专利名称：一种基于磁场过滤而形成高磁场梯度的单细胞图形化芯片的制作方法
技术领域：
本发明属于生物微系统技术领域，具体涉及一种基于磁场过滤而形成高磁场梯度的单细胞图形化芯片。
背景技术：
大部分传统的生物实验得到的 数据都是大量细胞的统计平均结果。然而细胞由于离子通道状态的不同、细胞骨架的动态表现、细胞内部网络的不同等原因，具有个体的差异性。传统的生物实验往往忽略了单个细胞的差异性所携带的丰富的信息。有关研究表明，癌细胞强大的适应性和抗药性来源于癌细胞的个体差异，因此对异质性细胞的针对性研究对于探究癌细胞机理、研制抗癌药物至关重要，而将细胞图形化为单细胞阵列是实现单细胞异质性检测的重要方法和途径。基于微线圈阵列的细胞图形化芯片是一种基于MEMS微加工技术、具有图形化微线圈阵列的芯片，它具有磁场梯度大、图形化效率高等特点。其工作原理如下利用图形化微线圈阵列形成梯度磁场，即在线圈区域内能产生一个中间磁感应强度大，外围磁感应强度逐渐减小的磁场,这样的磁场就会像一个无形的牢笼,将磁性颗粒向中心吸引，磁性颗粒一旦进入磁场内部，若没有足够的力就无法使其脱离该磁场的束缚。而我们可以将细胞通过特定方法连接上磁性颗粒，即可将细胞和磁性颗粒作为一个带磁性的整体(此方法我们已经掌握)，所以我们可以通过图形化的微线圈形成的图形化梯度磁场捕获细胞，从而实现细胞的图形化。近年来随着微纳制造技术的高速发展,利用微纳制造技术制作的芯片实验室成为下一代单细胞检测的工具。目前单细胞阵列手段主要分为两类一类是利用生物化学手段在基板上对细胞外基质、多肽或者其他聚合物进行图形化，造成细胞对基板上不同位置的亲和性的差异，从而实现图形化。2006年加州大学伯克利分校的Dino Di Carlo, Liz Y.Wu等人用PDMS制作了一套微流体系统来对细胞进行拦截，从而形成单细胞阵列；由于这类方法将细胞限制在基板上而易造成细胞的变形和凋亡，不适合用于诊断和细胞动态分析。另一类是利用物理的方法，如微流体、介电泳、微磁场等方法对细胞进行定位。2003年M. Fre^ne^a等人利用负介电泳原理设计了一套微电极阵列，实现了单细胞定位。这些方法对细胞的危害较小，且方便进行疾病诊断、药物筛选以及细胞动态分析等操作，但只实现了细胞定位，没有实现单细胞图形化。同时，现在也有利用微线圈阵列形成的图形化装置，但其基于的MEMS制作工艺相对复杂。
发明内容
本发明的目的在于克服目前单细胞图形化芯片制作工艺复杂、操作难度大的问题提供一种基于磁场过滤而形成高磁场梯度的单细胞图形化芯片。一种基于磁场过滤而形成高磁场梯度的单细胞图形化芯片，由磁源、磁过滤器和生物兼容性修饰层依次层叠而成，所述磁源为磁场强度大于O. 2T的永磁体；所述磁过滤器为具有小孔阵列的铁磁体；所述生物兼容性修饰层为二氧化钛、二氧化硅、聚乙烯、聚乳酸、聚酸酐、聚羟基烷酸酯或聚氨基酸。所述小孔阵列的单个小孔的直径为I μ m-15 μ m。本发明的有益效果为利用磁源和磁过滤器形成梯度很高的磁陷阱阵列，将磁性颗粒向陷阱中心吸引，磁性颗粒一旦进入磁场内部，若没有足够的力就无法使其脱离该磁场的束缚，而形成的单个磁陷阱大小与单个细胞直径大小接近，所以满足一个磁陷阱只吸引一个细胞，保证形成的细胞阵列为单细胞阵列。该发明提高了细胞图形化的效率，缩短细胞图形化的周期，最为突出的特点是该芯片的制作工艺 非常简单。
图1为芯片整体结构不意图；图2为磁场过滤器示意图；图3为磁场偏转过滤示意图；图4为磁感线折射规律示意图；其中各标号为1-磁源，2-磁场过滤器，3-生物兼容性修饰层，4-小孔阵列。
具体实施例方式下面结合附图，对优选实施例作详细说明。本发明提出的基于磁场过滤而形成高磁场梯度的单细胞图形化芯片，由磁源、磁过滤器和生物兼容性修饰层组成，如图1-2所示，其中磁源由钕铁硼制成，小孔阵列的直径为ΙΟμπι。生物兼容性修饰层为二氧化钛，能保证吸附在其上的细胞活性不受到影响。根据磁场边界条件理论若在磁源I上方加一相对磁导率高的带小孔阵列4的铁磁体2，因为磁感线由相对磁导率低的介质进入相对磁导率高的介质，磁感线会进入相对磁导率高的介质后会向边界处偏转，小孔4的相对磁导率很低，铁磁体2的相对磁导率很高，则带小孔阵列4的铁磁体2会对磁感线产生偏折，磁场偏折如图3所示，从结果来看，带小孔阵列4的铁磁体2起到磁场过滤作用，方向朝着小孔4的磁感线直接穿过，几乎不受影响，而要穿过铁磁体2的磁感线将会被偏折，如图4所示，将被限制在铁磁体中，所以在小孔阵列4边界区域内磁场强度很大，而在小孔边界外磁场强度很小，几乎为零，所以通过磁源和磁过滤器可形成高梯度的磁场。即可形成直径约IOym左右的磁陷阱阵列，而磁化颗粒在磁陷阱边缘受到的磁力极大，能保证细胞能被束缚，而牢笼中心几乎不受磁力，对细胞没有影响。这由以下理论支撑当顺磁体未达到磁饱和状态时，顺磁体在真空中受到的磁力大小如公式(1-1)所示。
_9] ΓΜ+·(μ1)其中X为磁化系数；V为顺磁体体积；μ ^为真空磁导率；Β为磁感应强度；为磁感应强度梯度。当顺磁体达到磁饱和状态时，其磁化强度为一常数，不随磁感应强度的变化而变化，此时磁力大小与磁感应强度的梯度成正比，如公式(1-2)所示。
Fm=mVB , 2)其中m为磁化强度；VB为磁感应强度梯度。以上两式中的磁力Fm和磁感应强度B均为矢量，磁力方向与磁感应强度梯度的方向一致，指向|B I值大的方向。利用磁源和磁过滤器形成梯度很高的磁陷阱阵列，将磁性颗粒向陷阱中心吸引，磁性颗粒一旦进入磁场内部，若没有足够的力就无法使其脱离该磁场的束缚，而形成的单个磁陷阱大小与单个细胞直径大小接近，所以满足一个磁陷阱只吸引一个细胞，保证形成的细胞阵列为单细胞阵列。该发明提高了细胞图形化的效率，缩短细胞图形化的周期，最为突出的特点是该芯片的制作工艺非常简单。上述芯片制作步骤 步骤1:用MEMS工艺制作带小孔阵列的铁磁体层；步骤2:在铁磁体层上沉积生物兼容性薄膜；步骤3:将带生物兼容性薄膜的铁磁体和永磁体键合。
权利要求
1.一种基于磁场过滤而形成高磁场梯度的单细胞图形化芯片，其特征在于，由磁源、 磁过滤器和生物兼容性修饰层依次层叠而成，所述磁源为磁场强度大于O. 2T的永磁体；所述磁过滤器为具有小孔阵列的铁磁体；所述生物兼容性修饰层为二氧化钛、二氧化硅、聚乙烯、聚乳酸、聚酸酐、聚羟基烷酸酯或聚氨基酸。
2.根据权利要求1所述基于磁场过滤而形成高磁场梯度的单细胞图形化芯片，其特征在于，所述小孔阵列的单个小孔的直径为I μ m-15 μ m。
全文摘要
本发明公开了属于生物微系统技术领域的一种基于磁场过滤而形成高磁场梯度的单细胞图形化芯片。此芯片由磁源、磁过滤器和生物兼容性修饰层依次层叠而成，其中磁过滤器为带小孔阵列的永磁体。本发明的芯片利用磁源和磁过滤器形成梯度很高的磁陷阱阵列，将磁性颗粒向陷阱中心吸引，磁性颗粒一旦进入磁场内部，若没有足够的力就无法使其脱离该磁场的束缚，而形成的单个磁陷阱大小与单个细胞直径大小接近，所以满足一个磁陷阱只吸引一个细胞，保证形成的细胞阵列为单细胞阵列。该发明提高了细胞图形化的效率，缩短细胞图形化的周期，最为突出的特点是该芯片的制作工艺非常简单。
文档编号C12M1/34GK102994379SQ20121047923
公开日2013年3月27日 申请日期2012年11月22日 优先权日2012年11月22日
发明者任大海, 尤政, 王俊, 谢锦宇 申请人:清华大学