用于单细胞捕获及三维旋转的微流控器件的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及单细胞旋转技术领域，特别涉及一种用于单细胞捕获及三维旋转的微流控器件。
【背景技术】
[0002]目前，在单细胞旋转领域中主要是针对单个细胞进行二维平面的旋转，基本都是基于平面电极对单细胞进行操作，二维旋转对于细胞的研究具有一定的局限性，首先无法控制精确的旋转细胞的方位，其次无法全面的了解细胞的整个外貌特性。
[0003]然而，对细胞的三维旋转研究目前效果不显著。举例而言，例如一种新型的细胞三维旋转结构，其设计的单细胞旋转结构能够很好的实现细胞的三维旋转，细胞能够在由电极围成的腔室内旋转，但是由于细胞尺寸在10微米量级，采用移液枪将细胞放入电极腔室内的方法比较笨拙，不仅效率很低，并且很难完成单细胞样品的进给，以及对细胞样品的浪费量很大。因此，如何将单细胞放置进腔体是一件亟待解决的事情。
[0004]需要说明的是，由于细胞必须存在于细胞悬浮液中，因此单细胞捕获的主流方法是采用流体力学的原理，设计具有特殊结构的微流控芯片来实现捕获。而相关技术中的单细胞捕获方法在实现捕获时，具有以下缺点:1)不能准确控制细胞的捕获位置；2)所需要的细胞悬浮液中细胞的样本要足够大，造成细胞样本的极大浪费；3)流道的几何形状设计的非常复杂，增加了对流道的制备要求和成本；4)流道设计的很长，导致微流控芯片上每一个有效捕获单位所占空间大，造成极大浪费。
【发明内容】
[0005]本发明旨在至少在一定程度上解决上述相关技术中的技术问题之一。
[0006]为此，本发明的目的在于提出一种用于单细胞捕获及三维旋转的微流控器件，该微流控器件不但可以准确地捕获单细胞，并且能够实现细胞的三维旋转。
[0007]为达到上述目的，本发明实施例提出了一种用于单细胞捕获及三维旋转的微流控器件，包括:单细胞捕获器，用于捕获细胞悬浮液中单细胞，其中，所述单细胞捕获器包括:第一导电基底；微流道，所述微流道与所述第一导电基底通过不可逆方式进行贴合；三维旋转器，所述三维旋转器与所述单细胞捕获器通过可逆方式进行贴合，用于对捕获的单细胞进行三维旋转，其中，所述三维旋转器包括:第二导电基底；多个竖直电极，所述多个竖直电极嵌入在所述微流道中，所述多个竖直电极形成电极腔室，与信号发生装置相连，被施加信号时在所述电极腔室内产生三维旋转电场，以对所述捕获的单细胞进行三维旋转；以及控制器，所述控制器分别与所述第一导电基底、所述微流道、所述第二导电基底和所述多个竖直电极相连，用于控制所述微流道内细胞悬浮液流速，并对所述第一导电基底、所述多个竖直电极和所述第二导电基底施加电信号。
[0008]根据本发明实施例提出的用于单细胞捕获及三维旋转的微流控器件，通过单细胞捕获器捕获细胞悬浮液中单细胞，并且通过三维旋转器对捕获的单细胞进行三维旋转。通过控制微流道内细胞悬浮液流速，并对多个竖直电极和第一、第二导电基底施加电信号实现单细胞捕获及三维旋转，不但解决了单细胞放置困难的问题，而且能够精确快速的捕捉细胞，减少样本需求量，以及实现单细胞三维旋转，并克服细胞旋转时位置容易偏移和下沉的问题，提高三维旋转的稳定性，节约能源，降低成本。
[0009]另外，根据本发明上述实施例的用于单细胞捕获及三维旋转的微流控器件还可以具有如下附加的技术特征:
[0010]进一步地，在本发明的一个实施例中，所述电极腔室与所述微流道对准贴合，以使所述电极腔室与所述流道相连通。
[0011]进一步地，在本发明的一个实施例中，所述微流道包括:细胞悬浮液进口与出口 ；主流道；细胞捕获区，所述细胞捕获区与所述主流道具有预设体积流率比。
[0012]进一步地，在本发明的一个实施例中，所述控制器采用注射栗驱动或重力驱动推动所述微流道内细胞悬浮液。
[0013]进一步地，在本发明的一个实施例中，所述控制器通过调整输入电信号实现对三轴中任一轴的正方向与反方向的旋转。
[0014]进一步地，在本发明的一个实施例中，所述控制器对所述多个竖直电极和所述第一导电基底施加初相位相反的交流电信号或交替施加直流电信号，并保持所述第二导电基底浮置，从而在所述主流道内形成竖直向上的介电泳力以抬升所述细胞悬浮液中的单细胞，以便于细胞能够流至所述细胞捕获区。
[0015]进一步地，在本发明的一个实施例中，在实现绕z轴的旋转时，则对所述多个竖直电极同时施加同频率不同初相位的交流电信号或交替施加直流电信号，保持所述第一导电基底和所述第二导电基底浮置，在腔内产生绕z轴的旋转电场，每个竖直电极的初相位依次增加或减少，则在腔内会产生旋转电场；在实现绕I轴的旋转时，则对以y-ζ平面对称的竖直电极、所述第一导电基底和所述第二导电基底施加同频率初相位不同的交流电信号或交替施加直流电信号，保持其它竖直电极浮置，在腔内产生绕y轴的旋转电场，或者对y-z平面对称的竖直电极和所述第二导电基底施加同频率初相位不同的交流电信号或交替施加直流电信号，保持所述第一导电基底和其余竖直电极浮置；以及在实现绕X轴的旋转时，则对以χ-ζ平面对称的竖直电极、所述第一导电基底和所述第二导电基底施加初相位不同的交流电信号或交替施加直流电信号，保持其它竖直电极浮置，在腔内产生绕X轴的旋转电场，或者对χ-ζ平面对称的竖直电极和所述第二导电基底施加初相位不同的交流电信号或交替施加直流电信号，保持所述第一导电基底和其余竖直电极浮置。
[0016]进一步地，在本发明的一个实施例中，上述微流控器件还包括:支撑基底，用于支撑所述第二导电基底与所述多个竖直电极。
[0017]进一步地，在本发明的一个实施例中，所述多个竖直电极高于所述第二导电基底的上边面预设长度。
[0018]进一步地，在本发明的一个实施例中，所述三维旋转器还包括:绝缘层，所述绝缘层设置于所述第二导电基底与所述多个竖直电极之间。
[0019]本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
【附图说明】
[0020]本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中:
[0021]图1为根据本发明实施例的用于单细胞捕获及三维旋转的微流控器件的结构示意图；
[0022]图2为根据本发明一个实施例的单细胞捕获器的结构示意图；
[0023]图3为根据本发明一个实施例的捕获细胞的微流道的结构示意图；
[0024]图4为根据本发明一个实施例的三维旋转器的结构示意图；
[0025]图5为根据本发明一个实施例的电极腔室的结构示意图；
[0026]图6为根据本发明一个实施例的用于单细胞捕获及三维旋转的微流控器件的结构示意图；
[0027]图7为根据本发明一个实施例的用于单细胞捕获及三维旋转的微流控器件的工作示意图；
[0028]图8为根据本发明一个实施例的细胞捕捉时流道侧面的流速和流线分布示意图；
[0029]图9为根据本发明一个实施例的细胞释放时流道侧面的流速和流线分布示意图；
[0030]图10为根据本发明一个实施例的利用介电泳力抬升细胞的电场分布不意图；
[0031]图11为根据本发明一个实施例的利用竖直电极实现细胞绕z轴旋转时的电场分布俯视不意图；
[0032]图12为根据本发明一个实施例的利用两个竖直电极和底部电极实现细胞绕x/y轴旋转侧视示意图；
[0033]图13为根据本发明一个实施例的利用两个竖直电极和顶部电极，底部电极实现细胞绕x/y轴旋转侧视示意图；
[0034]图14为根据本发明一个实施例的利用竖直电极约束细胞位置时电极腔室的电场分布图俯视不意图；
[0035]图15为根据本发明一个实施例的利用竖直电极约束细胞位置时电极腔室的电场分布三维示意图；
[0036]图16为根据本发明一个实施例的悬浮细胞对应的电极腔室电场分布侧示意图；
[0037]图17为根据本发明一个实施例的实验流程图；以及
[0038]图18为根据本发明一个实施例的用于单细胞捕获及三维旋转的微流控器件的工作流程图。
【具体实施方式】
[0039]下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0040]此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0041]在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0042]在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方