专利名称：一种用于细胞分选的微网筛结构及其使用方法
一种用于细胞分选的微网筛结构及其使用方法 —、所属领域 本发明涉及一种用于细胞分选的微网筛结构及其使用方法，属于微流控芯片领 域。
二背景技术：
细胞分选是从复杂环境中获取性质均一的目标细胞的必要手段。细胞分选是细 胞生理和病理研究的关键环节，其对于重大疾病的诊断和治疗具有重要意义。对于细胞分 选方法及相关技术的研究一直都是医学界及相关领域的一个研究热点。随着微机电系统 (MEMS)技术的出现及在生物医学领域的应用，产生了许多新的细胞分选方法。现阶段以流 式细胞仪为代表的传统细胞分选仪具有体积大、结构复杂、成本高昂等缺点，基于MEMS技 术的微流控芯片可将细胞分选仪微型化。相对于流式细胞技术、免疫磁性微珠分选等传统 细胞分选方法，微流控芯片细胞分选方法无需复杂的样品准备过程，且具有分离纯度高、操 作简便、成本低廉等诸多优点。 由于生物体细胞尺寸极小且种类繁多，分选难度很大。基于微流控芯片的细胞分 选方法主要包括利用细胞尺寸差异、利用介电电泳、利用强磁场梯度变化等。其中，利用细 胞尺寸差异进行细胞分选的方法因为无需对细胞或蛋白质进行特异性标记，对细胞几乎没 有损伤，且具有结构紧凑、分选效率高、活性保存良好等诸多优点。 2004年，美国Wadsworth健康研究中心发明了一种基于不同孔径微通道阵列的细 胞分选方法(Hish咖Moh咖ed， Leslie D. McCurdy， et al. Development of a rare cell fractionation device -application for cancer detection. IEEE Transactions on Nanobioscience. 2004， 3 :251 256.)，并用于癌细胞的分选和检测。其核心结构是四组具 有不同孔径的微通道阵列，通过这种不同孔径的微通道阵列实现了 5-20iim范围内的癌细 胞离散分选。该方法中的微通道形成后，所设计的微通道孔径及分布就无法再改变，仅能针 对特定不连续尺寸段的细胞进行分选，并且需预先知道待分选细胞的尺寸分布情况。此外， 该方法还容易因通道狭长出现通道堵塞。
三
发明内容
本发明的目的是克服现有的利用细胞尺寸差异进行细胞分选方法的不足l)微 通道形成后，所设计的微通道孔径及分布就无法再改变，仅能针对特定不连续尺寸段的细 胞进行分选；2)需预先知道待分选细胞的尺寸分布情况；3)通道狭长出现通道堵塞。由此， 本发明提出基于微网筛结构的细胞分选方法，可实现细胞分选尺寸在大范围内的连续可变 及动态实时调整，通道不易堵塞，且无需预先知道待分选细胞的尺寸分布情况。
为实现上述目的，本发明的技术方案是提供一种用于细胞分选的微网筛结构，该 结构包括至少两层分布有若干分选孔的分选薄膜，各层分选薄膜间距g不小于1 P m，其中 至少一层分选薄膜与驱动装置连接；相邻两层分选薄膜相互运动步进精度为t，即分选精 度为t， t满足t《0. 1 X g ;所述的分选孔形状任意，分选孔最小外接圆直径为D。，分选孔最大内切圆直径为D"分选薄膜相对运动位移为l，则细胞分选范围D满足g < D《min(Dp 1)为减小和消除上下各层分选薄膜的相对运动位移与孔径大小之间的非线性关系，所以分 选孔的孔径形状最好为正三角形、正四边形、正五边形等正多边形；微网筛结构的材料是聚 合物、玻璃、陶瓷、硅或它们的复合体。 作为一种最优方案分选孔在分选薄膜上成规则阵列排布，且各层分选薄膜上的
分选孔排布位置互相对应；所述驱动装置的运动方向与相邻分选孔中心线一致。
作为一种最优方案相邻分选孔间距不小于分选孔最小外接圆直径。 本发明还提供了上述微网筛结构的使用方法，包括使用微网筛结构逐次分选出全
部待分选细胞的使用方法，以及使用微网筛结构分选特定尺寸大小的细胞的使用方法。 由于本发明提供的用于细胞分选的微网筛结构，由至少两层分选薄膜组成，其中
至少一层分选薄膜与驱动装置连接，在以下的使用方法中，通过调节驱动装置，精确控制各
相邻两层分选薄膜之间的相对运动实现分选孔重叠部分大小改变，从而实现细胞分选。因
此，下述的方法针对的是任意相邻的两层可动分选薄膜。 —、使用微网筛结构逐次分选出全部待分选细胞的使用方法，包括如下步骤
1.假设要逐次分选出直径分别为dp d2. . . dh. . . dk的细胞，其中< d2
< ...dh. . . < dk，对于分选薄膜间距g和分选精度为t，总存在一个自然数i，满足i t
< g《(i + 1) t ; 2.初始化驱动装置，使得分选孔初始重叠部分的最大内切圆直径M。满足 (i+1) t《M0 < (i+2) t ; 3.将待分选细胞培养液流向微网筛结构； 4.调节驱动装置，精确控制各相邻两层分选薄膜之间的相对运动，使得分选孔重 叠部分的最大内切圆直径从l逐渐增加t，直到满足j*t<K (j+1) 't，此时分选孔重 叠部分的最大内切圆直径为Mp即M工=M。+(j_i) t，此时，通过微网筛分选区的细胞可视 为直径为4的细胞； 5.继续调节驱动装置，使得分选孔重叠部分的最大内切圆直径从M工逐渐增加t， 直到满足11*1<(12《(n+1) t，此时分选孔重叠部分的最大内切圆直径为M2，即M2 = M一(n-j) t，则通过微网筛分选区的细胞可视为直径为d2的细胞；
6.依次循环步骤5，直到分选出全部待分选细胞。 二、使用微网筛结构分选特定尺寸大小的细胞的使用方法，包括如下步骤 1.假设待分选特定尺寸大小的细胞直径为dh，则总存在一个自然数m，满足m t
< dh《(m+1) t ; 2.初始化驱动装置，使得分选孔初始重叠部分的最大内切圆直径M。满足(i+1) *t
< M0《(i+2) t ; 3.将待分选细胞培养液流向微网筛结构； 4.调节驱动装置，精确控制各层分选薄膜之间的相对运动，使得分选孔重叠部分 的最大内切圆直径增加到M3，满足M3 = m，t，则通过微网筛分选区的细胞直径小于等于M3 ;
5.继续调节驱动装置，使得分选孔重叠部分的最大内切圆直径M3增加t，即分选 孔重叠部分的最大内切圆直径从M3增加到M4，M4二 (m+1) 't，则通过微网筛分选区的细胞 直径满足M3 < dh《M4，即将特定尺寸大小为dh的细胞分选出来。
以上两种使用方法为了达到更好分选效果，在使用微网筛结构进行细胞分选的同 时施加振动。 本发明的有益效果是 (1)分选效率高微网筛结构的分选薄膜分布有若干分选孔，可快速逐次分选出 所有待分选细胞；使用微网筛结构分选特定尺寸大小的细胞时，仅需两次即可分选出特定 尺寸大小的细胞； (2)分选精度高微网筛结构的分选精度为相邻两层分选薄膜相互运动步进精 度，现有技术可以达到纳米级精度； (3)孔径连续可调分选孔重叠部分的最大内切圆直径可实时连续调节，以达到 良好的分选效果； (4)分选范围大微网筛结构的分选范围D满足g < D《min(D" 1)，因此可以实 现大范围的细胞分选； (5)通道不易堵塞分选孔重叠部分的最大内切圆直径可实时调节，通道不易堵 塞； (6)无需预先知道待分选细胞的尺寸分布情况分选孔重叠部分的最大内切圆直
径可实时调节，无需预先知道待分选细胞的尺寸分布情况即可进行细胞分选。
对于实际设计加工中的变动，如分选范围，步进精度，微网筛驱动方式，微网筛孔
径形状等本发明同样适用。 本发明提出的分选装置和方法不仅仅局限于细胞分选，同样适用于直径在几微米 到几百微米范围内的微颗粒分选。 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
四
(附图在文字中的引用说明) 图1具体实施例1的微网筛结构示意图 图2具体实施例1的微网筛结构分选过程示意图 图3具体实施例1的微网筛结构分选过程俯视图 其中，1-上层分选薄膜，2-下层分选薄膜，3-驱动装置，4-分选孔
五具体实施例方式 具体实施例1 : 参阅图l，本实施例提供了一种用于细胞分选的微网筛结构，该结构包括分别布 有3X3阵列分选孔4的上层分选薄膜1和下层分选薄膜2，上下两层分选薄膜上的分选 孔排布位置互相对应，两层分选薄膜间距g为2 ii m，其中下层分选薄膜2与驱动装置3连 接，驱动装置3的运动方向与相邻分选孔中心线一致；两层分选薄膜相互运动步进精度t 为0. 15 ii m ;所述的分选孔4孔径形状为边长为50 ii m的正四边形，分选孔4最小外接圆直
径D。为50V^ U m，分选孔4最大内切圆直径Di为50 ii m，分选孔4最小间距为S为50 y m ;
分选薄膜相对运动位移1为100 ii m，细胞分选范围D满足g < D《min(Dp 1)，即2 y m < D《50 ii m ;微网筛结构材料是多晶硅。 参阅图2，图3，使用本实施例的微网筛结构逐次分选出直径分别为7， 8. . . 10. . . 12 ii m的细胞，使用方法包括如下步骤
L对于本实施例中分选薄膜间距g和分选精度为t，存在一个自然数i = 13，满足 i t < g《(i+1) t，艮卩13X0. 15 < 2《(13+1) X0. 1，即1. 95 < 2 < 2. 1 ;
2.初始化驱动装置3，使得分选孔初始重叠部分的最大内切圆直径M。满足 (i+1) *t《M。 < (i+2) *t，即(13+1) XO. 15《2. 1 < (13+2) XO. 15，即2. 1《2. 1 < 2. 25 ;
3.将待分选细胞培养液流向微网筛分选区； 4.调节驱动装置3，精确控制各层分选薄膜之间的相对运动，使得分选孔重叠部 分的最大内切圆直径从M。逐渐增加t，直到满足j t <《(j+1) t，即46X0. 15 < 7
< (46+1) XO. 15，即6. 9 < 7 < 7. 05，此时分选孔重叠部分的最大内切圆直径为M15即= M。+(j-i) 't，即7.05 = 2. 1+(46-13) XO. 15，此时，通过微网筛分选区的细胞可视为直径为 4 = 7 ii m的细胞； 5.继续调节驱动装置3，使得分选孔重叠部分的最大内切圆直径从M工逐渐增 力口 t，直至lj满足n t < d2《(n+1) t，艮卩53X0. 15 < 8 < (53+1) XO. 15，艮卩7. 95 < 8
< 8. 1，此时分选孔重叠部分的最大内切圆直径为M2，即M2 = M一(n-j) t，即8. 1 = 7. 05+(53-46) XO. 15，此时，通过微网筛分选区的细胞可视为直径为d2 = 8 y m的细胞；
6.依次循环步骤5，直到分选出剩余全部待分选细胞。 具体实施例2 : 本发明提供了一种用于细胞分选的微网筛结构，该结构由三层分布有20X20阵 列分选孔的分选薄膜组成，各层分选薄膜上的分选孔排布位置互相对应，各层分选薄膜间 距g为3 m，其中中间层分选薄膜与驱动装置连接，驱动装置的运动方向与相邻分选孔中 心线一致；两层分选薄膜相互运动步进精度t为0. 2 m ;所述的分选孔孔径形状为边长 为20 m的正六边形，分选孔最小外接圆直径D。为40 m，分选孔最大内切圆直径^为
20V5 y m，分选孔最小间距为S为40 m ;分选薄膜相对运动位移1为50 y m，细胞分选范
围D满足g < D《min(Dp 1)，即3 y m</)《2oVI u m;微网筛结构材料是聚二甲基硅氧烷 (PDMS)。 使用本实施例的微网筛结构逐次分选特定尺寸大小的的细胞直径dh为7.9ym，其 方法包括如下步骤 1.对于要分选特定尺寸大小的细胞直径dh为7.9iim，存在一个自然数m二 39，满 足m t < dh《(m+1) t，即39X0. 2 < 7. 9 < (39+1) X0. 2，艮卩7. 8 < 7. 9 < 8 ;
2.初始化驱动装置，使得分选孔初始重叠部分的最大内切圆直径M。满足 (i+1) t《M0 < (i+2) t，即(14+1) XO. 2《3 < (14+2) X0. 2，艮卩3《3 < 3. 2 ;
3.将待分选细胞培养液流向微网筛结构； 4.调节驱动装置，精确控制各层分选薄膜之间的相对运动，使得分选孔重叠部分 的最大内切圆直径增加到M^满足M3 = m t，即7. 8 = 39X0. 2，同时施加振动，则通过微 网筛分选区的细胞直径小于M3，即通过微网筛分选区的细胞直径小于等于7. 8 m ;
5.继续调节驱动装置，使得分选孔重叠部分的最大内切圆直径M3增加t，即分选 孔重叠部分的最大内切圆直径从M3增加到M4，M4 = (m+1) 4，即8= (39+l)X0.2，同时施 加振动，则通过微网筛分选区的细胞直径满足M3 < dh《M4，即7. 8 < 7. 9 < 8，即将特定尺 寸大小为7. 9 ii m的细胞分选出来。
权利要求
一种用于细胞分选的微网筛结构，其特征在于，包括至少两层分布有若干分选孔的分选薄膜，各层分选薄膜间距g不小于1μm，其中至少一层分选薄膜与驱动装置连接；相邻两层分选薄膜相互运动步进精度为t，t满足t≤0.1×g。
2. —种如权利要求1所述的用于细胞分选的微网筛结构，其特征在于，微网筛结构的材料是聚合物、玻璃、陶瓷、硅或它们的复合体。
3. —种如权利要求1所述的用于细胞分选的微网筛结构，其特征在于，分选孔在分选薄膜上成规则阵列排布，且各层分选薄膜上的分选孔排布位置互相对应；所述驱动装置的运动方向与相邻分选孔中心线一致。
4. 一种如权利要求1所述的用于细胞分选的微网筛结构，其特征在于，相邻分选孔间距不小于分选孔最小外接圆直径。
5. —种如权利要求1所述的用于细胞分选的微网筛结构，其特征在于，所述分选孔的孔径形状为正多边形。
6. —种使用如权利要求1所述微网筛结构逐次分选出全部待分选细胞的使用方法，其特征在于，包括如下步骤步骤1 :假设要逐次分选出直径分别为4， (12...《...4的细胞，其中< d2< ...dh. . . < dk，对于分选薄膜间距g和分选精度为t，总存在一个自然数i，满足i t< g《(i + l) t ;步骤2 :初始化驱动装置，使得分选孔初始重叠部分的最大内切圆直径M。满足(i+l) t《M。 < (i+2) t ;步骤3 :将待分选细胞培养液流向微网筛结构；步骤4 :调节驱动装置，精确控制各相邻两层分选薄膜之间的相对运动，使得分选孔重叠部分的最大内切圆直径从^逐渐增加t，直到满足j*t<K (j + l) 't，此时分选孔重叠部分的最大内切圆直径为Mp即M工=M。+(j-i) t，此时，通过微网筛分选区的细胞可视为直径为4的细胞；步骤5 :继续调节驱动装置，使得分选孔重叠部分的最大内切圆直径从M工逐渐增加t，直到满足11*1<(12《(n+l) t，此时分选孔重叠部分的最大内切圆直径为M2，即M2 =M一(n-j) t，则通过微网筛分选区的细胞可视为直径为d2的细胞；步骤6 :依次循环步骤5，直到分选出全部待分选细胞。
7. —种使用如权利要求1所述微网筛结构分选特定尺寸大小的细胞的使用方法，其特征在于，包括如下步骤步骤1 :假设待分选特定尺寸大小的细胞直径为dh，则总存在一个自然数m，满足m t< dh《(m+l) t ;步骤2 :初始化驱动装置，使得分选孔初始重叠部分的最大内切圆直径M。满足(i + l) *t< M0《(i+2) t ;步骤3 :将待分选细胞培养液流向微网筛结构；步骤4 :调节驱动装置，精确控制各层分选薄膜之间的相对运动，使得分选孔重叠部分的最大内切圆直径增加到M3，满足M3 = m，t，则通过微网筛分选区的细胞直径小于等于M3 ;步骤5 :继续调节驱动装置，使得分选孔重叠部分的最大内切圆直径M3增加t，即分选孔重叠部分的最大内切圆直径从M3增加到M4，M4二 (m+l) 't，则通过微网筛分选区的细胞直径满足M3 < dh《M4，即将特定尺寸大小为dh的细胞分选出来。
8. —种如权利要求6或7所述的微网筛结构使用方法，其特征在于，在行细胞分选的同 时施加振动。
全文摘要
本发明公开了一种用于细胞分选的微网筛结构及其使用方法，属于微流控芯片领域。该结构包括至少两层分布有若干分选孔的分选薄膜，其中至少一层分选薄膜与驱动装置连接。使用时，通过驱动装置调节相邻两层分选薄膜相应分选孔的重叠面积，实现全部待分选细胞的逐次分选，或者特定尺寸大小细胞的分选。使用该结构进行细胞分选具有分选效率高、精度高、孔径连续可调、分选范围大、通道不易堵塞、无需预先知道待分选细胞的尺寸分布情况等优点，而且除了细胞分选外，还同样适用于直径在几微米到几百微米范围内的微颗粒分选。
文档编号C12M1/00GK101717718SQ20091021928
公开日2010年6月2日 申请日期2009年12月3日 优先权日2009年12月3日
发明者丁继亮, 何洋, 吕湘连, 常洪龙, 张峰, 苑伟政, 谢建兵 申请人:西北工业大学