使用电磁螺线管的细胞分选系统的制作方法

使用电磁螺线管的细胞分选系统的制作方法
【专利摘要】公开了基于MEMS的细胞分选系统，它采用了新颖的特征组合来实现在容纳于一次性盒中的微制造的通道中的细胞分选。该基于MEMS的细胞分选系统可以包括微制造的响应于所施加的磁场的细胞分选阀。该基于MEMS的细胞分选系统还可以包括产生磁场来致动微制造的细胞分选阀的电磁铁。该电磁铁可具有允许它产生非常局部化的磁场同时有足够的热性质来可靠地操作的设计。
【专利说明】
使用电磁螺线管的细胞分选系统
技术领域
[0001]本发明涉及使用微制造的、可动的细胞分选机构的细胞分选系统。
【背景技术】
[0002]微机电系统(MEMS)是在衬底上制成的非常小的，通常可动的结构，其使用表面或本体光刻加工技术，比如那些用于制造半导体器件的技术。MEMS装置例如可以是可动的致动器，传感器，阀，活塞，或开关，具有几微米至数百微米的特征尺寸。例如，可动的MEMS开关可以用来将一个或更多输入端子连接到一个或更多输出端子，所有这些都被微制造在衬底上。用于可动开关的致动装置例如可以是热的，压电的，静电的，或磁性的C3MEMS装置也可以被制备为操纵在流体流中通过该MEMS装置的颗粒。
[0003]例如，MEMS装置可能是用作分选机构的可动阀，分选机构用于从流体流中分选各种颗粒，例如来自血液的细胞。颗粒可以在封闭于微通道内在压力下流动的流体流中被运送至分选装置。在到达MEMS分选装置后，该分选装置将所关注的颗粒如造血干细胞引导至单独的容器，并将流体流的剩余部分引导到废物容器。
[0004]以前，现有的颗粒分选器使用荧光激活细胞分选(FACS)并被称为流式细胞仪。流式细胞仪通常是大且昂贵的系统，其基于来自固定到感兴趣的细胞上的标签的荧光信号来分选细胞。将细胞稀释并悬浮在鞘液中，然后借助于穿过喷嘴快速减压而分离成单独的液滴。在从喷嘴喷出后，根据来自标签的荧光信号，液滴通过静电被分到不同的储仓中。这些系统的问题包括，由于减压造成细胞损伤或功能丧失，不同试样之间的困难而昂贵的消毒程序，无法遵循不同参数重新分选亚群，以及拥有、运营和维护这些大型、昂贵的装备部件所必需的大量培训。至少由于这些原因，流式细胞仪的使用已被限于大型医院和实验室，而该技术对于较小的实体尚不可得。
[0005]基于MEMS的细胞分选系统可具有在成本、速度和容量方面超过流式细胞仪的实质性优点。已经授权了涉及这类基于MEMS的颗粒分选装置的许多专利。例如，美国专利N0.6838056(’056专利)涉及一种基于MEMS的细胞分选装置，美国专利号N0.7264972Β1Γ972专利)涉及一种用于基于MEMS的细胞分选装置的微机械致动器。美国专利N0.7220594( ’594专利)涉及用MEMS细胞分选装置制备的光学结构，并且美国专利N0.7229838(’838专利)涉及一种致动机构，用于操作基于MEMS的颗粒分选系统。此外，美国专利申请N0.13/374899(’899申请)和13/374898(’898申请)提供了其它MEMS设计的进一步的细节。这些专利(’056，’ 972，’ 594和’ 838)和专利申请(’ 898和’ 899)中的每个在此通过引用结合于本文中。在上述细胞分选系统中使用微流体装置时遇到的问题包括，狭窄通道的堵塞，以及这些狭窄通道与宏观世界的对接，以及对这些非常小的可动装置的运动的控制。

【发明内容】

[0006]描述了细胞分选系统，它使用微制造的细胞分选MEMS芯片JEMS芯片中的通道由光刻法形成，并且因此非常小。这些狭窄通道的堵塞对可靠的长期操作构成了很大的挑战。此外，这些狭窄通道必须匹配大得多的宏观特征，并处理小体积的流体，在分选稀有细胞时尤为如此。
[0007]在这里所描述的系统中，运用了各种新颖的设计元素，以促成该MEMS细胞分选系统。塑料插入器被用于提供微观通道与宏观特征之间的相互连接。专门设计的电磁铁提供精确定位的电磁场，其导致非常小的MEMS芯片在大得多的系统内移动。此电磁铁最小化产生的热量，从而提高了效率。最后，特殊配方的流体材料被用来减少或消除堵塞。
[0008]因此，描述了一种细胞分选系统，其可包括在硅衬底上微制造的细胞分选阀，具有从细胞分选阀引出的微制造的通道，含有试样储器、分选储器和废物储器的一次性盒，以及插入器，其将硅衬底中的微流体通道连到一次性盒中的储器。
[0009]因此，细胞分选阀可以是相当小的，并且可以被磁致动。为了提供致动的磁场，细胞分选系统还可以包括电磁铁，该电磁铁带有渐缩形尖端、线圈和磁芯，其中，所述渐缩形形状用于会聚由线圈和磁芯产生的磁通线、并在该尖端附近离开该电磁铁。渐缩形尖端和磁芯可以具有特定的形状和尺寸，并可以嵌入在散热材料中以提尚性能。
【附图说明】
[0010]各种示例性的细节参照以下附图进行描述，其中:
图1是处于第一位置的MEMS芯片分选器的示意图；
图2是处于第二位置的MEMS芯片分选器的示意图；
图3是一示例性的MEMS细胞分选系统的示意图，该系统可利用图1和图2的MEMS分选器；图4是可在图3的包括MEMS芯片分选器和插入器的MEMS细胞分选系统中使用的一示例性的一次性盒的分解图；
图5a是可在图3的包括MEMS芯片分选器和插入器的MEMS细胞分选系统中使用的示例性的一次性盒的侧视图；图513是该示例性的一次性盒的端视图；
图6是可在图3的包括MEMS芯片分选器和插入器的MEMS细胞分选系统中使用的示例性的一次性盒的另一侧视图；
图7是可与图4的一次性盒一起使用的示例性插入器的平面图；
图8是可与图4的一次性盒一起使用的示例性插入器的透视图，示出了面对盒侧；
图9是示例性插入器的正面侧的立体图；
图1Oa是可产生磁场的靶标电磁铁的平面图，该磁场可将MEMS芯片分选器从第一位置(图1)致动至第二位置(图2)；图1Ob是磁体尖端的俯视图；图1Oc是靶标电磁铁的透视图。
[0011]图1la是使用散热材料的靶标电磁铁的第二实施例的平面图；图1lb是磁体尖端的第二实施例的俯视图；图1lc是靶标电磁铁的第二实施例的透视图；和
图12是使用铜基印刷电路板用于散热的可产生磁场的靶标电磁铁的另一实施例的俯视图。
[0012]应当理解，附图不一定按比例绘制，并且相似的数字可以指代相似的特征。
【具体实施方式】
[0013]描述了用于从流体流中的非靶材料中分选靶颗粒的系统和方法，该系统和方法使用微制造(MEMS)的可动阀或分选机构，其引导靶颗粒从试样输入通道进入分选通道，同时允许非靶材料流入废物通道。两种通道都通往单独的各自的储器，即分选储器和废物储器，并且被储存在那里，直到去除。分选储器、试样储器和废物储器，连同MEMS芯片分选器一起，可以被容纳在塑料的一次性盒中。在流体被从这些储器收集之后，该盒可以随后被丢弃。这允许大大降低在试样之间对系统消毒的负担。该系统和方法还可以具有在成本、性能、速度和复杂性方面的显著优势。该系统还可以在其处理细胞时轻柔得多，使得流出物中的细胞的存活率与基于液滴的流式细胞仪相比大大提高。
[0014]因为该细胞分选系统的微流体的特性，要采取措施以减少或消除堵塞，以及处理流体的小体积，并控制非常小的可动阀。插入器可被用于提供微观通道与宏观特征之间的相互连接。最后，特别设计的电磁铁提供精确定位的电磁场，其导致非常小的MEMS芯片在大得多的系统内的移动。此电磁铁最小化产生的热量，且从而提高了效率。这些特征中的每个特征在下面进一步描述。
[0015]图1是微制造的细胞分选机构MEMS芯片分选器10的示意图，其可在此处所描述的颗粒分选系统中使用。细胞分选机构的细节可以在通过引用而结合在本文中的共同待决的美国专利申请序列号N0.13/998095(以下称为’095专利申请冲找到。微制造的细胞分选机构10的独特特征包括，细胞分选阀110的运动平行于阀的制造平面。此外，废物通道140基本上正交于试样入口通道120和分选输出通道122。这些特征使在速度和精度、阀通过量和微流体分选的容易性方面能够有明显的优势。
[0016]在图1的平面图中，新颖的MEMS芯片分选器10处于静止(未致动的)位置。MEMS芯片分选器10可包括微制造的流体阀或可动部件110和多个微制造的流体通道120，122和140。利用在’ 095申请中更详细地描述的MEMS光刻制造技术，可以在合适的衬底如硅衬底中形成微制造的流体通道120，122和140。该制造衬底可以具有在其中形成器件的制造平面，并且可动部件110可在该制造平面中移动。
[0017]试样流可以通过试样入口通道120被引向微制造流体阀110。试样流体在通过流体阀110分选之前可被储存在试样储器20中。试样流可含颗粒的混合物，颗粒包括至少一种所需的靶颗粒和多种其它非所需的非靶颗粒。颗粒可以悬浮于流体中。例如，靶颗粒可以是生物材料，比方说例如干细胞，癌细胞，接合子，蛋白质，T细胞，细菌，血液成分，DNA片段，它们悬浮于缓冲液如盐水，或者是后述的新颖的化学物质中。入口通道120可以在与阀110相同的制造平面中形成，使得流体的流动基本上在该平面内。阀110的运动也是在此制造平面内。指定颗粒的分选/保存或处置/废弃的决定可以基于任何数量的区别信号。在一个示例性实施例中，该决定基于由颗粒发出的荧光信号，其基于被粘附到颗粒上并且由照射激光激发的荧光标签。激光询问区域200是微流体通道的一部分，其中照射激光或询问激光被引导到靶颗粒上，以便将其从流体试样的其它组分中区分开。关于此检测原理的细节在文献中是众所周知的，并且还在下文中关于图3进行了论述。然而，其它类型的区分信号是可以预料的，包括可基于颗粒形态的侧散射光或散射光，或者任何数量的机械的、化学的、电的或磁的效应，这些效应能够区分出颗粒或者为靶颗粒，因而需要被分选或保存，或者为非靶颗粒，因而被拒绝或以其它方式处置。
[0018]在阀110处于所示位置时，输入流无阻碍地流到输出孔和通道140，其在入口通道120的平面之外，且因而在MEMS芯片分选器10的制造平面之外。也就是说，该流是从入口通道120到输出孔口 140，从这里其大致垂直地流动，因此正交于该入口通道120。该输出孔140通往平面之外的通道，该通道可能垂直于图1所示纸张的平面。更通常地，输出通道140不平行于入口通道120或分选通道122的平面或可动部件110的制造平面中的至少一者。
[0019]输出孔140可以是在制造衬底中形成的孔，或者是在被结合到制造衬底上的覆盖衬底中形成的孔。此外，阀110可以具有弯曲的转向面112，其可将输入流的流重定向到分选输出流中。孔140的轮廓可以为使得其重叠入口通道120和分选通道122的一部分而非全部。通过使轮廓140重叠入口通道，就存在当可动部件或阀110处于未致动的废物位置时输入流直接流入废物孔140中的路径。废物通道140可通往废物储器40，其可以收集非靶材料。
[0020]图2是处在致动位置的MEMS芯片分选器10的平面图。在该位置，可动部件或阀110向上偏转到图2中所示的位置。转向面112是分选轮廓，其将入口通道120的流重定向到分选输出通道122中。输出通道122可以与入口通道120处于基本上相同的平面中，使得该分选通道122内的流也与入口通道120内的流处于基本上相同的平面中。在入口通道120和分选通道122之间可能有一角度。这个角度可以是高达约90度的任何值。对可动部件110的致动可以来自于在图2中一般地显示的力产生装置400的力。在一些实施例中，力产生装置可以是如上所述的电磁铁。然而，应该理解的是，力产生装置也可以是静电的，压电的，或者在可动部件110上施加力使其从第一位置(图1)移动到第二位置(图2)的一些其它手段。分选通道122可通往储器22，其收集从在图2中所示位置上的可动阀中流出的分选的靶颗粒。
[0021]在一些实施例中，力产生装置400上的力可以包括产生磁场的线圈，线圈于是与可动部件相互作用。为了使可动部件响应于这样的电磁力，它可以具有镶嵌入可动阀110中的导磁材料。此材料的范围可以到达边缘，但仅仅是处在轮廓110的内侧，如图1和图2所示。
[0022]导磁材料应被理解为是指能够支持在其内部形成磁场的任何材料。换句话说，材料的导磁性(导磁率)是指该材料响应于所施加的磁场而获得的磁化程度。
[0023]这里使用的用语“导磁材料”或“具有高导磁率的材料”应被理解为是其导磁率比空气或真空的导磁率更大的材料。也就是说，具有高导磁率的导磁材料是其相对导磁率(与空气或真空相比)为至少约100、即100倍于空气或真空的导磁率(空气或真空的导磁率为大约1.26 X 10-6 H.m-1)的材料。有导磁材料的许多例子，包括铬(Cr )，钴(Co)，镍(Ni )和铁(Fe)的合金。一种常见的导磁材料被称为坡莫合金，其具有约60%至约90%的Ni和40%至10%的Fe的组分。最常见的组分是80%的Ni和20%的Fe，其具有约8000的相对导磁率。因此，可动阀110可具有坡莫合金材料116，其被镶嵌到可动特征110中，并且随后被平面化以使可动阀的轮廓保持平坦。关于这种导磁特征的制造的另外的细节可在结合于本文中的’095专利申请中找到。
[0024]根据静磁学公知的是，导磁材料被吸到其中磁通线集中的区域内，以便降低由导磁材料提供的磁通路线的磁阻。因此，磁场的梯度促使可动部件110因镶嵌的导磁材料116存在，而朝向具有高浓度的磁通的区域运动。也就是说，带有镶嵌导磁材料116的可动部件110将在磁通的正梯度的方向上被吸引。在下文中参照图1Oa-1Oc描述了一种新颖的核心设计，其在非常特定的区域中集中磁通线，以优化对可动部件Il0的控制。
[0025]图3是细胞分选系统I的示意图，细胞分选系统I可使用微流体通道，容纳在一次性盒1000中的MEMS芯片分选器10，和产生磁通的装置400。下文是系统的一些其它部件以及它们如何与MEMS芯片分选器10相互作用的描述。特别是，图3绘出用于询问区域200的询问激光的光路，在通道120-140中的流体流的控制以及MEMS芯片分选器1的控制。在系统层面的描述后，讨论将转向系统I的独特特征，其使微流体系统I能够以精确的、可靠的和可预测的方式工作。
[0026]如图3所示，微制造的MEMS芯片分选器10可以被容纳在一次性盒1000中，该一次性盒1000可以被装载到移动台上，并且相对于细胞分选系统I中的检测光学器件和询问激光器2400定向。流体然后从也容纳在一次性盒1000中的流体储器流经MEMS芯片分选器10通过一系列通道，如将在下文中关于图4-8描述。
[0027]在系统I的正常操作中，靶颗粒可以是特定的细胞，例如干细胞，或癌细胞，其已经用荧光标签进行标记。此标签当被以预定波长操作的激光器2400照射时发出具有特定能量的光子。因此，在该细胞分选系统中，激光源2400可以通过检测/收集光学器件2100由旋转镜2250引导到图1-2所示的激光询问区域200。检测/收集光学器件2100和激光源2400的光轴至少在光路的一部分上可以是共线的。因此，沿着该光轴施加激光和光学检测的取向可垂直于或正交于衬底制造平面，正交于可动阀110的运动的平面，并正交于试样流体通过检测区域的流动。
[0028]从经照射的颗粒发出的荧光可以通过检测/收集光学器件2100成形，并由分色镜2200分离，并且被引导到一系列光检测器2300。多个光检测器可以适应发出的光的多个波长，用于多参数检测。由光检测器2300输出的信号表示在激光询问区域200中存在或不存在靶颗粒。该信号可被输送到控制器2900，控制器2900管理颗粒分选系统I中的部件的相对正时，并收集数据。控制器2900可以是通用计算机或专用电路或ASIC。当检测到靶颗粒时，由控制器2900产生信号来激励力产生装置或磁通产生装置400。控制器2900还可以借助于一个或多个气动的、液压的、基于活塞的或基于机械力的机构(其一般示出为流体控制装置2500)为MEMS芯片分选器10提供流体控制。检测颗粒的速度可以由可保持流体控制装置2500的控制器2900来监测。
[0029]力产生装置400是可导致在可动结构110自身内产生力促使可动部件运动的装置。这个力产生装置400可以不直接机械地联接到MEMS颗粒操纵装置10，如图3中的虚线所示。例如，力产生装置400可以是磁通源，其导致静磁力在MEMS可动阀110中的镶嵌导磁材料116出现，如前所述。因此，磁通产生装置400可以是具有磁芯和绕组的电磁铁。这个力可以将可动阀110拉向力产生装置400，从而开启分选通道122和关闭废物通道140，如图1和图2中所示。重要的是，力产生装置400可留在颗粒分选系统I中，而不是在MEMS芯片分选器10中。如前面提到的，这可以降低可被容纳在系统I的一次性部分1000中的MEMS芯片分选器10的成本和复杂性。在图3所示的紧凑型系统中，重要的是，力产生装置400不产生过多的热量。如前面提到的，因为MEMS芯片分选器10的非常小的尺寸，力产生装置400也可能需要产生集中于一个小区域内的磁通线。关于可适用于本申请中的新颖磁通产生装置400的设计的细节，将在下文中参考图1Oa-1Oc进行讨论。
[0030]也可包括另一种可选的激光器2410，以在细胞分选系统I提供第二光通道。应当理解，可以使用任何数量的激光源2410，但是，为了描述简单起见，在图3中只示出了两个。
[0031]如上所述，激光询问区域200是微流体通道的一部分，在该部分中，至少一个激光器2400被导向到靶颗粒上，以将其与流体试样的其它组分区分开。
[0032]当经过检测区域200时，可由检测器2300产生信号，指示靶颗粒存在于询问区域200中。在已知的延迟之后，可由控制器2900生成信号，指示分选闸，即可动阀110打开，以将检测出的靶颗粒从流体流中的其它成分中分离。该可动MEMS阀110可包括先前所提到的导磁磁性材料116，从而当存在磁场时磁力可以在其中出现。当由控制器2900生成信号时，在嵌入的导磁材料116中产生力，它将可动阀110拉向力产生装置400。这一动作可能会关闭废物通道140并将靶颗粒重定向到分选通道122中。分选后的试样随后由在分选通道122末端的分选储器收集，所述分选储器保持分选的试样。如前所述，控制器2900也可以基于记录分选事件的速率来控制流率，或者例如可以基于一些其它的反馈信号，比如压力或速度，来控制流率。
[0033]流体控制装置2500可以控制流过MEMS芯片分选器10的通道流体的方向和速度。也可以基于如下所述的一些标准来控制该流体控制装置2500。该流体控制装置2500可以包括气动的，液压的和/或单向的阀，并且/或者可以包括活塞或栗和相关的流体通道。在正常操作期间，可以通过反馈回路中的流体控制装置2500以及控制器2900控制流，以使例如，细胞速度，流体压力，或甚至流率保持恒定。
[0034]在另外一个实施例中，细胞分选系统可以包括反馈回路，以防止通道被悬浮在流体中的细胞或其它固体材料堵塞。生物细胞尤其倾向于粘附在通道表面、边缘或分支上，从而降低通过该系统的液体的流量和/或总体的细胞分选性能。该反馈回路可至少包括流体控制装置2500，控制器2900和栗。
[0035]控制器2900可通过监测系统内的流体压力和/或细胞速度，来检测即将发生的堵塞。如果流体压力、事件发生率和/或平均细胞速度下降到预定的范围之外，则可以表明即将发生堵塞。控制器2900可以增加栗的速率，直到流体压力和/或细胞速度再次达到阈值。可以通过合适的检测器监测流体压力，并且可以通过监测在光通道中的事件的发生率来推出细胞速度。优选的是，细胞速度可以在0.2至10米/秒之间，并且可以在+/-0.2米/秒内是恒定的。因此，激活反馈回路的阈值可以是细胞速度降低约0.2米/秒，或者是与之相当的压力损失。但是应当理解的是，这里给出的细节仅是示例性的，并且这种操作参数的选择将取决于应用的具体情况。
[0036]在分选操作结束时，此时待分选的试样的体积几乎耗尽，控制器协同流体控制装置可以使微通道中的流体的流动反向，从而保持通道湿润，如在2014年I月29日提交的美国专利申请N0.14/167566中所描述的那样，其通过引用而整体结合在本文中。系统I还可以具有通过对流过激光询问区域200的流反向来评价分选处理有效性的装置，如在2013年12月12日提交的美国专利申请序列号N0.13/104084中详细描述，其通过引用而整体结合在本文中。
[0037]下文中描述MEMS细胞分选系统I的“生效”方面，特别是允许流体以可重复且可靠的方式流入流出MEMS芯片分选器10，从宏观储器到MEMS芯片分选器10，以及控制非常小的MEMS芯片分选器10的那些方面。
[0038]图4是可在图3所示颗粒分选系统中使用的示例性的一次性盒1000的分解透视图。一次性盒1000可以包括若干可组装的部分，比如顶部1120和基部1130。
[0039]一次性盒1000可以容纳MEMS芯片分选器10并在流体储器中提供储存。因此，一次性盒1000的基部1130可具有在其中形成的多个空隙或隔室，包括试样储器20、分选储器22和废物储器40。如下面进一步描述，要分选的试样可以储存在试样储器20中，分选流出物储存在分选储器22中，并且废物流出物储存在废物储器40中。这些空隙之间的流体通道可以全部被布置在插入器1400中和/或在MEMS芯片分选器10中。
[0040]在顶部1120与基部1130之间可以布置多个过滤器1180，以保护试样免受污染或碎片影响。这些过滤器1180可以是例如，0.20微米的无菌过滤器(Sterifi I ter)。过滤器1180可以位于各种流体储器20，22和40的正上方。
[0041 ]磁化的螺旋桨1150和针1160可位于试样储器20内并被封闭在顶部1120与基部1130之间，针1160可用作磁化的螺旋桨1150的轴。在暴露于循环的磁场时，磁化的螺旋桨1150可以在轴1160上旋转，使试样储器20中的内容物被混合或均化。最后，20微米的过滤器1170可以被放置在试样储器20之上，以便在输入试样朝向下游前往MEMS芯片分选器10之前对其进行过滤。
[0042]可利用吸液管、或通过示出的接入端口1111利用注射器和柱塞(未示出)，将试样流体引向试样储器，之后盒可以用指旋螺钉1110来密封。备选地，盒可以在其中已经装载试样流体的状态下进行传输。
[0043]图5是组装的一次性盒1000的侧视图，示出了试样储器20、分选储器22和废物储器40。在该组装的视图中示出的是MEMS芯片分选器10和插入器1400相对于盒基部1130的相对位置。应当指出的是，图5相对于图4是倒转的，使得所示位于图4盒的左手侧的试样储器20，现在位于图5的右手侧，相关联的通道、搅拌器等等也同样如此。
[0044]为了在MEMS芯片分选器10的非常精细的微制造特征与储器20，22和40的大得多的流体体积之间提供过渡区域，可提供插入器1400。插入器1400可以由塑料通过例如注塑成型而形成，并且可具有+/-10毫米量级的中间公差。插入器1400的目的是在MEMS装置的非常小的结构与盒及储器的总的宏观结构之间提供过渡。
[0045]因为插入器可以以合理的精密公差(+/-1Omm)进行制造，因此当至通道的孔为约300微米的量级时，将MEMS芯片中的通道与插入器1400中的通道对齐是可能的。尽管通往可动阀110和从可动阀110引出的通道的宽度可能小得多为150微米的量级，但是，将流体引至通道的孔可以接近此尺度制造。这些孔示于图6中。
[0046]如图6中的插图上所示，插入器1400中的通孔，比如通孔1420，可具有渐缩形形状，其顶部直径为300微米的量级。该孔可逐渐变细到在基部具有大约200微米的直径，在此处它与MEMS芯片分选器10的分选通道20的相应孔会合。
[0047]插入器可具有在其中形成的通道1120、1122和1140，如图7中所示，这些通道可对应于图1和图2中所示的通道120，122和140。也就是说，通道1120可以与MEMS芯片分选器10上的通道120匹配，以提供从试样储器20至MEMS芯片分选器10的流体通道。在MEMS芯片分选器10的下游，插入器1400可以提供经由分选通道122(芯片上)和1122(插入器上)从可动阀110至分选储器22(在盒中)的流体通道。类似地，插入器1400可以提供经由废料通道140(芯片上)和1140(插入器上)从可动阀110至废物储器40(在盒中)的流体通道。
[0048]插入器的另一个目的是为可能的小体积的已分选的材料提供收集区。例如，由于靶细胞可能是罕见的，比如干细胞，因此，在分选储器中收集的流体的体积也可能是相当小的，并且与试样中的靶细胞的频率成比例。因此，低至几微升的体积也是可以预期的。插入器可以提供分选的流出物被虹吸到其中的区域，便于用小吸液管收集。此虹吸区域显示在图7中。
[0049]特别是，应该注意到，虹吸区域1450的底板位于比分选通道1122的底部更低的高度。因此，流体可以借助于虹吸作用和弯液面力从MEMS芯片分选器10流到分选储器，从这里流体可通过皮下注射针或微吸液管收回。此虹吸作用可有助于抵消在非常小的通道中的小体积流可能出现的毛细管力。
[0050]重要的是，分选通道1122可以制作成与试样通道1120和废物通道1140相比相对较短，以使例如通过粘到通道壁上而损耗的材料的量被最小化。
[0051]同样在图7的细节中还示出了胶坝1460，这将接下来关于盒组件进行描述。
[0052]如在图7中可以看出，试样通道1122可以从试样储器20的最底部吸取材料。这在使从给定试样体积中回收材料的百分比或产量最大化方面可能是重要的。相比之下，废物通道1140可以将非靶材料递送到位于废物空隙或废物储器40的壁的倾斜部上的点。
[0053]插入器1400可以由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、环烯烃聚合物(COP)或其它材料通过注射成型，压花，激光加工或3D打印制成。在插入器1400中的通道1420的公差在约100至400微米的总直径上可以为大约+/-10微米。MEMS芯片分选器10中的相应通道20可以为约50至150微米。这些通道20和1420然后可如图6中的插图所示在约10微米的公差内对准。MEMS芯片分选器10可首先通过将其密封在图9所示芯片腔1470中而被胶粘到插入器上。腔1470可以足够精确地形成，使得MEMS芯片分选器10中的通道与插入器1400中的通道大致重叠。允许的失配可能高达约20微米，这是容易实现的。在印刷电路板制造中公知的拾取和放置机器可足以胜任此任务。MEMS芯片分选器10可被胶粘就位于腔1470内。
[0054]然后，通过将插入器1400的定位孔1410抵靠在盒主体1000中的相应支柱定位，插入器1400可以用胶或胶结剂被胶粘在盒基部1130中。由于这种胶或胶结剂将需要是水密的、但不与通道1120，1122或1140干涉，因此，一些特征可以被形成为围绕这些通道的胶坝1460，如图7和图8所示。这些胶坝1460可以用于阻止未固化的液体胶进入小通道1120、1122和1140。特征1460可以是塑料材料的抬高凸脊，其防止液体进入通道或其它凹部。特别是，胶可以被注入端口中，该端口通向插入器1400与盒主体1000的其余部分之间的对接部。胶水将围绕此区域浸润，但会通过围绕这些通道的胶坝1460被保持在微流体通道1120，1140和1122之外，如图7和图8的透视图所示。胶坝将插入器1400与盒主体1000的其余部分之间的对接部的厚度从约50微米降低为0.2至2微米，从而产生毛细管效应，防止胶水溢流超出坝而进入微流体通道。但是应当理解的是，这些尺寸仅仅是示例性的，并且这样的细节将取决于应用的具体情况。根据所用胶的类型，液体胶可以通过例如热、压力或曝光于UV辐射来固化。
[0055]备选地，插入器1400可以首先被结合到盒主体1000上，然后MEMS芯片分选器10可以被添加至该组件。
[0056]图9是该插入器1400的正面侧的简化透视图。此侧包括用于MEMS芯片分选器10的承座区1470。该MEMS芯片分选器10可以胶粘或以其它方式结合抵靠在承座区1470的特征上。
[0057]该插入器的示例性尺寸为16mm长，6mm宽，Imm高。废物储器和试样储器可以具有2毫米的直径。试样通道1120、分选通道1122和废物通道1140每一个可以具有300微米的宽度。胶坝的高度可以是约20微米。
[0058]因此，盒1000的制造工艺可以包括:
1.将MEMS芯片分选器10胶粘到插入器1400上 2.抵靠盒定位销放置插入器
3.挤压插入器
4.将胶引入插入器和盒之间的间隙
5.紫外线固化胶
6.例如通过胶、胶粘剂或超声波焊接将盒基部附接到盒顶部上
应当清楚，步骤1-6不必以所示的顺序来执行。例如，盒基部1130可在附接MEMS芯片10或插入器1400之前被附接到盒顶部1120。
[0059]如前所述，在图3中所示的系统中的致动机理可以是电磁的。因此，关于图1、图2和图3如上所述的系统的另一个方面是需要精确局部化的磁场来致动小的MEMS芯片分选器
10。因为可动阀110是如此之小，所以重要的是使磁通产生结构为高精度的，低功率的和高效率的。
[0060]因此，基于MEMS的细胞分选系统可以包括电磁铁，其产生非常局部化的磁场来致动MEMS芯片分选器10。该电磁铁也可以设计成具有足够的热性质，以便它能够在高速下长时间可靠地运行。该设计的细节示于图10-12中，并在下面进一步描述。
[0061 ] 磁场线(磁通)的外部源可以设在MEMS芯片分选器1的外部，如在图1和图2中示出。此源可以是电磁铁400。裸的电磁铁400在图1Oa-1Oc中更详细地示出。图1Oa示出了电磁铁400的侧视图；图1 Ob示出电磁铁400的放大的顶视图；并且图1O c示出电磁铁400的透视图。电磁铁连同散热材料一起在图1 Ia，I Ib和11 c中显示。图12中示出了带铜基PCB的电磁铁。
[0062]电磁铁400可以包括周围缠绕线圈460的导磁芯470。芯470可具有突出的渐缩形部分472和展平片部分474。突出的渐缩形部分472可具有逐渐变细到窄端部450的加宽基部452，如图1Ob所示。例如，线圈460可以缠绕在渐缩形部分472周围，但不缠绕展平片部分474。展平片部分474可以主要用于提供低磁阻通道，以闭合由线圈产生的磁通线。尽管图1Oa示出的是线圈460仅仅缠绕在渐缩形形状472周围，但是，该线圈可以被放置在其它位置，比如围绕磁芯470的其它部分。线圈472可以围绕加宽片474放置，例如，作为代替或作为附加，线圈可缠绕在渐缩形形状472上。
[0063I 为清楚起见，线圈460在图1Ob中未示出，相反图1Ob更详细地示出了渐缩形部分472。
[0064]线圈460和具有渐缩形部分472和片474的芯470产生磁场，该磁场在尖端450离开电磁铁400的磁极，发散，并返回到相反的极，这是由基本电磁学公知的。当电磁铁400被带入可动阀110附近并且线圈460被通电激励时，线圈460和磁芯470产生从尖端450强烈发散的磁通线。因此，可动部件110通常被拉向图1Oa所示的电磁铁400的尖端450，因为镶嵌在其中的导磁材料116被吸引到磁通密度增加的区域。
[0065]尖端450可成形为使得磁场集中，将磁场强度朝向磁饱和极限增大，并有效地将其发射到MEMS芯片分选器10中的导磁元件中，导磁元件如先前所述是镶嵌导磁材料116。该镶嵌导磁材料可以是薄膜，其中，该薄膜的厚度相比于侧面尺寸是相对较小的。结果，尖端450可具有比另一个更大的一个尺寸，以提供有效地耦合到镶嵌导磁材料Il6中的磁通的场。该导磁特征116然后被朝着尖端450的增加磁通量集中的区域吸引。
[0066]如图1Oa所示，磁芯470可被赋予渐缩形形状472，其可趋于在围绕尖端450的区域进一步集中磁通。渐缩形角度可以是例如离垂直约O度至约30度。纵横比(渐缩形的渐缩长度/平均宽度)例如可以小于大约5/1，更优选为大约2/1，但也可以在宽的形状范围内进行设计。但是，为了在尖端450集中磁通，可能有利的是使在渐缩形形状的尖端的直径小于在渐缩形形状的基部的直径。图1Ob是磁芯470的尖端的放大的俯视图，面朝上示出了尖端的渐缩形。渐缩形形状472可具有在尖端450要比在基部452更窄的轮廓。例如，渐缩形形状472可以是金字塔形的。虽然端部450和基部452被显示为大体上扁圆的，但是应当理解，这只是示例性的，并且尖端450和基部452可具有任何任意的形状，只要尖端450具有至少一个小于基部452的侧向尺寸。换句话说，渐缩形形状472可以是长度:宽度的纵横比为1:1至5:1之间的几何体，在顶部的直径小于在基部的直径，并且渐缩形角度为约3°到约45°之间。
[0067]图1Oc是渐缩形形状450、线圈460和磁芯470的透视图。渐缩形472的基部452可具有小于约5毫米的宽度，以及横跨最宽弦的小于约Imm的尖端450。渐缩形形状472的高度可以小于约10毫米。因此，该渐缩形形状可以具有形成至少大约3度和最多约45度的角度α的轮廓，其中该角度是相对于如图1Oa所示的对称轴线而限定的。更具体地，该轮廓可相对于该对称轴线形成大约10度的角度α。更优选地，该渐缩形形状的基部可具有2至5毫米的高度，并且在基部具有0.5至2毫米的宽度。该渐缩形形状的尖端450可以小于基部452，并具有约1.0毫米X 0.7毫米或至少约0.2毫米X 0.1毫米的矩形尺寸。但是应当理解的是，这些尺寸仅仅是示例性的，并且这样的细节将取决于应用的具体情况。磁模型表明，MEMS芯片分选器10中的导磁元件的近似宽度的电磁铁尖端是最佳的，具有近似相同尺度量级的高度。然后通过渐缩形角度来确定基部尺寸。具有渐缩形形状472的磁芯470还可以包括在渐缩形形状472的基部的加宽片部分474，其中，加宽片474在最大尺寸的维度上具有约10毫米的长度。如下面进一步描述，带有渐缩形形状472和加宽片474的磁芯470可与散热材料在至少两侧接触。
[0068]芯470的磁体材料可以是钴/铁、铁、镍/铁合金或其他任何导磁磁性材料。在一些实施例中，磁体材料470可以是NiFe坡莫合金(70%Ni和30%的Fe)。该材料可以具有至少大约5000的导磁率。
[0069]磁模型也表明并且经实验证实，该片部分74的宽度W对于减小磁路的总磁阻可能是重要的。约10毫米的片部分474的宽度已被证明表现令人满意。为了产生尽可能大的场，要求对渐缩形磁性元件472和线圈460施加尽可能大的电流通过尽可能多的线圈匝数。但是，众所周知，大电流通过小直径的导线会产生大量的热，这会降级甚至破坏装置。因此，重要的是，要尽可能快地使热量离开精巧的结构。
[0070]在一般情况下，在线圈460的较少层以更有效的散热，或者更多的层以用于更大的通量(安培*转)，且因此有更大的磁力和更高的速度之间可能有折衷。在一个实施例中，围绕渐缩形磁体472的线圈460有一个层，但是在其他实施例中，电磁铁400可具有更多层，并且可在渐缩形磁元件472上构思高达至少三层的线圈。
[0071]但是，因为所有这些元件的形状因数必须较小，所以，导线直径必须相对较小，以便最大化将会缠绕在渐缩形磁性元件472上的线圈匝数。较小的导线尺寸趋于增大电阻，从而增加在导线中产生的功率。这种情况导致大量的焦耳加热，使得对装置进行散热成为重要的设计考虑因素。
[0072]图1la示出了散热器440施加于其上的电磁铁400的侧视图。图1lb示出了散热器440施加于其上的电磁铁400的顶视图。图1lc示出了散热器440施加于其上的电磁铁400的透视图。图1 Ia显示该电磁铁所有侧面被散热材料440包围。事实上，带渐缩形形状472的磁芯470可以被散热材料侧面包围，从而使发热的电磁线圈460和散热材料440之间的间隙被减小或最小化。散热材料440可具有高的导热率，并且还可以是导电的，和许多高导热率的材料一样。散热材料440可以是，例如，铜，钢，铝，或任何其他具有足够导热率的材料，并且可以形成所需的形状。再次，为了减小电磁线圈460和散热材料440之间的空气间隙，导热的膏或油脂或封装化合物可以被施加到电磁线圈460。备选地，螺线管和渐缩形形状472可以被压入延展性的材料(例如铟)中，其在低温熔化并且在处于固态时相对较软。在任何情况下，该渐缩形形状472可以被散热材料侧面包围。在一个实施例中，渐缩形形状472和片474与散热材料在至少两个侧面接触。
[0073]如图1Ia所示，绕在渐缩形磁性元件472和460周围的螺线管中的电流使材料被磁化，其然后发出从尖端450开始并通过基部470自身闭合的磁力线442。磁力线在尖端450集中，将MEMS芯片1中的镶嵌磁材料116朝向尖端450吸引，如前面所解释。然而，为了MEMS芯片10的高速致动，要求磁场442快速地关闭和打开。这个快速变化的磁场会在散热材料440中引起涡流444。这些涡流444天生会对抗该磁场，这可能会降低电磁螺线管460的高速性會K。
[0074]为了减少这种涡流效应，绝缘体结构480可被置于散热材料440中，这将中断涡流流动444 ο绝缘体结构480例如可以是环氧树脂，胶水，氧化物或氮化物，其可以被沉积或施加在散热材料440中。涡流444和绝缘体480示于图1lb中。
[0075]绝缘体结构480可以多种方式布置，以阻止涡流444响应于由电磁铁产生的磁通在散热材料440中的流动。在一个实施例中，散热材料中的绝缘体结构480设置成相邻于渐缩形452的基部，并且处于散热材料440与磁芯470之间，如图1 Ia所示。在另一个实施例中，散热材料440中的绝缘体结构480横向地并沿着渐缩形形状472的对称轴线492布置，也如图1 Ib所示。应当理解的是，图1 Ia和I Ib所示的绝缘体结构480仅仅是示例性的，绝缘体结构480也可以设置在其它位置，以阻止涡流444的流动。在任何情况下，散热材料可包括绝缘体结构，其响应于由电磁铁产生的磁通而阻止散热材料中的涡流流动。
[0076]在一个实施例中，线圈460的螺线管包括缠绕在渐缩形形状周围的大约20到大约30匝之间的线圈匝数。在一个具体的实施例中，螺线管可包括在磁芯上的28匝的线圈匝数。线圈的螺线管可以包括直径为大约100微米的磁性导线。磁性导线可以承载至少约0.5A的电流，以产生1.6特斯拉的从线圈的尖端出现的磁场。
[0077]图12示出另一种方式的散热设计，其同样可以解决引线结合的问题。尤其是，渐缩形形状460可以被嵌入铜基印刷电路板(PCB)500中。铜PCB 500可具有由铜通孔530围绕的铜芯540，铜通孔530将上铜导电焊盘510连接到铜导电焊盘550。这些通孔530可以被绝缘材料520包围，绝缘材料520将上导电焊盘510与通孔530及下导电焊盘550电绝缘。绝缘材料520可以是环氧树脂或氧化物或氮化物，其可被生长或沉积在铜上。
[0078]铜PCB500可以被成形或加工成以紧配合面接受渐缩形460的轮廓，使得只有渐缩形460的尖端450暴露。螺线管导线461可被钎焊到上导电焊盘，从而使铜PCB也提供了在螺线管的非常细的磁导线与往返连通电流驱动器600的较大导线之间的方便的对接。因此，电流驱动器600到渐缩螺线管460的电连接，可以通过导线到下导电焊盘550，通过通孔530并且到上导电焊盘，通到导线461并到达螺线管。因此，铜PCB 500可为装置同时提供散热和方便的电结构。
[0079]因此，用于从流体试样中分选靶颗粒的细胞分选系统可以包括铜基印刷电路板。该PCB可以包括铜芯，以及多个上导电焊盘和下导电焊盘，其中所述上导电焊盘和下导电焊盘电由导电通孔连接。铜PCB还可以配置为使得螺线管线圈的两端电连接到所述多个上导电焊盘上，并且其中下导电焊盘电连接到电流驱动器。多个上、下导电焊盘通过绝缘材料与铜线圈绝缘隔离。
[0080]应当理解，使用的绝缘体480，铜印刷电路板500，以及这里描述的其它特征是一些实施例的可选特征，并且对于实施本发明可能不是必要的。前文中使用的“磁性导线”应理解为是指涂覆有极薄绝缘层的很细的铜或铝导线。磁性导线是典型地在变压器、电感器、电机、扬声器或其它在狭小空间内需要大量导线匝数的装置的构造中用于线圈。还应该理解的是，空间名称，比如“上”和“下”，是任意的，并且本发明不依赖于装置的方位。在一些实施例中，上导电焊盘和下导电焊盘可设置在铜PCB的正面侧。螺线管导线可电连接到一组焊盘上，例如上焊盘上，并且电流驱动器可以电连接到正面侧的一组焊盘上，例如下焊盘上，或者反之亦然。
[0081]因此，虽然各种细节结合上面概述的示例性实施例进行了描述，但是，各种替代方案、修改、变化、改进和/或实质等效物，无论是已知的或者是或可能是目前无法预见的，在阅读前面的公开后都有可能变得显而易见。此外，涉及特定方法、尺寸、材料应用、形状、制造技术等的细节目的仅仅是说明性的，并且本发明不限于这样的实施例。诸如顶部、底部、左、右、前、后等的描述是任意的，因为应该理解的是，系统和方法可以在任何方位执行。因此，上面阐述的示例性实施方式意味着是说明性的而不是限制性的。
【主权项】
1.一种微制造在硅衬底上的细胞分选阀，带有从所述细胞分选阀引出的微制造通道，其中，所述细胞分选阀从非靶材料分离靶颗粒； 包含试样储器、分选储器和废物储器的一次性盒;和 具有磁芯的电磁铁，所述电磁铁在邻近所述细胞分选阀的区域中产生磁通线，导致所述细胞分选阀响应于由所述电磁铁产生的磁通线而移动。2.根据权利要求1所述的用于从流体试样分选靶颗粒的细胞分选系统，其中，所述电磁铁包括缠绕在具有渐缩形形状的磁芯上的螺线管或线圈，其中所述渐缩形具有从基部到尖端变窄的轮廓。3.根据权利要求2所述的用于从流体试样分选靶颗粒的细胞分选系统，其中，所述渐缩形形状具有横跨最宽的弦的小于约5毫米的基部和小于约Imm的尖端。4.根据权利要求1至3中任一项所述的用于从流体试样分选靶颗粒的细胞分选系统，其中，所述轮廓形成大约10度的角度，且所述角度相对于垂直线定义。5.根据权利要求1至4中任一项所述的用于从流体试样分选靶颗粒的细胞分选系统，其中，所述轮廓形成至少约3度、并且最多约45度的角度，且所述角度相对于垂直线定义。6.根据权利要求1至5中任一项所述的用于从流体试样分选靶颗粒的细胞分选系统，其中，具有渐缩形形状的所述磁芯包括钴/铁、铁、和镍/铁合金中的至少一者。7.根据权利要求1至6中任一项所述的用于从流体试样分选靶颗粒的细胞分选系统，其中，所述线圈的螺线管包括缠绕在所述渐缩形形状上的约20至约30匝线圈。8.根据权利要求1至7中任一项所述的用于从流体试样分选靶颗粒的细胞分选系统，其中，所述线圈的螺线管包括直径约100微米的磁性导线。9.根据权利要求1至8中任一项所述的用于从流体试样分选靶颗粒的细胞分选系统，其中，所述线圈的螺线管传导至少约0.5A的电流。10.根据权利要求1至9中任一项所述的用于从流体试样分选靶颗粒的细胞分选系统，其中，所述电磁铁还包括在所述渐缩形形状基部的加宽片，其中，所述加宽片在最长尺寸上具有约10晕米的尺寸。11.根据权利要求1至10中任一项所述的用于从流体试样分选靶颗粒的细胞分选系统，其中，所述渐缩形形状由散热材料侧面包围。12.根据权利要求11所述的用于从流体试样分选靶颗粒的细胞分选系统，其中，所述渐缩形形状和所述加宽片与所述散热材料在至少两侧接触。13.根据权利要求12所述的用于从流体试样分选靶颗粒的细胞分选系统，其中，所述散热材料包括铜。14.根据权利要求12所述的用于从流体试样分选靶颗粒的细胞分选系统，其中，所述散热材料包括铜基印刷电路板。15.根据权利要求14所述的用于从流体试样分选靶颗粒的细胞分选系统，其中，所述铜基印刷电路板包括铜芯以及多个上导电焊盘和下导电焊盘，其中所述上导电焊盘和下导电焊盘通过导电通孔而电连接。16.根据权利要求1至15中任一项所述的用于从流体试样分选靶颗粒的细胞分选系统，其中，所述电磁线圈的两端被电连接到多个上导电焊盘，并且其中，下导电焊盘电连接到电流驱动器。17.根据权利要求1至16中任一项所述的用于从流体试样分选靶颗粒的细胞分选系统，其中，所述通孔以及所述多个上、下导电焊盘通过绝缘材料与铜线圈绝缘隔开。18.根据权利要求1至17中任一项所述的用于从流体试样分选靶颗粒的细胞分选系统，其中，所述散热材料包括绝缘体结构，其响应于所述电磁铁产生的磁通阻止涡流在所述散热材料中流动。19.根据权利要求18所述的用于从流体试样分选靶颗粒的细胞分选系统，其中，所述散热材料中的所述绝缘体结构被布置为邻近所述渐缩形的基部。20.根据权利要求18所述的用于从流体试样分选靶颗粒的细胞分选系统，其中，所述散热材料中的所述绝缘体结构被横向地布置，并沿所述渐缩形形状的对称轴线布置。
【文档编号】B01L3/00GK106061610SQ201580012048
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2015年3月5日 公开号201580012048.7, CN 106061610 A, CN 106061610A, CN 201580012048, CN-A-106061610, CN106061610 A, CN106061610A, CN201580012048, CN201580012048.7, PCT/2015/54560, PCT/EP/15/054560, PCT/EP/15/54560, PCT/EP/2015/054560, PCT/EP/2015/54560, PCT/EP15/054560, PCT/EP15/54560, PCT/EP15054560, PCT/EP1554560, PCT/EP2015/054560, PCT/EP2015/54560, PCT/EP2015054560, PCT/EP201554560
【发明人】J.福斯特, D.格鲁米特, R-P.彼得斯, C.佩特, N.马蒂内斯, M.纳格尔
【申请人】美天施生物科技有限责任公司