包括第二分叉口、第三分叉口；第二分叉口位于第二通道的最外层，第二通道在第二分叉口通过管道分别与第二输入口、第一通道相连；第三分叉口位于第二通道的最内层，第三分叉口具有第一输出口、第二输出口，第一输出口位于远离第二通道的中心的一侧，第二输出口位于靠近第二通道的中心一侧。
进一步地，第三通道还包括第四分叉口、第五分叉口；第四分叉口位于第三通道的Z型单导管通道的一端，第三通道在第四分叉口通过管道分别与第三输入口、第一通道相连；第五分叉口位于第三通道的半圆形单导管通道的一端，第三通道在第五分叉口具有第三输出口、第四输出口，第三输出口位于远离半圆形单导管通道的圆心的一侧，第四输出口位于靠近半圆形单导管通道的圆心的一侧。
进一步地，第一通道、第二通道、第三通道的横截面为矩形。
进一步地，多级微流控芯片的第一通道、第二通道、第三通道位于同一水平面。
进一步地，细胞分离装置还包括注射泵控制器、第一注射泵、第二注射泵、第三注射泵；第一输入口通过塑料导管与第一注射泵相连，第二输入口通过塑料导管与第二注射泵相连，第三输入口通过塑料导管与第三注射泵相连，注射泵控制器通过塑料导管分别与第一注射泵、第二注射泵、第三注射泵相连；第一注射泵注射的液体为待分离的样品，第二注射泵、第三注射泵注射的液体为缓冲液。
进一步地，第一注射泵、第二注射泵、第三注射泵的流速由注射泵控制器控制。
本发明的另一个方面，提出了一种新的分离细胞的方法，使用如上所述的细胞分离装置，能同时分离四种细胞，样品首先进入第一通道并形成层流，通过惯性升力和Dean拽力的平衡将细胞根据直径大小分为第一细胞部分和第二细胞部分；第一细胞部分包含体积较小的两种细胞，第二细胞部分包含体积较大的两种细胞，在第一分叉口，第一细胞部分进入第二通道，第二细胞部分进入第三通道；在第二通道，通过惯性升力和Dean拽力将第一细胞部分中的两种直径不同的细胞分离，并通过第一输出口和第二输出口输出两种细胞；在第三通道，第二细胞部分在Z型单导管通道内受力平衡，聚焦在通道中间，在半圆形单导管通道内，通过离心力和 Dean拽力将第二细胞部分中两种直径不同的细胞分离，并通过第三输出口和第四输出口输出两种细胞。
本发明的细胞分离装置，首次将不同形状的微流控通道结合在一个微流控芯片上，形成多级惯性聚焦微流控芯片，以前并没有相关文献和专利发表。使用该多级惯性聚焦微流控芯片，仅利用流体的力学特性就能实现多种不同大小细胞的同时连续分离，分离效率高、精度高。
使用该细胞分离装置分离细胞时，样品只需要进行常规离心，去除上清液，使用缓冲液重悬后即可进行分离，不需要对细胞进行修饰(如赋予免疫磁珠)，在分离过程仅利用流体的力学特性，不需要利用外加工作场(如电场、磁场)，简化了分离方法，通过多级微流控芯片分离得到的细胞活性不收影响，可以得到完整的细胞，分离出的细胞可用于进一步研究。其中，通过注射泵控制器精确控制注射泵的流速，可以灵活实现不同大小的血细胞的分离。
此外，多级惯性聚焦微流控芯片成本低，降低了分离细胞的费用。
以下将结合附图对本发明的构思、具体步骤及产生的技术效果做进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1为本发明实施例提供的血细胞分离装置的示意图。
图2为本发明实施例提供的多级微流控芯片的通道结构示意图。
图3为本发明实施例提供的多级微流控芯片的通道平面示意图。
图4为本发明实施例提供的血细胞在第三通道中的受力分析图。
图5为本发明实施例提供的各输出口输出细胞的流式细胞图。
图中标示如下：
1多级微流控芯片，2注射泵控制器，3第一注射泵，4第二注射泵，5第三注射泵；
11第一通道，12第二通道，13第三通道；
111第一输入口，112第一分叉口，121第二输入口，122第二分叉口，123第三分叉口，124第一输出口，125第二输出口，131第三输入口，132第四分叉口，133第五分叉口，134第三输出口，135第四输出口。
具体实施方式
实施例1 细胞分离装置
一种细胞分离装置，如图1所示，包括多级微流控芯片1、注射泵控制器2、第一注射泵3、第二注射泵4、第三注射泵5。
如图1所示，注射泵控制器2通过塑料导管分别与第一注射泵3、第二注射泵 4、第三注射泵5相连，塑料导管的外部直径为1mm，内部直径为0.8mm。
如图2和图3所示，多级微流控芯片1包括第一通道11、第二通道12和第三通道13，第一通道11与第二通道12组成第一通路，第一通道11与第三通道13 组成第二通路。第一通道11和第二通道12为螺旋形单导管通道，多级微流控芯片 1的第三通道13前半部分为Z型单导管通道、后半部分为半圆形单导管通道。
如图1和图2所示，第一通道11还包括第一分叉口112；第一输入口111位于第一通道11的最内层，第一输入口111通过塑料导管与第一注射泵3相连，塑料导管的外部直径为1mm，内部直径为0.8mm；第一分叉口112位于第一通道11 的最外层，第一分叉口112将第一通道11的最外层末端分成两路，通过管道分别与第二通道12、第三通道13相连，与第二通道12相连的管道位于远离第一通道 11的中心的一侧，与第三通道13相连的管道位于靠近第一通道11的中心的一侧。
如图1和图2所示，第二通道12还包括第二分叉口122、第三分叉口123；第二分叉口122位于第二通道12的最外层，第二分叉口122将第二通道12的最外层末端分为两路，一路通过管道与第二输入口121相连，另一路通过管道与第一通道 11相连；第二输入口121通过塑料导管与第二注射泵4相连，塑料导管的外部直径为1mm，内部直径为0.8mm；第三分叉口123位于第二通道12的最内层，第三分叉口123将第二通道12的最内层末端分为两路，一路上具有第一输出口124，另一路上具有第二输出口125，具有第一输出口124的一路位于远离第二通道12 的中心的一侧，具有第二输出口125的一路位于靠近第二通道12的中心一侧。
如图1、2所示，第三通道13还包括第四分叉口132、第五分叉口133；第四分叉口132位于第三通道13的Z型单导管通道的末端，第四分叉口132将第三通道13的Z型单导管通道的末端分为两路，一路通过管道与第三输入口131相连，另一路通过管道与第一通道11相连；第三输入口131通过塑料导管与第三注射泵 5相连，塑料导管的外部直径为1mm，内部直径为0.8mm；第五分叉口133位于第三通道13的半圆形单导管通道的末端，第五分叉口133将第三通道13的半圆形单导管通道的末端分为两路，一路上具有第三输出口134，另一路上具有第四输出口135，具有第三输出口134的一路位于远离半圆形单导管通道的圆心的一侧，具有第四输出口135的一路位于靠近半圆形单导管通道的圆心的一侧。
第一通道11、第二通道12、第三通道13的横截面为矩形。
多级微流控芯片1的第一通道11、第二通道12、第三通道13位于同一水平面。
第一通道11的横截面为矩形，尺寸为300×80μm；第二通道12横截面为矩形，尺寸为600×80μm；第三通道13的横截面为矩形，尺寸为200×80μm，半圆形单导管通道的半径为6mm。
第一注射泵3注射的液体为待分离的样品，第二注射泵4、第三注射泵5注射的液体为缓冲液。第一注射泵3、第二注射泵4、第三注射泵5的流速由注射泵控制器2控制。
实施例2 分离细胞的方法
本实施例中需要分离血液中的人乳腺癌细胞(MCF-7)、人肺癌细胞(A549)、红细胞和白细胞。
在另外的实施例中，通过调节注射泵的流速或者芯片的尺寸，还可以分离其他细胞。
1.血液样品的准备
将1mL血液，400g离心20min，温度为20℃，降速为5g/s，取200μL中性粒细胞和红细胞，于800μL细胞冻存液中重悬，在-80℃冰箱中保存备用。
2.血细胞分离
将复苏的白细胞和红细胞和人肺癌细胞(A549)和人乳腺癌细胞(MCF-7) 按5×105/mL，5×105/mL，2×104/mL，and4×104/mL用生理盐水溶液悬浮配制4ml 细胞悬浮液，将其通过第一注射泵3注入第一输入口111，将10ml 0.09％生理盐水通过第二注射泵4注入第二输入口121，将10ml 0.09％生理盐水通过第三注射泵5注入第三输入口131。第一注射泵3的流速设定为2mL/min，第二注射泵4、第三注射泵5的流速设定为1.2mL/min。血液中的四种细胞：红细胞、白细胞、人乳腺癌细胞(MCF-7)和人肺癌细胞(A549)经第一通道11分离之后，在第一分叉口112白细胞和红细胞进入连接第二通道12的管道，人乳腺癌细胞(MCF-7) 和人肺癌细胞(A549)进入连接第三通道13的管道。经过第二通道12分离之后，在第三分叉口123，红细胞进入第一输出通道126后由第一输出口124输出，白细胞进入第二输出通道127后由第二输出口125输出。经过第三通道13分离之后，在第五分叉口133，人乳腺癌细胞(MCF-7)由第四输出口135输出，人肺癌细胞 (A549)由第三输出口134输出。1mL的血液可以在30min内分离完毕，收集各输出口输出细胞及为分离细胞制得流式细胞图图5。图5中A为对照组，是未分离细胞的流式细胞图，其中红细胞占总体的35.16％，白细胞占总体的50.23％，人肺癌细胞(A549)占总体的5.57％，人乳腺癌细胞(MCF-7)占总体的8.02％；图5中B为第一输出口输出细胞的流式细胞图，其中红细胞占总体的94.78％；图5中 C为第二输出口输出细胞的流式细胞图，其中红细胞占总体的15.92％，白细胞占总体的80.79％；图5中D为第三输出口输出细胞的流式细胞图，其中人肺癌细胞 (A549)占总体的75.04％；图5中E为第四输出口输出细胞的流式细胞图，其中人乳腺癌细胞(MCF-7)占总体的84.4％；图5中F为根据未分离细胞及各输出口输出细胞中四种细胞占总体百分比制得的条形图，每组中从左至右四种条形对应的细胞依次为红细胞、白细胞、人肺癌细胞(A549)、人乳腺癌细胞(MCF-7)，由以上结果可得出细胞分离率大于75％。
3 血细胞在多级微流控芯片中的受力分析
本发明中，利用了流体在微米尺度下的性质，实现了四种不同大小细胞的连续分离。在微米尺度下，流体形成层流，不同大小的颗粒在层流中因惯性升力和Dean 拽力的平衡，占有各自不同的平衡位置。在第一通道11和第二通道12两个螺旋通道内细胞会受到惯性升力和Dean拽力。这两个力跟细胞的直径大小、流体的速度以及通道的横截面积有关。在速度和横截面一定的情况下，细胞的的平衡位置跟细胞的大小有关系。直径大的细胞占据靠近通道内侧的平衡位置，直径小的则占据远离内侧的平衡位置。
分离的四种细胞的直径大小从大到小依次为：人乳腺癌细胞(MCF-7)、人肺癌细胞(A549)、白细胞、红细胞。在第一通道11内，人乳腺癌细胞(MCF-7) 和人肺癌细胞(A549)占据靠近通道内侧的平衡位置，而红细胞和白细占据远离通道内侧的平衡位置。从而在第一分叉口112，人乳腺癌细胞(MCF-7)和人肺癌细胞(A549)流进第三通道13，红细胞和白细胞流进第二通道12。在第二通道 12内，通过第二注射泵4注射的缓冲液来改变流速，从而使白细胞和红细胞占据各自的平衡位置，白细胞占据靠近通道内侧的平衡位置，红细胞占据远离通道内侧的位置，从而，在第三分叉口123，红细胞进入第一输出通道后由第一输出口124输出，白细胞进入第二输出通道后由第二输出口125输出。
在第三通道13内，流速由第三注射泵5注射的缓冲液来改变。如图4所示，人乳腺癌细胞(MCF-7)和人肺癌细胞(A549)在Z型通道内因受力平衡，聚焦在通道中间。流入半圆形通道，在半圆形通道内细胞的平衡位置主要由离心力和 Dean拽力决定。当流速较低时，细胞保持原有的平衡位置，沿着通道的中间位置流动。随着流速的缓慢增加，离心力起主导作用，人肺癌细胞(A549)开始靠近通道内侧，人乳腺癌细胞(MCF-7)保持中间位置的平衡位置。当流速更大时， Dean拽力起主导作用，人乳腺癌细胞(MCF-7)开始靠近内侧，而人肺癌细胞(A549) 开始流向外侧，两细胞维持着各自的平衡位置，直至第五分叉口133。当第三注射泵5的流速设定为1.2mL/min时，经过分离后人乳腺癌细胞(MCF-7)由第四输出口135输出，人肺癌细胞(A549)由第三输出口134输出。
在本实施例中，三个形状不同基于惯性的微流体通道集成到一个芯片中，实现了血细胞中CTCs的基于大小、无标记、高通量和高效率的分离。本实施例中所展示的装置将多路通道集成到一个芯片上，同时分离出四种不同类型的细胞，即人乳腺癌细胞(MCF-7)，人肺癌细胞(A549)，红细胞和白细胞。研究结果表明，该设计简化了分离细胞的方法，具有较高的分离效率，可同时分离和收集四种类型的完整细胞，分离出的细胞可继续用于后续研究。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种细胞分离装置，其特征在于，包括多级微流控芯片，所述多级微流控芯片包括第一通道、第二通道和第三通道，所述第一通道和所述第二通道为螺旋形单导管通道，所述第三通道的前半部分为Z型单导管通道、后半部分为半圆形单导管通道；所述第一通道与所述第二通道组成第一通路，所述第一通道与所述第三通道组成第二通路，所述第一通道的一端设置有第一输入口，所述第二通道的一端设置有第二输入口，所述第二通道的另一端设置有第一输出口、第二输出口，所述第三通道的一端设置有第三输入口，所述第三通道的另一端设置有第三输出口、第四输出口，所述第一通道还包括第一分叉口；所述第一输入口位于所述第一通道的最内层；所述第一分叉口位于所述第一通道的最外层，所述第一通道在所述第一分叉口通过管道分别与所述第二通道、所述第三通道相连，所述与第二通道相连的管道位于远离所述第一通道的中心的一侧，所述与第三通道相连的管道位于靠近所述第一通道的中心的一侧；所述第二通道还包括第二分叉口、第三分叉口；所述第二分叉口位于所述第二通道的最外层，所述第二通道在所述第二分叉口通过管道分别与所述第二输入口、所述第一通道相连；所述第三分叉口位于所述第二通道的最内层，所述第三分叉口具有第一输出口、第二输出口，所述第一输出口位于远离所述第二通道的中心的一侧，所述第二输出口位于靠近所述第二通道的中心的一侧；所述第三通道的所述Z型单导管的一端设置有第四分叉口，所述第四分叉口通过导管分别与第三输出口、所述第一通道相连；所述第三通道的所述半圆形单导管通道的一端设置有第五分叉口，所述第五分叉口具有第三输出口、第四输出口，所述第三输出口位于远离所述半圆形单导管通道的圆心的一侧，所述第四输出口位于靠近所述半圆形单导管通道的圆心的一侧。
2.如权利要求1所述的细胞分离装置，其特征在于，所述第一通道、所述第二通道、所述第三通道的横截面为矩形。
3.如权利要求1所述的细胞分离装置，其特征在于，所述多级微流控芯片的所述第一通道、所述第二通道、所述第三通道位于同一水平面。
4.如权利要求1所述的细胞分离装置，其特征在于，所述装置还包括注射泵控制器、第一注射泵、第二注射泵、第三注射泵；所述第一输入口通过塑料导管与第一注射泵相连，所述第二输入口通过塑料导管与第二注射泵相连，所述第三输入口通过塑料导管与所述第三注射泵相连，所述注射泵控制器通过塑料导管分别与所述第一注射泵、所述第二注射泵、所述第三注射泵相连；所述第一注射泵注射的液体为待分离的样品，所述第二注射泵、所述第三注射泵注射的液体为缓冲液。
5.如权利要求4所述的细胞分离装置，其特征在于，所述第一注射泵、所述第二注射泵、所述第三注射泵的流速由所述注射泵控制器控制。
6.一种分离细胞的方法，其特征在于，使用如权利要求1－5任一项所述的细胞分离装置，能同时分离四种细胞，样品首先进入所述第一通道并形成层流，通过惯性升力和Dean拽力的平衡将细胞根据直径大小分为第一细胞部分和第二细胞部分；所述第一细胞部分包含体积较小的两种细胞，所述第二细胞部分包含体积较大的两种细胞，在所述第一分叉口，所述第一细胞部分进入所述第二通道，所述第二细胞部分进入所述第三通道；在所述第二通道，通过惯性升力和Dean拽力将所述第一细胞部分中的两种直径不同的细胞分离，并通过所述第一输出口和所述第二输出口输出两种细胞；在所述第三通道，所述第二细胞部分在Z型单导管通道内受力平衡，聚焦在通道中间，在半圆形单导管通道内，通过离心力和Dean拽力将所述第二细胞部分中两种直径不同的细胞分离，并通过所述第三输出口和所述第四输出口输出两种细胞。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023225100A1 (en) * 2022-05-17 2023-11-23 Ginkgo Bioworks, Inc. Mixer-tailed filtration microflutdic chip

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111763606B (zh) * 2020-06-18 2022-11-04 上海交通大学 从血液中无标记分离循环肿瘤细胞的惯性聚焦微流控芯片
US20230102204A1 (en) * 2021-09-30 2023-03-30 Water Bear Health Technology (Nantong) Co., LTD. Microfluidic chip and manufacture method thereof, and cell separation and single-cell western blotting method
CN115637257B (zh) * 2022-12-07 2023-04-14 翔鹏佑康(北京)科技有限公司 一种基于惯性聚焦微流控的循环肿瘤细胞筛选方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103977468A (zh) * 2014-05-26 2014-08-13 国家纳米科学中心 用于分离去除血液中循环肿瘤细胞和血小板的***及方法
CN104797340A (zh) * 2012-09-21 2015-07-22 麻省理工学院 微流体装置及其用途
CN105683750A (zh) * 2013-10-16 2016-06-15 明策生物医学科技私人有限公司 用于细胞检测和分离的微流体分拣器
CN107058060A (zh) * 2017-04-10 2017-08-18 东南大学 一种肿瘤细胞高通量分选富集微流控芯片

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104797340A (zh) * 2012-09-21 2015-07-22 麻省理工学院 微流体装置及其用途
CN105683750A (zh) * 2013-10-16 2016-06-15 明策生物医学科技私人有限公司 用于细胞检测和分离的微流体分拣器
CN103977468A (zh) * 2014-05-26 2014-08-13 国家纳米科学中心 用于分离去除血液中循环肿瘤细胞和血小板的***及方法
CN107058060A (zh) * 2017-04-10 2017-08-18 东南大学 一种肿瘤细胞高通量分选富集微流控芯片

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
High-Throughput Isolation of Circulating Tumor Cells Using Cascaded Inertial Focusing Microfluidic Channel;Aynur Abdulla et al.;《Anal. Chem.》;20180314;4397-4405 *
微流控芯片技术在循环肿瘤细胞分离中的研究进展;吕晓庆等;《生物化学与生物物理进展》;20151231;301-312 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023225100A1 (en) * 2022-05-17 2023-11-23 Ginkgo Bioworks, Inc. Mixer-tailed filtration microflutdic chip

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