一種全血癌細胞捕獲集成微流控晶片的製作方法

2023-05-28 17:11:36

專利名稱：一種全血癌細胞捕獲集成微流控晶片的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種微流控醫療診斷晶片，尤其是涉及一種全血癌細胞捕獲集成微流控晶片。
背景技術：
當今社會，各種疾病的威脅尤其是愛滋病、癌症等嚴重威脅著人類健康。而細胞研究對愛滋病、癌症等重大疾病的研究十分重要，提供一種方便、快捷的細胞捕獲和檢測方法將促進細胞生物學的發展。因此從全血中分離、捕獲、檢測癌細胞，對研究癌細胞的轉移，術後判斷等都具有重要意義。隨著微機電系統(Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS)技術與生命科學、 分析科學等學科的迅猛發展，生物MEMS(Bi0-MEMQ技術以及基於Bio-MEMS技術的微全分析系統(Micro Total Analysis System, μ TAS)逐步成為人們的研究熱點。微流控晶片把化學和生物等領域中所涉及的樣品製備、反應、分離、檢測，細胞培養、分選、裂解等基本操作單元集成在一塊小晶片上，用以實現常規化學或生物實驗室的各種功能，具有體積小、試劑使用量少、反應速度快、結果準確可靠及可拋棄等優點，在生物醫療、細胞檢測等方面上有廣泛的應用前景。通過對現有技術的檢索發現，kthu P等在Anal Chem, 2004, 76 (21) =6247-6253 中利用軟光刻技術，研製一種用於快速裂解紅細胞的微流控晶片，實現了將血液中的紅細胞完全裂解，這就消除了紅細胞對癌細胞捕獲的影響，為癌細胞的捕獲奠定了基礎。此晶片只是實現了紅細胞的裂解，缺少具有更重要功能的後續設計。胡銳軍等在《功能材料與器件學報》，2011，17 (2) :227-232中將磁珠技術與MEMS 技術相結合，提出了一種等邊三角排列的M微磁柱結構，在磁場作用下成功地實現了對結腸癌細胞和CD4細胞的捕獲。該晶片使用的細胞是單一的純細胞，不能應用於從全血中直接捕獲癌細胞的研究。Faley S 等在 Lab Chip，2008，8，1700-1712 中利用 440 個 18 μ mX 18 μ mX 10 μ m 的聚二甲基矽氧烷(PolydimethylsiloxanhPDMQ微結構捕獲陣列成功地實現了對CD4+T 細胞的捕獲。該設計側向2μπι寬的微小狹縫使得PDMS在脫模時容易斷裂，另外晶片對細胞的捕獲的選擇性不高，會將全血中的紅細胞、白細胞和癌細胞同時捕獲。

發明內容
本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種集成化程度高、 操作簡單、細胞捕獲效率高、製作工藝簡單的全血癌細胞捕獲集成微流控晶片。本發明的目的可以通過以下技術方案來實現一種全血癌細胞捕獲集成微流控晶片，其特徵在於，包括依次連接的進口、紅細胞裂解單元、白細胞捕獲單元、癌細胞捕獲單元和出口，所述的進口設有三個，所述的白細胞捕獲單元包括第一分流器、軟磁性微柱陣列和永磁體，所述的第一分流器與軟磁性微柱陣列連接，所述的永磁體設在軟磁性微柱陣列兩側，所述的癌細胞捕獲單元包括依次連接的第二分流器和捕獲微結構陣列；全血、紅細胞裂解液和含有白細胞表面抗原抗體磁珠的緩衝溶液分別從進口注入，全血和紅細胞裂解液在紅細胞裂解單元中充分混合後，全血中的紅細胞被裂解；同時全血中的白細胞與含有白細胞表面抗原抗體的磁珠經充分混合結合在一起，在永磁體產生的磁場中，含有白細胞表面抗原抗體的磁珠與白細胞捕獲單元中的軟磁性微柱陣列結合來捕獲白細胞；最終溶液中的癌細胞在流經癌細胞捕獲單元時被捕獲微結構陣列捕獲，從而實現從全血中直接提取和捕獲癌細胞的目的。所述的進口為圓柱形空腔結構，所述的出口為圓柱形空腔結構。所述的紅細胞裂解單元為S形混合流道結構，該S形混合流道結構由多個半圓環首尾相連而成。所述的第一分流器、第二分流器均由主流通道、第一分流結構和第二分流結構組成，溶液從主通道通過第一分流結構流入兩個相同的次通道，再通過第二分流結構流入四個相同的分流通道。所述的軟磁性微柱陣列由軟磁性微柱排列而成，每個軟磁性微柱與周圍六個緊鄰軟磁性微柱成等間距排列，並且每個軟磁性微柱周圍的六個緊鄰微柱中心連線組成一個等邊六角形。所述的軟磁性微柱採用鐵鎳合金或鎳軟磁性金屬材料。所述的捕獲微結構陣列由捕獲微結構交錯排列而成，每列捕獲微結構成等間距排列，每列中的捕獲微結構成等間距排列，相鄰兩列錯開一個捕獲微結構寬度和一個捕獲微結構間距之和的一半距離，即前排微結構中軸線與後排微結構間隙中軸線為同一條直線。所述的捕獲微結構的橫截面呈U形，該U形兩端為三角形結構。所述的捕獲微結構為雙層結構，其下層的橫截面呈U形，上層為U形底部單出口結構。或所述的捕獲微結構為雙層結構，其下層的橫截面呈U形，上層為U形底部與側壁三出口結構。與現有技術相比，本發明具有以下優點1、高度集成了紅細胞裂解單元，白細胞捕獲單元和癌細胞捕獲單元，能夠在晶片內部從全血中直接提取和捕獲癌細胞，避免了片外操作和試樣轉移過程中的汙染。2、只需從進口分別注入全血、紅細胞裂解液和含有白細胞表面抗原抗體磁珠的緩衝溶液，就能完成癌細胞的捕獲，所需試樣使用量少，反應速度快，操作簡單。3、癌細胞捕獲單元採用兩層結構，既避免了 PDMS脫模容易被損壞的缺陷，同時又降低了捕獲結構內的流阻，增加了細胞捕獲效率。4、在設計上綜合考慮了三個單元的MEMS製備工藝，做到了晶片製備工藝的兼容性，製作工藝簡單，易於批量化生產。


圖1為本發明的總體結構示意圖；圖2為本發明的橫截面示意圖3為S形混合流道結構示意圖；圖4為分流器結構示意圖；圖5為軟磁性微柱陣列示意圖；圖6為捕獲微結構陣列示意圖；圖7為單出口捕獲微結構示意圖；圖8為三出口捕獲微結構示意圖；圖1中標號為1、進口，2、紅細胞裂解單元，3、白細胞捕獲單元，4、癌細胞捕獲單元，5、出口，31、 第一分流器，32、軟磁性微柱陣列，33、永磁體，41、第二分流器，42、捕獲微結構陣列。圖2中標號為6、玻璃材料，7、鎳或鐵鎳材料，8、聚二甲基矽氧烷材料。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。實施例如圖1所示，一種全血癌細胞捕獲集成微流控晶片，主要由進口 1、紅細胞裂解單元2、白細胞捕獲單元3、癌細胞捕獲單元4和出口 5組成。所述的進口 1為三個，分別為全血進口、紅細胞裂解液進口和含有白細胞表面抗原抗體磁珠的緩衝溶液進口。如圖2所示，所述的進口 1為PDMS中的圓柱形空腔結構，直徑為1.5mm，高度為 3mm ο所述的進口 1的中間進口的長為4mm，寬為100 μ m，高度為20 μ m的管道與兩側進口的長為3mm，寬為100 μ m,高度為20 μ m的管道共同交匯主管道。所述的紅細胞裂解單元2為S形混合流道結構。如圖3所示，所述的S形混合流道是由多個半圓環首尾相連而成，內半圓半徑R1為 150 μ m,外半圓半徑Ii2為300 μ m,高度為20 μ m。所述的S形混合流道為製備在材料PDMS上的。所述的紅細胞裂解單元前端通過一段長為2mm，寬為150 μ m,高度為20 μ m主管道與所述白細胞捕獲單元連接。所述的白細胞捕獲單元主要由第一分流器31、軟磁性微柱陣列32和永磁體33組成。如圖4所示，所述的第一分流器由主流通道、第一分流結構和第二分流結構組成。溶液從寬度W1為150 μ m的主通道通過第一分流結構流入兩個寬度W2均為100 μ m 的次通道，再通過第二分流結構流入四個寬度W3均為50 μ m的分流通道。如圖5所示，所述的軟磁性微柱陣列32由軟磁性微柱排列而成。微柱的半徑民為 50 μ m,高度為20 μ m,每個軟磁性微柱與周圍其他緊鄰微柱成等間距排列，兩個緊鄰微柱中心間距L1S 150 μ m。並且每個軟磁性微柱周圍的六個緊鄰微柱中心連線組成一個等邊六角形，邊長L1為150 μ m。所述的軟磁性微柱陣列32為金屬鎳材料。
所述的永磁體33為長方體結構，長度為6mm，寬度為3mm，高度為4mm。所述的癌細胞捕獲單元4主要由第二分流器41和捕獲微結構陣列42組成。所述的第二分流器41與第一分流器31相同。如圖6所示，所述的捕獲微結構陣列42由捕獲微結構交錯排列而成，微結構成等間距排列，間距&和Y3均為20 μ m ；相鄰兩列錯開一個微結構寬度和一個微結構間距之和的一半距離，即錯開間距為55 μ m。所述的捕獲微結構為U形結構，其兩端為三角形結構。U形結構的寬度1為90 μ m， 長度&為70 μ m ；U形結構線寬&為20 μ m ;U形兩端三角形結構兩直角邊Y1為30 μ m, X1 為 20 μ m。所述的捕獲微結構為兩層結構，其下層為U形結構，上層為U形底部單出口結構， 如圖7所示；或上層為U形底部和側壁的三出口結構，如圖8所示。所述的捕獲微結構下層的高度為17 μ m，上層高度為3 μ m。所述的捕獲微結構陣列42為金屬鎳材料。所述的出口 5為PDMS中的圓柱形空腔結構，直徑為1. 5mm,高度為3mm。
權利要求
1.一種全血癌細胞捕獲集成微流控晶片，其特徵在於，包括依次連接的進口、紅細胞裂解單元、白細胞捕獲單元、癌細胞捕獲單元和出口，所述的進口設有三個，所述的白細胞捕獲單元包括第一分流器、軟磁性微柱陣列和永磁體，所述的第一分流器與軟磁性微柱陣列連接，所述的永磁體設在軟磁性微柱陣列兩側，所述的癌細胞捕獲單元包括依次連接的第二分流器和捕獲微結構陣列；全血、紅細胞裂解液和含有白細胞表面抗原抗體磁珠的緩衝溶液分別從進口注入，全血和紅細胞裂解液在紅細胞裂解單元中充分混合後，全血中的紅細胞被裂解；同時全血中的白細胞與含有白細胞表面抗原抗體的磁珠經充分混合結合在一起，在永磁體產生的磁場中，含有白細胞表面抗原抗體的磁珠與白細胞捕獲單元中的軟磁性微柱陣列結合來捕獲白細胞；最終溶液中的癌細胞在流經癌細胞捕獲單元時被捕獲微結構陣列捕獲，從而實現從全血中直接提取和捕獲癌細胞。
2.根據權利要求1所述的一種全血癌細胞捕獲集成微流控晶片，其特徵在於，所述的進口為圓柱形空腔結構，所述的出口為圓柱形空腔結構。
3.根據權利要求1所述的一種全血癌細胞捕獲集成微流控晶片，其特徵在於，所述的紅細胞裂解單元為S形混合流道結構，該S形混合流道結構由多個半圓環首尾相連而成。
4.根據權利要求1所述的一種全血癌細胞捕獲集成微流控晶片，其特徵在於，所述的第一分流器、第二分流器均由主流通道、第一分流結構和第二分流結構組成，溶液從主通道通過第一分流結構流入兩個相同的次通道，再通過第二分流結構流入四個相同的分流通道。
5.根據權利要求1所述的一種全血癌細胞捕獲集成微流控晶片，其特徵在於，所述的軟磁性微柱陣列由軟磁性微柱排列而成，每個軟磁性微柱與周圍六個緊鄰軟磁性微柱成等間距排列，並且每個軟磁性微柱周圍的六個緊鄰微柱中心連線組成一個等邊六角形。
6.根據權利要求5所述的一種全血癌細胞捕獲集成微流控晶片，其特徵在於，所述的軟磁性微柱是鐵鎳合金或鎳軟磁性金屬材料。
7.根據權利要求1所述的一種全血癌細胞捕獲集成微流控晶片，其特徵在於，所述的捕獲微結構陣列由捕獲微結構交錯排列而成，每列捕獲微結構成等間距排列，每列中的捕獲微結構成等間距排列，相鄰兩列錯開一個捕獲微結構寬度和一個捕獲微結構間距之和的一半距離，即前排微結構中軸線與後排微結構間隙中軸線為同一條直線。
8.根據權利要求7所述的一種全血癌細胞捕獲集成微流控晶片，其特徵在於，所述的捕獲微結構的橫截面呈U形，該U形兩端為三角形結構。
9.根據權利要求8所述的一種全血癌細胞捕獲集成微流控晶片，其特徵在於，所述的捕獲微結構為雙層結構，其下層的橫截面呈U形，上層為U形底部單出口結構。
10.根據權利要求8所述的一種全血癌細胞捕獲集成微流控晶片，其特徵在於，所述的捕獲微結構為雙層結構，其下層的橫截面呈U形，上層為U形底部與兩側壁三出口結構。
全文摘要
本發明涉及一種全血癌細胞捕獲集成微流控晶片，包括依次連接的進口、紅細胞裂解單元、白細胞捕獲單元、癌細胞捕獲單元和出口，所述的進口設有三個，所述的白細胞捕獲單元包括第一分流器、軟磁性微柱陣列和永磁體，所述的第一分流器與軟磁性微柱陣列連接，所述的永磁體設在軟磁性微柱陣列兩側，所述的癌細胞捕獲單元包括依次連接的第二分流器和捕獲微結構陣列。與現有技術相比，本發明具有集成化程度高、操作簡單、細胞捕獲效率高、製作工藝簡單等優點。
文檔編號G01N33/574GK102360010SQ20111022466
公開日2012年2月22日 申請日期2011年8月5日 優先權日2011年8月5日
發明者崔大祥, 袁濤, 陳景東, 陳翔, 陳迪 申請人:上海交通大學