一種用於細胞分選的多分選區結構及其使用方法
2023-05-22 20:28:36
專利名稱：一種用於細胞分選的多分選區結構及其使用方法
—種用於細胞分選的多分選區結構及其使用方法
所屬領域本發明涉及一種用於細胞分選的多分選區結構及其使用方法，屬於微流控晶片領域。
背景技術：
細胞分選是從複雜環境中獲取性質均一的目標細胞的必要手段。細胞分選是細胞生理和病理研究的關鍵環節，其對於重大疾病的診斷和治療具有重要意義。對於細胞分選方法及相關技術的研究一直都是醫學界及相關領域的一個研究熱點。隨著微機電系統(MEMS)技術的出現及在生物醫學領域的應用，產生了許多新的細胞分選方法。現階段以流式細胞儀為代表的傳統細胞分選儀具有體積大、結構複雜、成本高昂等缺點，基於MEMS技術的微流控晶片可將細胞分選儀微型化。相對於流式細胞技術、免疫磁性微珠分選等傳統細胞分選方法，微流控晶片細胞分選方法無需複雜的樣品準備過程，且具有分離純度高、操作簡便、成本低廉等諸多優點。由於生物體細胞尺寸極小且種類繁多，分選難度很大。基於微流控晶片的細胞分選方法主要包括利用細胞尺寸差異、利用介電電泳、利用強磁場梯度變化等。其中，利用細胞尺寸差異進行細胞分選的方法因為無需對細胞或蛋白質進行特異性標記，對細胞幾乎沒有損傷，且具有結構緊湊、分選效率高、活性保存良好等諸多優點。2004年,美國Wadsworth健康研究中心發明了一種基於不同孔徑微通道陣列的細胞分選方法(Hisham Mohamed, Leslie D. McCurdy, et al. Development of a rare cellfractionation device:application for cancer detection. IEEE Transactions onNanobioscience. 2004，3:251 256.)，並用於癌細胞的分選和檢測。其核心結構是四組具有不同孔徑的微通道陣列，通過這種不同孔徑的微通道陣列實現了 5-20 μ m範圍內的癌細胞離散分選。該分選方法中細胞液橫向流動容易造成分選通道的堵塞，當前一組分選微通道出現堵塞的現象的時候，後面的微通道陣列則失去細胞分選的作用，導致整個器件失效。
發明內容
本發明的目的是為克服上述分選方法中出現的前一組分選微通道出現堵塞時，導致後面微通道失效無法進行細胞分選的缺點，本發明提出一種具有多分選區的細胞分選結構，前一分選區的堵塞不會對後一分選區產生影響，且能分選多種不同尺寸的細胞。本發明的技術方案是一種用於細胞分選的多分選區結構，由外部接口層、PDMS薄膜層和基底層三部分鍵合在一起；外部接口層包括兩端的細胞液接口和中部的N組通氣接口 ；PDMS薄膜層上有與N個內凹形成的氣室；各氣室的位置與外部接口層上的各組通氣接口的位置相應，且各通氣接口與相應的氣室連通；所述基底層上有N+1組細胞分選區，各細胞分選區為內凹形成孔的薄膜，其上具有直徑為CliQ = 1，2，···，Ν+1)的分選孔；各細胞分選區的分選孔直徑d「i = I, 2，···, N+1)滿足< d2 <···< dN < dN+1 ；N+1組細胞分選區的各相鄰分選區之間通過N條微管道連通；N條微管道連通與PDMS薄膜層上的N個氣室位置相應；基底層上的N+1組細胞分選區通過N條微管道連通，再依次經過PDMS薄膜層兩端的通孔和外部接口層兩端的細胞液接口，形成與外部的連通結構。作為一 種最優方案PDMS薄膜層由預聚物和固化劑按照體積比或質量比為15:1混合併聚合而成。一種用於細胞分選的多分選區結構的使用方法，包括如下步驟步驟I :從外部接口層上與Cl1相應一端的第一組通氣接口通入氣體，氣體進入PDMS薄膜層上的第一個氣室中，氣室底部薄膜發生彈性形變，堵塞基底層上第一組分選區和第二組分選區之間的通道；步驟2 :細胞液由外部接口層上與Cl1相應一端的細胞液接口，流經PDMS薄膜層相應端的通孔後，流入基底層上分選孔直徑為Cl1的細胞分選區，在壓力的作用下將直徑CKd1的細胞分選出來；步驟3 :停止從外部接口層上與Cl1相應一端的第一組通氣接口通入氣體，第一個氣室的底部薄膜恢復原形，第一組分選區和第二組分選區之間的通道暢通；步驟4:i = 2;步驟5 :從外部接口層上的第i組通氣接口通入氣體，氣體進入PDMS薄膜層上的第i個氣室中，氣室底部薄膜發生彈性形變，堵塞基底層上第i組分選區和第i+Ι組分選區之間的通道；步驟6 :經過分選孔直徑為dH的細胞分選區分選後的細胞液，從第i_l組分選區和第i組分選區之間的通道流入分選孔直徑為Cli的細胞分選區，在壓力的作用下將直徑Cli^1 ^ d < Cli的細胞分選出來；步驟7 :停止從外部接口層上的第i組通氣接口通入氣體，第i個氣室的底部薄膜恢復原形，第i組分選區和第i+Ι組分選區之間的通道暢通；步驟8 :i = i+1 ;如果i ( N,則返回步驟4,否則，i = N+1,進入步驟9 ；步驟9 :經過分選孔直徑為dN的細胞分選區分選後的細胞液，從第N組分選區和第N+1組分選區之間的通道流入分選孔直徑為dN+1的細胞分選區，在壓力的作用下將直徑dN彡d < dN+1的細胞分選出來。這樣，該結構可實現不同尺寸的細胞多次分選，得到尺寸滿足d < Cl1, Cl1彡d< d2,…，dN彡d < dN+1的N+1組分選細胞。本發明的有益效果是在細胞分選的過程中，由於不同組的分選區結構是相互獨立的，故在前一組分選區中分選孔發生堵塞的情況下不會對後一組分選組產生影響，而且通過不同組數分選區的組合，可以實現多次細胞的分選，分選出不同尺寸的細胞。下面結合附圖和實例對本發明進一步說明
圖I是實施例中的用於細胞分選的多分選區結構示意2是實施例中用於細胞分選的多分選區結構的外部接口層示意3是實施例中用於細胞分選的多分選區結構的PDMS薄膜層示意4是實施例中用於細胞分選的多分選區結構的基底層示意5是實施例中用於細胞分選的多分選區結構的剖面圖
圖6是實施例中用於細胞分選的多分選區結構的的用於細胞分選的多分選區結構的分選過程示意中，I-細胞液接口 I，2-第一組通氣接口，3-第二組通氣接口，4-細胞液接口II，5-氣室I，6-氣室II，7-分選區I，8-分選區II，9-分選區III。
具體實施例方式具體實施例I參閱圖1-5，本實施例中用於細胞分選的多分選區結構，由外部接口層、PDMS薄膜層和基底層三部分鍵合在一起；外部接口層包括兩端的細胞液接口和中部的2組通氣接口，兩端的細胞液接口分別為細胞液接口 I I和細胞液接口 II 4，中部的2組通氣接口分別 為第一組通氣接口 2和第二組通氣接口 3 ;PDMS薄膜層上有與2個內凹形成的氣室，分別為氣室I 5和氣室II 6 ;2個氣室的位置與外部接口層上的2組通氣接口的位置相應，且各通氣接口與相應的氣室連通；所述基底層上有3組細胞分選區，即分選區I 7、分選區II 8和分選區III 9，各細胞分選區為內凹形成的薄膜，其上具有直徑為分別為5 μ m、7 μ m、9 μ m的分選孔；3組細胞分選區的各相鄰份選區之間通過2條微管道連通；2條微管道連通與PDMS薄膜層上的2個氣室位置相應；基底層上的3組細胞分選區通過2條微管道連通，再依次經過PDMS薄膜層兩端的通孔和外部接口層兩端的細胞液接口，形成與外部的連通結構。本實施例中的PDMS薄膜由預聚物和固化劑按照體積比為15:1混合併聚合而成。參閱圖6，本實施例中用於細胞分選的多分選區結構的使用方法，包括如下步驟步驟I :從外部接口層上第一組通氣接口 2通入氣體，氣體進入PDMS薄膜層上的氣室I 5中，氣室底部薄膜發生彈性形變，堵塞基底層上分選區I 7和分選區II 8之間的通道；步驟2 :細胞液由外部接口層上細胞液接口 I 1，流經PDMS薄膜層相應端的通孔後，流入基底層上分選區I 7，在壓力的作用下將直徑d < 5μπι的細胞分選出來；步驟3 :停止從外部接口層上第一組通氣接口 2通入氣體，氣室I 5的底部薄膜恢復原形，分選區I 7和分選區II 8之間的通道暢通；步驟4 :從外部接口層上第二組通氣接口 3通入氣體，氣體進入PDMS薄膜層上氣室II 6中，氣室底部發生彈性形變，堵塞基底層上分選區II 8和分選區III 9之間的通道；步驟5 :經過分選區I 7分選後的細胞液，從分選區I 7和分選區II 8之間的通道流入分選區II 8，在壓力的作用下將直徑5ym<d<7ym的細胞分選出來；步驟6 :停止從外部接口層上第二組通氣接口 3通入氣體，氣室II 6的底部薄膜恢復原形，分選區II 8和分選區III 9之間的通道暢通；步驟7 :經過分選孔直徑為7 μ m的細胞分選區分選後的細胞液，從分選區II 8和分選區III9之間的通道流入分選區III9，在壓力的作用下將直徑7 μ m < d < 9 μ m的細胞分選出來。這樣，本實施例中的結構實現了不同尺寸的細胞多次分選，得到尺寸滿足d<5μπι，5μπι<(1<7μπι 和 7ym<d<9ym 的三組分選細胞。具體實施例2本實施例中用於細胞分選的多分選區結構，由外部接口層、PDMS薄膜層和基底層三部分鍵合在一起；外部接口層包括兩端的細胞液接口和中部的3組通氣接口 ；PDMS薄膜層上有與3個內凹形成的氣室；各氣室的位置與外部接口層上的各組通氣接口的位置相應，且各通氣接口與相應的氣室連通；所述基底層上有4組細胞分選區，各細胞分選區為內凹形成的薄膜，其上具有直徑分別為10m、20 u m、25 u m的分選孔；4組細胞分選區
的各相鄰份選區之間通過3條微管道連通；3條微管道連通與PDMS薄膜層上的3個氣室位置相應；基底層上的4組細胞分選區通過3條微管道連通，再依次經過PDMS薄膜層兩端的通孔和外部接口層兩端的細胞液接口，形成與外部的連通結構。
本實施例中用於細胞分選的多分選區結構的使用方法，包括如下步驟步驟I :從外部接口層上與直徑為IOym分選孔相應一端的第一組通氣接口通入氣體，氣體進入PDMS薄膜層上的第一個氣室中，氣室底部薄膜發生彈性形變，堵塞基底層上第一組分選區和第二組分選區之間的通道；步驟2 :細胞液由外部接口層上與直徑為IOiim分選孔相應一端的細胞液接口，流經PDMS薄膜層相應端的通孔後，流入基底層上分選孔直徑為IOym的細胞分選區，在壓力的作用下將直徑d < 10 ii m的細胞分選出來；步驟3 :停止從外部接口層上與直徑為10 分選孔相應一端的第一組通氣接口通入氣體，第一個氣室的底部薄膜恢復原形，第一組分選區和第二組分選區之間的通道暢通；步驟4:i = 2;步驟5 :從外部接口層上的第i組通氣接口通入氣體，氣體進入PDMS薄膜層上的第i個氣室中，氣室底部薄膜發生彈性形變，堵塞基底層上第i組分選區和第i+1組分選區之間的通道；步驟6 :經過分選孔直徑為dH的細胞分選區分選後的細胞液，從第i_l組分選區和第i組分選區之間的通道流入分選孔直徑為Cli的細胞分選區，在壓力的作用下將直徑Cli^1 ^ d < Cli的細胞分選出來；步驟7 :停止從外部接口層上的第i組通氣接口通入氣體，第i個氣室的底部薄膜恢復原形，第i組分選區和第i+1組分選區之間的通道暢通；步驟8 i = i+1 ;如果i ( 3，則返回步驟4，否則，i = 4，進入步驟9 ;步驟9 :經過分選孔直徑為20 y m的細胞分選區分選後的細胞液，從第3組分選區和第4組分選區之間的通道流入分選孔直徑為25 y m的細胞分選區，在壓力的作用下將直徑20 ii m彡d < 25 ii m的細胞分選出來。這樣，該結構可實現不同尺寸的細胞多次分選，得到尺寸滿足d< 10 u m, 10 u m ^ d < 15 u m, 15 u m ^ d < 20 u m, 20 u m ^ d < 25 u m 的四組分選細胞。
權利要求
1.一種用於細胞分選的多分選區結構，其特徵在於由外部接口層、PDMS薄膜層和基底層三部分鍵合在一起；外部接口層包括兩端的細胞液接口和中部的N組通氣接口 ；PDMS薄膜層上有與N個內凹形成的氣室；各氣室的位置與外部接口層上的各組通氣接口的位置相應，且各通氣接口與相應的氣室連通；所述基底層上有N+1組細胞分選區，各細胞分選區為內凹形成孔的薄膜，其上具有直徑為CliQ = 1，2，…，N+1)的分選孔；各細胞分選區的分選孔直徑Cli (i = I, 2，...，_滿足=Cl1 < d2〈…< dN < dN+1 ；N+1組細胞分選區的各相鄰分選區之間通過N條微管道連通；N條微管道連通與PDMS薄膜層上的N個氣室位置相應；基底層上的N+1組細胞分選區通過N條微管道連通，再依次經過PDMS薄膜層兩端的通孔和外部接口層兩端的細胞液接口，形成與外部的連通結構。
2.一種如權利要求I所述的用於細胞分選的多分選區結構，其特徵在於所述PDMS薄膜層由預聚物和固化劑按照體積比或質量比為15:1混合併聚合而成。
3.—種如權利要求I所述的用於細胞分選的多分選區結構的使用方法，其特徵在於，包括如下步驟 步驟I :從外部接口層上與Cl1相應一端的第一組通氣接口通入氣體，氣體進入PDMS薄膜層上的第一個氣室中，氣室底部薄膜發生彈性形變，堵塞基底層上第一組分選區和第二組分選區之間的通道； 步驟2 :細胞液由外部接口層上與Cl1相應一端的細胞液接口，流經PDMS薄膜層相應端的通孔後，流入基底層上分選孔直徑為Cl1的細胞分選區，在壓力的作用下將直徑d < Cl1的細胞分選出來； 步驟3:停止從外部接口層上與Cl1相應一端的第一組通氣接口通入氣體，第一個氣室的底部薄膜恢復原形，第一組分選區和第二組分選區之間的通道暢通； 步驟4 :i = 2 ； 步驟5 :從外部接口層上的第i組通氣接口通入氣體，氣體進入PDMS薄膜層上的第i個氣室中，氣室底部薄膜發生彈性形變，堵塞基底層上第i組分選區和第i+1組分選區之間的通道； 步驟6 :經過分選孔直徑為dH的細胞分選區分選後的細胞液，從第i_l組分選區和第i組分選區之間的通道流入分選孔直徑為Cli的細胞分選區，在壓力的作用下將直徑dH ( d<Cli的細胞分選出來； 步驟7 :停止從外部接口層上的第i組通氣接口通入氣體，第i個氣室的底部薄膜恢復原形，第i組分選區和第i+1組分選區之間的通道暢通； 步驟8 :i = i+1 ;如果i ( N,則返回步驟4,否則，i = N+1,進入步驟9 ； 步驟9 :經過分選孔直徑為dN的細胞分選區分選後的細胞液，從第N組分選區和第N+1組分選區之間的通道流入分選孔直徑為dN+1的細胞分選區，在壓力的作用下將直徑dN ( d<dN+1的細胞分選出來。
全文摘要
本發明公開了一種用於細胞分選的多分選區結構及其使用方法，屬於微流控晶片領域。該結構由外部接口層、PDMS薄膜層和基底層三部分鍵合在一起；外部接口層包括兩端的細胞液接口和中部的N組通氣接口；PDMS薄膜層上有與N個內凹形成的氣室；基底層上有N+1組細胞分選區，各細胞分選區上具有直徑為di(i＝1,2,…,N+1)的分選孔；各相鄰分選區之間通過N條微管道連通。利用本發明的結構進行細胞分選的過程中，由於不同組的分選區結構是相互獨立的，故在前一組分選區中分選孔發生堵塞的情況下不會對後一組分選組產生影響，而且通過不同組數分選區的組合，可以實現不同尺寸的細胞多次分選，得到尺寸滿足d＜d1,d1≤d＜d2,…,dN≤d＜dN+1的N+1組分選細胞。
文檔編號C12M1/00GK102703300SQ20121015187
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月16日 優先權日2012年5月16日
發明者尋文鵬, 常洪龍, 洪水金, 陳方璐 申請人:西北工業大學