CN110272811B - 一种基于双柱捕获的单细胞表面部分区域磁化装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于双柱捕获的单细胞表面部分区域磁化装置及方法，装置包括玻璃基底层和PDMS通道层，PDMS通道层通过等离子清洗后与玻璃基底层键合；PDMS通道层包括设置在PDMS通道层上的一端设置有圆形入口腔、另一端设置有圆形出口腔的微流体直通道，在微流体直通道靠近圆形出口腔的一端还设置有具有一定间距的第一微柱和第二微柱。通过第一微柱和第二微柱拦截实现单个细胞的捕获，再结合细胞和磁性纳米颗粒的相互作用使细胞表面的部分区域附着磁性纳米颗粒。该装置可有选择性的在细胞表面的部分区域涂附上磁性纳米颗粒，使目标细胞的表面部分区域带有磁性，其余部分处于非磁性状态。

Description

一种基于双柱捕获的单细胞表面部分区域磁化装置及方法

技术领域

本发明涉及一种对细胞表面的部分区域附着磁性纳米颗粒的技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于双柱捕获的单细胞表面部分区域磁化装置及方法。

背景技术

微流控芯片近年来在各个领域中获得了越来越多的关注，比如：化学分析、单细胞分析、医疗诊断和组织工程等领域。它的优势在于简单快速的加工过程，缩短了分析时间，检测小容量样品的高灵敏度以及可实现多功能集成化等。而基于微流控芯片对生物颗粒或者细胞进行操控如筛选、分离、捕获与富集，在生物医疗、临床诊断、食物细菌检测以及环境监测等领域具有重要的影响，因而得到了众多学者的研究，微流控芯片越来越被人们熟知，微流控芯片又被称之为芯片实验室，该芯片可构建出不同的微通道形状对流体进行精确的控制，完成生物化学反应。同时具有体积小、所需样品少、利于集成等优点。

细胞磁性纳米颗粒吸附的方法通常是在一个容器中放入目标细胞和颗粒，然后在紫外线照射下进行搅拌，使磁性纳米颗粒均匀的分布在目标细胞的整个表面，耗时较长，且为使细胞和磁性纳米颗粒的黏附效果达到最好的状态，需寻找目标细胞和磁性纳米颗粒的用量比例,得到的细胞表面整个区域都有磁性纳米颗粒的粘附，即细胞表面所有区域都处于磁性状态。若单个细胞具有两种不同的状态，即一半具有磁性，一半无磁性，则可依据细胞的磁性状态采用简单的方式对其进行操控，例如使细胞一半受到磁力吸引，一半无磁力吸引，则整个细胞处于不平衡状态，可通过控制力的大小对细胞进行操控，产生旋转运动，利于细胞的观察分析。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种基于双柱捕获的单细胞表面部分区域磁化装置及方法。本发明通过设计微通道结构实现单细胞的捕获，再利用流体流动的特点在单细胞表面的部分区域粘附上些许磁性纳米颗粒，使细胞表面部分区域因吸附着磁性纳米颗粒而具有磁性，其余部分处于非磁性状态，从而实现单个细胞具有两种不同的状态，可以根据单个细胞表面不对等的状态对细胞进行不同的处理方法以及研究和分析。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于双柱捕获的单细胞表面部分区域磁化装置，包括玻璃基底层、PDMS通道层；所述PDMS通道层通过等离子清洗后与玻璃基底层键合；所述PDMS通道层包括：

设置在PDMS通道层上的一端设置有圆形入口腔、另一端设置有圆形出口腔的微流体直通道，在微流体直通道靠近圆形出口腔的一端还设置有具有一定间距的第一微柱和第二微柱。

进一步地，所述圆形入口腔通过导管连接液体注射泵。

进一步地，所述第一微柱和第二微柱均由大小相同的两个菱形柱子组成，在所述微流体直通道中充当障碍物，用于细胞的拦截。

进一步地，所述第一微柱和第二微柱之间的间距为D1，D1小于单细胞直径的大小；细胞随流体在所述微流体直通道中做层流流动，依据微流体流动理论和阻力作用，在所述第一微柱和第二微柱之间会卡住一个细胞，其余细胞随流体流走，从而实现单个细胞的捕获。

进一步地，单个细胞捕获后，细胞的部分区域处于所述第一微柱和第二微柱内侧，其余区域裸露在所述第一微柱和第二微柱的外侧，正对流体流动的方向，磁性纳米颗粒流入所述微流体直通道内后，依据胶体之间的相互作用，细胞和磁性纳米颗粒产生碰撞结合，裸露在所述第一微柱和第二微柱外侧的细胞表面粘附着磁性纳米颗粒，处于所述第一微柱和第二微柱内侧的细胞表面无颗粒粘附。

进一步地，单个细胞表面的部分区域因粘附着磁性纳米颗粒而具有磁性，处于所述第一微柱和第二微柱内侧的细胞表面因无磁性纳米颗粒粘附处于无磁性状态，从而实现一个细胞具有磁性和无磁性两种状态。

本发明还提供了一种基于双柱捕获的单细胞表面部分区域磁化方法，包括如下步骤：

步骤1、将细胞样品溶液放入离心管中通过离心处理，加入缓冲液，摇匀，重复多次，得到细胞悬液；将该细胞悬液以实验缓冲液稀释至所需浓度；

步骤2、将磁性纳米颗粒溶液放入离心管中通过离心处理，加入缓冲液，摇匀，重复多次，得到磁性纳米颗粒悬液；将该磁性纳米颗粒悬液以实验缓冲液稀释至所需浓度；

步骤3、通过注射泵抽入适量实验缓冲液，通过导管连接PDMS通道层上的圆形入口腔，注入微流体直通道中，排净微流体直通道中的空气，以防微通道中气泡的产生；

步骤4、通过注射泵抽入适量处理后的细胞悬液，通过导管连接PDMS通道层上的圆形入口腔，注入微流体直通道中。细胞随流体流动，根据微流体流动理论实现单个细胞的捕获，其余细胞随流体从圆形出口腔流出；

步骤5、通过注射泵抽入适量处理后的磁性纳米颗粒悬液，通过导管连接PDMS通道层上的圆形入口腔，注入微流体直通道中；磁性纳米颗粒随流体流动，在捕获单个细胞处可实现细胞表面的部分区域粘附磁性纳米颗粒，使一个细胞同时具有两种状态，即一半因吸附磁性纳米颗粒而具有磁性，另一半处于无磁性状态；其余磁性纳米颗粒随流体从圆形出口腔流出。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的基于双柱捕获的单细胞表面部分区域磁化装置，通过对微流体直通道的设计可以实现单个细胞的捕获，再利用流体流动的特点和细胞与磁性纳米颗粒的之间的相互作用可使细胞表面的部分区域上吸附着磁性纳米颗粒，使细胞表面部分区域因吸附着磁性纳米颗粒而具有磁性，其余部分处于非磁性状态，从而实现单个细胞具有两种不同的状态。

2、本发明提供的基于双柱捕获的单细胞表面部分区域磁化装置结构简单、加工方便，具有操作简单、自动化程度高等优点，可用于细胞生物学研究、疾病早期诊断与治疗和单个细胞的操控等领域。

基于上述理由本发明可在细胞检测等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明装置整体结构示意图。

图2为本发明装置PDMS通道层的结构示意图。

图中：1、玻璃基底层；2、PDMS通道层；3、圆形入口腔；4、微流体直通道；5、第一微柱；6、第二微柱；7、圆形出口腔。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

实施例1

如图1所示，本发明提供了一种基于双柱捕获的单细胞表面部分区域磁化装置，包括玻璃基底层1、PDMS通道层2；PDMS通道层2通过等离子清洗后与玻璃基底层1键合；

如图2所示，PDMS通道层2包括：设置在PDMS通道层2上的一端设置有圆形入口腔3、另一端设置有圆形出口腔7的微流体直通道4，在微流体直通道4靠近圆形出口腔7的一端还设置有具有一定间距的第一微柱5和第二微柱6，第一微柱5和第二微柱6均由大小相同的两个菱形柱子组成，在微流体直通道4中充当障碍物，用于细胞的拦截。第一微柱5和第二微柱6之间的间距为D1，D1小于单细胞直径的大小；细胞随流体在微流体直通道4中做层流流动，依据微流体流动理论和阻力作用，在第一微柱5和第二微柱6之间会卡住一个细胞，其余细胞随流体流走，从而实现单个细胞的捕获。单个细胞捕获后，细胞的部分区域处于第一微柱5和第二微柱6内侧，其余区域裸露在第一微柱5和第二微柱6的外侧，正对流体流动的方向，磁性纳米颗粒流入微流体直通道4内后，依据胶体之间的相互作用，细胞和磁性纳米颗粒产生碰撞结合，裸露在第一微柱5和第二微柱6外侧的细胞表面粘附着磁性纳米颗粒，处于第一微柱5和第二微柱6内侧的细胞表面无颗粒粘附。单个细胞表面的部分区域因粘附着磁性纳米颗粒而具有磁性，处于第一微柱5和第二微柱6内侧的细胞表面因无磁性纳米颗粒粘附处于无磁性状态，从而实现一个细胞具有磁性和无磁性两种状态。

实施例2

在实施例1的基础上，本发明还提供了一种基于双柱捕获的单细胞表面部分区域磁化方法，包括如下步骤：

步骤1、将细胞样品溶液放入离心管中通过离心处理，加入缓冲液，摇匀，重复多次，得到细胞悬液；将该细胞悬液以实验缓冲液稀释至所需浓度；

本实施例中，将微藻细胞1ml样品溶液放入离心管中通过离心处理，加入PBS缓冲液，摇匀，重复三次，得到细胞悬液。然后加入PBS缓冲液将该细胞悬液稀释至所需浓度。

步骤2、将磁性纳米颗粒溶液放入离心管中通过离心处理，加入缓冲液，摇匀，重复多次，得到磁性纳米颗粒悬液；将该磁性纳米颗粒悬液以实验缓冲液稀释至所需浓度；

本实施例中，将磁性纳米颗粒10ul样品溶液放入离心管中通过离心处理，加入缓冲液，摇匀，重复两次，得到磁性纳米颗粒悬液。将该磁性纳米颗粒悬液以实验缓冲液稀释至所需浓度。

步骤3、通过注射泵抽入适量实验缓冲液，通过导管连接PDMS通道层2上的圆形入口腔3，注入微流体直通道4中，排净微流体直通道4中的空气，以防微流体直通道4中气泡的产生；液体流速不宜过大也不宜过小，流速过大会导致通道内气压瞬间增大，从而破坏PDMS通道层2与玻璃基底层1的键合。反之如果流速过小会使注液的大量时间浪费在导管中。

本实施例中，注射泵中抽入适量PBS缓冲液，通过导管连接PDMS通道层2上的圆形入口腔3，注入微流体直通道4中，从圆形出口腔7中流出，排净注入微流体直通道4中的空气，以防注入微流体直通道4中气泡的产生。同时冲筛微流体直通道4，防止细胞粘附通道壁。

步骤4、通过注射泵抽入适量处理后的细胞悬液，通过导管连接PDMS通道层(2)上的圆形入口腔(3)，注入微流体直通道(4)中；通过调节流体速度，细胞随流体流动，根据微流体流动理论在第一微柱5和第二微柱6处实现单个细胞的捕获，其余细胞随流体从圆形出口腔(7)流出；

步骤5、通过注射泵抽入适量处理后的磁性纳米颗粒悬液，通过导管连接PDMS通道层2上的圆形入口腔3，注入微流体直通道4中；磁性纳米颗粒随流体流动，在被捕获的单个细胞处实现单个细胞表面的部分区域粘附磁性纳米颗粒，使一个细胞同时具有两种状态，即一半因吸附磁性纳米颗粒而具有磁性，另一半处于无磁性状态；其余磁性纳米颗粒随流体从圆形出口腔7流出。

通过以上步骤可完成对单个微藻细胞表面的部分区域的磁性纳米颗粒的有效附着。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种基于双柱捕获的单细胞表面部分区域磁化装置实现的单细胞表面部分区域磁化方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、将细胞样品溶液放入离心管中通过离心处理，加入缓冲液，摇匀，重复多次，得到细胞悬液；将该细胞悬液以实验缓冲液稀释至所需浓度；

步骤2、将磁性纳米颗粒溶液放入离心管中通过离心处理，加入缓冲液，摇匀，重复多次，得到磁性纳米颗粒悬液；将该磁性纳米颗粒悬液以实验缓冲液稀释至所需浓度；

步骤3、通过注射泵抽入适量实验缓冲液，通过导管连接PDMS通道层(2)上的圆形入口腔(3)，注入微流体直通道(4)中，排净微流体直通道(4)中的空气，以防微流体直通道(4)中气泡的产生；

步骤4、通过注射泵抽入适量处理后的细胞悬液，通过导管连接PDMS通道层(2)上的圆形入口腔(3)，注入微流体直通道(4)中；细胞随流体流动，根据微流体流动理论实现单个细胞的捕获，其余细胞随流体从圆形出口腔(7)流出；

步骤5、通过注射泵抽入适量处理后的磁性纳米颗粒悬液，通过导管连接PDMS通道层(2)上的圆形入口腔(3)，注入微流体直通道(4)中；磁性纳米颗粒随流体流动，在捕获单个细胞处可实现细胞表面的部分区域粘附磁性纳米颗粒，使一个细胞同时具有两种状态，即一半因吸附磁性纳米颗粒而具有磁性，另一半处于无磁性状态；其余磁性纳米颗粒随流体从圆形出口腔(7)流出；

所述基于双柱捕获的单细胞表面部分区域磁化装置，包括玻璃基底层(1)、PDMS通道层(2)；所述PDMS通道层(2)通过等离子清洗后与玻璃基底层(1)键合；所述PDMS通道层(2)包括：

设置在PDMS通道层(2)上的一端设置有圆形入口腔(3)、另一端设置有圆形出口腔(7)的微流体直通道(4)，在微流体直通道(4)靠近圆形出口腔(7)的一端还设置有具有一定间距的第一微柱(5)和第二微柱(6)。

2.根据权利要求1所述的单细胞表面部分区域磁化方法，其特征在于，所述圆形入口腔(3)通过导管连接液体注射泵。

3.根据权利要求1所述的单细胞表面部分区域磁化方法，其特征在于，所述第一微柱(5)和第二微柱(6)均由大小相同的两个菱形柱子组成，在所述微流体直通道(4)中充当障碍物，用于细胞的拦截。

4.根据权利要求1所述的单细胞表面部分区域磁化方法，其特征在于，所述第一微柱(5)和第二微柱(6)之间的间距为D1，D1小于单细胞直径的大小；细胞随流体在所述微流体直通道(4)中做层流流动，依据微流体流动理论和阻力作用，在所述第一微柱(5)和第二微柱(6)之间会卡住一个细胞，其余细胞随流体流走，从而实现单个细胞的捕获。

5.根据权利要求4所述的单细胞表面部分区域磁化方法，其特征在于，单个细胞捕获后，细胞的部分区域处于所述第一微柱(5)和第二微柱(6)内侧，其余区域裸露在所述第一微柱(5)和第二微柱(6)的外侧，正对流体流动的方向，磁性纳米颗粒流入所述微流体直通道(4)内后，依据胶体之间的相互作用，细胞和磁性纳米颗粒产生碰撞结合，裸露在所述第一微柱(5)和第二微柱(6)外侧的细胞表面粘附着磁性纳米颗粒，处于所述第一微柱(5)和第二微柱(6)内侧的细胞表面无颗粒粘附。

6.根据权利要求5所述的单细胞表面部分区域磁化方法，其特征在于，单个细胞表面的部分区域因粘附着磁性纳米颗粒而具有磁性，处于所述第一微柱(5)和第二微柱(6)内侧的细胞表面因无磁性纳米颗粒粘附处于无磁性状态，从而实现一个细胞具有磁性和无磁性两种状态。

Images