专利名称：一种用于细胞分选的多分选区结构及其使用方法
—种用于细胞分选的多分选区结构及其使用方法
所属领域本发明涉及一种用于细胞分选的多分选区结构及其使用方法，属于微流控芯片领域。
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(Hisham Mohamed, Leslie D. McCurdy, et al. Development of a rare cellfractionation device:application for cancer detection. IEEE Transactions onNanobioscience. 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 5-20 μ m范围内的癌细胞离散分选。该分选方法中细胞液横向流动容易造成分选通道的堵塞，当前一组分选微通道出现堵塞的现象的时候，后面的微通道阵列则失去细胞分选的作用，导致整个器件失效。
发明内容
本发明的目的是为克服上述分选方法中出现的前一组分选微通道出现堵塞时，导致后面微通道失效无法进行细胞分选的缺点，本发明提出一种具有多分选区的细胞分选结构，前一分选区的堵塞不会对后一分选区产生影响，且能分选多种不同尺寸的细胞。本发明的技术方案是一种用于细胞分选的多分选区结构，由外部接口层、PDMS薄膜层和基底层三部分键合在一起；外部接口层包括两端的细胞液接口和中部的N组通气接口 ；PDMS薄膜层上有与N个内凹形成的气室；各气室的位置与外部接口层上的各组通气接口的位置相应，且各通气接口与相应的气室连通；所述基底层上有N+1组细胞分选区，各细胞分选区为内凹形成孔的薄膜，其上具有直径为CliQ = 1，2，···，Ν+1)的分选孔；各细胞分选区的分选孔直径d“i = I, 2，···, N+1)满足< d2 <···< dN < dN+1 ；N+1组细胞分选区的各相邻分选区之间通过N条微管道连通；N条微管道连通与PDMS薄膜层上的N个气室位置相应；基底层上的N+1组细胞分选区通过N条微管道连通，再依次经过PDMS薄膜层两端的通孔和外部接口层两端的细胞液接口，形成与外部的连通结构。作为一 种最优方案PDMS薄膜层由预聚物和固化剂按照体积比或质量比为15:1混合并聚合而成。一种用于细胞分选的多分选区结构的使用方法，包括如下步骤步骤I :从外部接口层上与Cl1相应一端的第一组通气接口通入气体，气体进入PDMS薄膜层上的第一个气室中，气室底部薄膜发生弹性形变，堵塞基底层上第一组分选区和第二组分选区之间的通道；步骤2 :细胞液由外部接口层上与Cl1相应一端的细胞液接口，流经PDMS薄膜层相应端的通孔后，流入基底层上分选孔直径为Cl1的细胞分选区，在压力的作用下将直径CKd1的细胞分选出来；步骤3 :停止从外部接口层上与Cl1相应一端的第一组通气接口通入气体，第一个气室的底部薄膜恢复原形，第一组分选区和第二组分选区之间的通道畅通；步骤4:i = 2;步骤5 :从外部接口层上的第i组通气接口通入气体，气体进入PDMS薄膜层上的第i个气室中，气室底部薄膜发生弹性形变，堵塞基底层上第i组分选区和第i+Ι组分选区之间的通道；步骤6 :经过分选孔直径为dH的细胞分选区分选后的细胞液，从第i_l组分选区和第i组分选区之间的通道流入分选孔直径为Cli的细胞分选区，在压力的作用下将直径Cli^1 ^ d < Cli的细胞分选出来；步骤7 :停止从外部接口层上的第i组通气接口通入气体，第i个气室的底部薄膜恢复原形，第i组分选区和第i+Ι组分选区之间的通道畅通；步骤8 :i = i+1 ;如果i ( N,则返回步骤4,否则，i = N+1,进入步骤9 ；步骤9 :经过分选孔直径为dN的细胞分选区分选后的细胞液，从第N组分选区和第N+1组分选区之间的通道流入分选孔直径为dN+1的细胞分选区，在压力的作用下将直径dN彡d < dN+1的细胞分选出来。这样，该结构可实现不同尺寸的细胞多次分选，得到尺寸满足d < Cl1, Cl1彡d< d2,…，dN彡d < dN+1的N+1组分选细胞。本发明的有益效果是在细胞分选的过程中，由于不同组的分选区结构是相互独立的，故在前一组分选区中分选孔发生堵塞的情况下不会对后一组分选组产生影响，而且通过不同组数分选区的组合，可以实现多次细胞的分选，分选出不同尺寸的细胞。下面结合附图和实例对本发明进一步说明
图I是实施例中的用于细胞分选的多分选区结构示意2是实施例中用于细胞分选的多分选区结构的外部接口层示意3是实施例中用于细胞分选的多分选区结构的PDMS薄膜层示意4是实施例中用于细胞分选的多分选区结构的基底层示意5是实施例中用于细胞分选的多分选区结构的剖面图
图6是实施例中用于细胞分选的多分选区结构的的用于细胞分选的多分选区结构的分选过程示意中，I-细胞液接口 I，2-第一组通气接口，3-第二组通气接口，4-细胞液接口II，5-气室I，6-气室II，7-分选区I，8-分选区II，9-分选区III。
具体实施例方式具体实施例I参阅图1-5，本实施例中用于细胞分选的多分选区结构，由外部接口层、PDMS薄膜层和基底层三部分键合在一起；外部接口层包括两端的细胞液接口和中部的2组通气接口，两端的细胞液接口分别为细胞液接口 I I和细胞液接口 II 4，中部的2组通气接口分别 为第一组通气接口 2和第二组通气接口 3 ;PDMS薄膜层上有与2个内凹形成的气室，分别为气室I 5和气室II 6 ;2个气室的位置与外部接口层上的2组通气接口的位置相应，且各通气接口与相应的气室连通；所述基底层上有3组细胞分选区，即分选区I 7、分选区II 8和分选区III 9，各细胞分选区为内凹形成的薄膜，其上具有直径为分别为5 μ m、7 μ m、9 μ m的分选孔；3组细胞分选区的各相邻份选区之间通过2条微管道连通；2条微管道连通与PDMS薄膜层上的2个气室位置相应；基底层上的3组细胞分选区通过2条微管道连通，再依次经过PDMS薄膜层两端的通孔和外部接口层两端的细胞液接口，形成与外部的连通结构。本实施例中的PDMS薄膜由预聚物和固化剂按照体积比为15:1混合并聚合而成。参阅图6，本实施例中用于细胞分选的多分选区结构的使用方法，包括如下步骤步骤I :从外部接口层上第一组通气接口 2通入气体，气体进入PDMS薄膜层上的气室I 5中，气室底部薄膜发生弹性形变，堵塞基底层上分选区I 7和分选区II 8之间的通道；步骤2 :细胞液由外部接口层上细胞液接口 I 1，流经PDMS薄膜层相应端的通孔后，流入基底层上分选区I 7，在压力的作用下将直径d < 5μπι的细胞分选出来；步骤3 :停止从外部接口层上第一组通气接口 2通入气体，气室I 5的底部薄膜恢复原形，分选区I 7和分选区II 8之间的通道畅通；步骤4 :从外部接口层上第二组通气接口 3通入气体，气体进入PDMS薄膜层上气室II 6中，气室底部发生弹性形变，堵塞基底层上分选区II 8和分选区III 9之间的通道；步骤5 :经过分选区I 7分选后的细胞液，从分选区I 7和分选区II 8之间的通道流入分选区II 8，在压力的作用下将直径5ym<d<7ym的细胞分选出来；步骤6 :停止从外部接口层上第二组通气接口 3通入气体，气室II 6的底部薄膜恢复原形，分选区II 8和分选区III 9之间的通道畅通；步骤7 :经过分选孔直径为7 μ m的细胞分选区分选后的细胞液，从分选区II 8和分选区III9之间的通道流入分选区III9，在压力的作用下将直径7 μ m < d < 9 μ m的细胞分选出来。这样，本实施例中的结构实现了不同尺寸的细胞多次分选，得到尺寸满足d<5μπι，5μπι<(1<7μπι 和 7ym<d<9ym 的三组分选细胞。具体实施例2本实施例中用于细胞分选的多分选区结构，由外部接口层、PDMS薄膜层和基底层三部分键合在一起；外部接口层包括两端的细胞液接口和中部的3组通气接口 ；PDMS薄膜层上有与3个内凹形成的气室；各气室的位置与外部接口层上的各组通气接口的位置相应，且各通气接口与相应的气室连通；所述基底层上有4组细胞分选区，各细胞分选区为内凹形成的薄膜，其上具有直径分别为10m、20 u m、25 u m的分选孔；4组细胞分选区
的各相邻份选区之间通过3条微管道连通；3条微管道连通与PDMS薄膜层上的3个气室位置相应；基底层上的4组细胞分选区通过3条微管道连通，再依次经过PDMS薄膜层两端的通孔和外部接口层两端的细胞液接口，形成与外部的连通结构。
本实施例中用于细胞分选的多分选区结构的使用方法，包括如下步骤步骤I :从外部接口层上与直径为IOym分选孔相应一端的第一组通气接口通入气体，气体进入PDMS薄膜层上的第一个气室中，气室底部薄膜发生弹性形变，堵塞基底层上第一组分选区和第二组分选区之间的通道；步骤2 :细胞液由外部接口层上与直径为IOiim分选孔相应一端的细胞液接口，流经PDMS薄膜层相应端的通孔后，流入基底层上分选孔直径为IOym的细胞分选区，在压力的作用下将直径d < 10 ii m的细胞分选出来；步骤3 :停止从外部接口层上与直径为10 分选孔相应一端的第一组通气接口通入气体，第一个气室的底部薄膜恢复原形，第一组分选区和第二组分选区之间的通道畅通；步骤4:i = 2;步骤5 :从外部接口层上的第i组通气接口通入气体，气体进入PDMS薄膜层上的第i个气室中，气室底部薄膜发生弹性形变，堵塞基底层上第i组分选区和第i+1组分选区之间的通道；步骤6 :经过分选孔直径为dH的细胞分选区分选后的细胞液，从第i_l组分选区和第i组分选区之间的通道流入分选孔直径为Cli的细胞分选区，在压力的作用下将直径Cli^1 ^ d < Cli的细胞分选出来；步骤7 :停止从外部接口层上的第i组通气接口通入气体，第i个气室的底部薄膜恢复原形，第i组分选区和第i+1组分选区之间的通道畅通；步骤8 i = i+1 ;如果i ( 3，则返回步骤4，否则，i = 4，进入步骤9 ;步骤9 :经过分选孔直径为20 y m的细胞分选区分选后的细胞液，从第3组分选区和第4组分选区之间的通道流入分选孔直径为25 y m的细胞分选区，在压力的作用下将直径20 ii m彡d < 25 ii m的细胞分选出来。这样，该结构可实现不同尺寸的细胞多次分选，得到尺寸满足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 的四组分选细胞。
权利要求
1.一种用于细胞分选的多分选区结构，其特征在于由外部接口层、PDMS薄膜层和基底层三部分键合在一起；外部接口层包括两端的细胞液接口和中部的N组通气接口 ；PDMS薄膜层上有与N个内凹形成的气室；各气室的位置与外部接口层上的各组通气接口的位置相应，且各通气接口与相应的气室连通；所述基底层上有N+1组细胞分选区，各细胞分选区为内凹形成孔的薄膜，其上具有直径为CliQ = 1，2，…，N+1)的分选孔；各细胞分选区的分选孔直径Cli (i = I, 2，...，_满足=Cl1 < d2〈…< dN < dN+1 ；N+1组细胞分选区的各相邻分选区之间通过N条微管道连通；N条微管道连通与PDMS薄膜层上的N个气室位置相应；基底层上的N+1组细胞分选区通过N条微管道连通，再依次经过PDMS薄膜层两端的通孔和外部接口层两端的细胞液接口，形成与外部的连通结构。
2.一种如权利要求I所述的用于细胞分选的多分选区结构，其特征在于所述PDMS薄膜层由预聚物和固化剂按照体积比或质量比为15:1混合并聚合而成。
3.—种如权利要求I所述的用于细胞分选的多分选区结构的使用方法，其特征在于，包括如下步骤 步骤I :从外部接口层上与Cl1相应一端的第一组通气接口通入气体，气体进入PDMS薄膜层上的第一个气室中，气室底部薄膜发生弹性形变，堵塞基底层上第一组分选区和第二组分选区之间的通道； 步骤2 :细胞液由外部接口层上与Cl1相应一端的细胞液接口，流经PDMS薄膜层相应端的通孔后，流入基底层上分选孔直径为Cl1的细胞分选区，在压力的作用下将直径d < Cl1的细胞分选出来； 步骤3:停止从外部接口层上与Cl1相应一端的第一组通气接口通入气体，第一个气室的底部薄膜恢复原形，第一组分选区和第二组分选区之间的通道畅通； 步骤4 :i = 2 ； 步骤5 :从外部接口层上的第i组通气接口通入气体，气体进入PDMS薄膜层上的第i个气室中，气室底部薄膜发生弹性形变，堵塞基底层上第i组分选区和第i+1组分选区之间的通道； 步骤6 :经过分选孔直径为dH的细胞分选区分选后的细胞液，从第i_l组分选区和第i组分选区之间的通道流入分选孔直径为Cli的细胞分选区，在压力的作用下将直径dH ( d<Cli的细胞分选出来； 步骤7 :停止从外部接口层上的第i组通气接口通入气体，第i个气室的底部薄膜恢复原形，第i组分选区和第i+1组分选区之间的通道畅通； 步骤8 :i = i+1 ;如果i ( N,则返回步骤4,否则，i = N+1,进入步骤9 ； 步骤9 :经过分选孔直径为dN的细胞分选区分选后的细胞液，从第N组分选区和第N+1组分选区之间的通道流入分选孔直径为dN+1的细胞分选区，在压力的作用下将直径dN ( d<dN+1的细胞分选出来。
全文摘要
本发明公开了一种用于细胞分选的多分选区结构及其使用方法，属于微流控芯片领域。该结构由外部接口层、PDMS薄膜层和基底层三部分键合在一起；外部接口层包括两端的细胞液接口和中部的N组通气接口；PDMS薄膜层上有与N个内凹形成的气室；基底层上有N+1组细胞分选区，各细胞分选区上具有直径为di(i＝1,2,…,N+1)的分选孔；各相邻分选区之间通过N条微管道连通。利用本发明的结构进行细胞分选的过程中，由于不同组的分选区结构是相互独立的，故在前一组分选区中分选孔发生堵塞的情况下不会对后一组分选组产生影响，而且通过不同组数分选区的组合，可以实现不同尺寸的细胞多次分选，得到尺寸满足d＜d1,d1≤d＜d2,…,dN≤d＜dN+1的N+1组分选细胞。
文档编号C12M1/00GK102703300SQ20121015187
公开日2012年10月3日 申请日期2012年5月16日 优先权日2012年5月16日
发明者寻文鹏, 常洪龙, 洪水金, 陈方璐 申请人:西北工业大学