专利名称：用于选择性和非侵入性地分离和提取多分散悬浮物中的颗粒的微型装置和方法、制造方 ...的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种装置，其结合微技术和超声波作为用于选择性分离和提取多分 散悬浮物中的颗粒的方法，所述多分散悬浮物含有对于任何浓度水平均具有不同物理性 质(尺寸、密度或压缩性)的微量组分，所述装置主要可适用于生物医学和生物技术领 域。
背景技术：
在过去10年中，在不同的技术应用尤其是生物技术和药学等领域中，已经提出 了用于操纵或分离的悬浮颗粒物质的不同技术。目前，颗粒的分离尤其关注于与献血、 透析过程和实验室分析相关的医学应用，以及手术后血液的再循环和/或清洗。向悬浮物施加声驻波产生向与由介质中产生的驻波所建立的节点分布和最大声 压力值相关的某些平衡区传输颗粒的效果。声诱发的主要辐射力被作用到每个颗粒，其 大小与工作频率成比例地变化。经受这种力的颗粒为到达最近的声学平衡位置所行进的 距离随着节点和最大压力值的减小而减小。这些通过波长来限定，其与声频率成反比。 因此，从理论角度看，在较高的频率下更容易富集颗粒。这种非侵入性运输机制在超声领域是公知的，并且在过去十年中，已经提出了 几种操纵和/或分离颗粒的尝试发展。已经提出用这种现象从液体或其他流体中分离颗 粒的不同技术。通常，流体流过其中形成有与通道长度垂直的声驻波的导管或通道。结 果，颗粒移动以在这些导管中沿波平衡位置形成集中带。最近的专利WO 2007/044642 A2, "DEVICE AND METHOD FOR COMBINED MICROFLUIDIC-MICROMAGNETIC SEPARATION OF MATERIAL IN CONTINUOUS FLOW” (Ingber Donald, Xia Shannon, Tom Hunt, Peter Westervelt)公开基于磁场应用的
连续流动细胞分离装置。工作原理与本发明的完全不同，因为其不是基于机械能而是电 磁能的应用，并且与本发明相反的是，其是侵入性技术，需要插入待处理的悬浮物外部 的无机微粒中。这些易受磁场影响的微粒粘附至悬浮物中的某些细胞并拖拽他们，将它 们用磁力传输到预选定的平衡区。由于是侵入性方法，因此从介质中提取后，所分离的 细胞的存活性对于后续研究而言已被部分改变。该装置的这两个特点使该专利与本发明 的装置非常不同，尽管二者同时使用在层流区下的具有一个界面的双流化床。J.Statis.Mech.的论文"Theory and experiments, 2006, "Continuous particle size separation and se size sorting using ultrasound in a microchannel” (Sergey Kapishnikov， Vasily Kantsler, Victor Steingberg)，公开了两种借助超声对悬浮物中的颗粒和细胞进行分 离和分类的装置。其中第一种是所谓的“λ/2谐振器”(λ为声波波长)，其中建立了 在通道中央具有压力节点的驻波，颗粒在声场应用过程中向其传输和集中，并且它们沿 其继续流动直至到达出 口。以这种方式，富集了超声集中颗粒的悬浮物通过中央流出通 道离开装置，同时剩余悬浮物主要通过另外两个相对于中央通道对称设置的侧面流出通道离开装置。在装置内，将在整个通道中均勻分布流动的悬浮物中存在的剩余组分与声 学收集的颗粒进行绝对分离是不可能的。由于不受超声场影响，它们的空间布局在声场 应用过程中没有改变，以这种方式他们经过三条流出通道离开装置，尽管它们主要是通 过侧面通道离开。这是由于超声集中的细胞一起离开中央通道。为了实现选择性分离 (作者称其为“细胞分类”)，文章还提出开发λ/4谐振器，其中通道宽度大约为波长的 四分之一，并且在向其输送和收集选定细胞的侧面通道壁之一的附近建立压力节点。与 本发明相反的是，该装置需要使用两个超声换能器，其置于处理通道横截面的两侧，在 通道外部且彼此平行对置，发射具有可变相位差的临时波列。该装置最接近本发明的装 置，但是它们的显著差别在于其可引起某些操作限制(视情况而定)，如不能施加连续的 波和在物理上限制作用区(这由两个超声波发射源之间约束的空间和流入和流出通道相 对于中央处理通道的几何对称布局确定)，从而强烈限制了超声波作用区。与本发明相 反，该λ/4装置在大约f= 4MHz下运行，并且对处理体积(其横截面与频率成反比(大 约比本发明小4倍))和由于前述理由所需的通道测量准确性方面都有显著限制。专利W0/2002/072236 PARTICLE SEPARATION (ERYSAVE AB, JONSSON Henrik, LAURELL Thomas, ALLERS Mats, PERSSON Hans)公开了一种利用用于形成 多个颗粒集中带的多个声压节点来分离谐振器中的颗粒物质(尤其用于血液处理)的装 置。其是一种在设计和操作方面与本发明有很大不同的装置。声场被施加到与λ/2或 λ /4谐振器通道非常不同的处理室上，该处理室具有比它们更大的尺寸以能够建立具有 多个节点空间分布和最大声压值的驻波。欧洲专利ΕΡ1365849，还公布为美国专利 US US6929750、US2004069717 和 W002072235 的 “DEVICE AND METHOD FOR SEPARATION”，(LAURELL Thomas,
ALLERS Mats, JONSSON Henrik, PERSSON Hans)公开了一种微流体装置，其用于
在平行设置形成被称为“阵列”的空间分布结构的半波长谐振器中的超声波分离。这 些元件各自包含称为“λ/2”的谐振器通道，其中发生细胞向其中央的运输和声波收 集。如在这种类型的其他谐振器中，在过程结束时获得富集的声学影响细胞的悬浮物； 但是，它并没有对剩余的悬浮物形成提取过程，而是通过中央流出通道获得的具有高浓 度水平的收集。该装置在定制用在这一类型的微装置中的昂贵硅衬底上实施。本专利设 想通过平行设置多个超声作用通道来增加声学处理量。形成技术上称为“阵列”的装置 板的这些构成元件各自包括引入悬浮物的单个入口和三个流出通道，预先富集收集颗粒 (红细胞)的悬浮物经其排放的中间通道和其余悬浮物从中流过的两个对称设置的侧面通 道。那些不受辐射的力影响的组分在样品中保持均勻分布并且经过三个流出通道中的任 意一个离开装置，所述三个流出通道包括(尽管程度较低)红细胞全部通过其排放的中间 通道。专禾IjWO 00/04978CONCENTRATION OF PARTICLES IN A FLUID WITHIN AN ACOUSTIC STANDING WAVE FIELD, (CEFAI Joseph BARROW ； David Anthony ； COAKLEY William Terence ； HAWKES Jeremy John)公开了一种用于操纵流体中的悬浮颗
粒物质的装置。其包括悬浮物流过的导管，以 及用于建立与通道中的流动方向垂直的驻 波的超声换能器和反射器。该装置是“ λ/2谐振器”，其在导管中央形成单一颗粒带。换能器和反射器之间的距离小于300微米，对应于处理室的而不是超声换能器的共振频 率。根据装置的结构公差和待处理的悬浮物的性质，装置设想了对该距离和处理频率的 变化方案。收集悬浮物颗粒并通过声压节点向置于装置侧面通道的出口传输，富集颗粒 的悬浮物经由此出口离开装置。同时，其他颗粒经由置于另一个方向的另一个流出通道 罔开装直οWO 98/50133 (WO 1998/050133) PARTICLE MANIPULATION, (COAKLEY William Terence ； HAWKES Jeremy John, BARROW David Anthony CEFAI Joseph)公开了
一种操纵悬浮颗粒物质的装置，其由具有等于半波长特定倍数的多个尺寸的导管构成， 悬浮物经由其流动，并且在其中建立与流动方向垂直的驻波。在该处理室中建立具有多 个节点和最大声压值的驻波以形成声学收集的、平行的、相距半波长和垂直于流通方向 的细胞带。在IBM, Technical Disclosure Bulletin Vol.25, No.l, June 1982，192/193 中公 开了一种超声连续流血浆分离器。该装置由两个正交设置的换能器组成，每个都具有反 射器和其间的处理体积，以使稀释的悬浮物经受声学驻波。该处理室与本发明的非常不 同，虽然二者都采取转换的形式和处理室。JP 06241977 A公开了一种通过超声驻波方法测量细小颗粒的装置，通过超声束 结合静电力声学引发以集中和分离不同尺寸的分离颗粒。在处理室中央产生压力节点， 颗粒向该节点传输和集中。EP0773055A2(1996) (YASUDAK, SAITAMA H G, UMEMURAS, HUDRIOHI
S)公开了一种基于几个由不同的策略性放置的换能器产生的超声束的相互作用来声学操 纵颗粒的装置和方法。悬浮物通过由设置为直接和/或间接与媒介接触的多个超声源产 生的几个束的相互作用产生的超声场而在室中经受声悬浮过程。W0 93/19367A2公开了一种声学团聚方法和由管构成的装置，所述管包含液体 样品和与其连接的超声换能器，以产生垂直于管的驻波，由此将颗粒集中在多个横向带 中，在超声应用后所述颗粒沿所述多个横向带沉降。其基于美国专利No.5,665,605和 5,912,182。JP 07 047259A公开了一种用于输送悬浮物中的小颗粒的装置。所述装置包括设 置在二维换能器面板上的两个平坦表面上的多个超声波产生元件；待处理溶液沉积于其 间。
发明内容
本发明的一个方面为一种用于选择性和非侵入性地分离和提取多分散悬浮物中 的颗粒的微型装置，下文称为本发明的微型装置，特征在于其包括集成在声学软材料的 芯片衬底中的下列组件a)流动微通道系统，其具有源于中央处理通道的流出通道分支的非对称空间分 布，其包括i.起始悬浮物沿其流动的路径或床，其包括用于供给的流入通道和经其离开所述 装置的流出通道，与ii平行，ii.与i平行的纯流体沿其流动的路径或床(称为流体收集床)，从所述纯流体中提取选定的颗粒，所述路径或床包括流入或供给通道和流出通道，形成iiiiii.中央处理通道，在该处所述起始悬浮物和纯流体通过在由通道横向尺寸所限 定的层流区下的流线的边界界面分开，所述中央处理通道在其路径末端分成为两个流出 通 道，其中所述通道的宽度(与声频率成反比)略大于声波波长的四分之一，并且与所述 宽度一起形成通道截面的该处理通道的深度(250 μ m)基本上小于声波波长的四分之一，和b)在侧壁之一上的超声致动器或换能器，-所述超声致动器或换能器在中央处理通道之外并与其平行，其向形成多层系统 的芯片-通道组合件发射声能，所述多层系统的共振使压力节点正确设置在所述通道内 分别距反射器壁约1/3和2/3通道宽度的距离处，并且在中央通道内产生声致压力梯度， 其具有将其中的特定颗粒向限定于节点的声平衡区输送的作用，此处辐射力无效，-其作用范围不仅包括所述处理通道，还包括朝向两个流出微通道的分叉区域， 目的是使选择性分离和提取效率最大化。本发明的一个特定实施方案为本发明的微型装置，其中所述芯片衬底的构成材 料优选为环氧树脂SU-8，在其上实现所述通道，丙烯酸类PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯) 衬底的声阻抗为3.3MRayls，并且其中超声换能器b)可为小型压电陶瓷或矩形压电复合 物，优选1-3级压电复合物。本发明的另一方面为本发明微型装置的制造方法，下文中称为本发明微型装置 的制造方法，基于根据图1所述设计的光刻技术，其包括以下步骤a)在独立衬底(晶片1)表面上沉积和限定光可限定的聚合物层，b)在覆盖有不粘材料的独立衬底(晶片2)表面上沉积和限定光可限定的聚合物 SU-8 层，c)密封晶片1和晶片2，使所述晶片的含光可限定的聚合物层的侧面彼此相对放 置，和d)移除由不粘材料覆盖的晶片。因此，本发明另一方面为本发明的微型装置的用途，下文中称为本发明的用 途，用于多分散悬浮物中的颗粒的选择性和非侵入性分离、洗涤和/或分类的过程。本发明另一个更具体的方面为本发明的用途，其中所述颗粒属于下列(仅为举 例而不限制本发明的范围)的细胞病毒、朊病毒、原核细胞(细菌、酵母菌、真菌、藻 类等)和真核细胞。本发明的一个更具体的实施方案为本发明的微型装置的用途，其用于选择性分 离和隔离真核细胞，优选人体细胞，更优选肿瘤细胞、血细胞(红细胞、血小板、巨噬 细胞和淋巴细胞)、干细胞或母细胞，不管是否为体细胞或胚胎细胞或体液如血、尿、脑 脊髓液中存在的或来自活组织切片检查中的其他类型生物样品中存在的其他种类细胞。已经开发了用于通过具有有单一特性的改良λ /4通道的多层型超声谐振器来超 声分离和提取悬浮物中的颗粒和细胞的微型装置。具体而言，关于中央处理通道和样 品的流入和流出通道相对于中央处理通道的非对称空间分布方面，其具有特定的几何构 型。本发明还发现该最后特性的重要性，其加强了分离效率，如下文所述。本发明基于以下事实发明人观察到由与中央处理通道平行的换能器产生的激波的应用产生垂直于流动方向的驻波，其压力节点置于通道中央和占据受声学作用处理 通道的长度的纯流体床所占区域中的反射器壁之间的中间位置处。该装置由超声致动器或换能器激发，例如小型矩形压电陶瓷或具有非常低的表 面振动振幅(在端部小于10%且在中间实际为零)的1-3级压电复合材料。所述压电复 合材料由包埋在聚合物矩阵中的压电纤维形成以构成例如1-3级复合材料。这样，与其 尺寸相关的横向模式之间的耦合以及其经过芯片向通道及内部的发射最小化。本发明的一个特征在于超声源设置为在外缘之一处与芯片接触，与处理通道平 行，在处理通道长度垂直的方向上穿过其厚度发射声能。压电元件在其金属化表面之一 上部分胶合至微型装置芯片的外部边缘之一，尤其是最靠近设置在芯片上并与其平行的 中央处理通道的边缘。这样，其发射声能穿过形成多层系统的连续层，在处理通道内建 立具有压力节点的垂直于流体方向的驻波。处理通道相对于装置组合件的位置是重要的，但不是决定性的；具体而言，本 发明人开发了两种芯片构型，其具有两种从通道到芯片边缘的距离，其中超声波致动器 置于芯片边缘上以改善压力节点稳定性，其中-第一构型，处理通道和超声波致动器之间的距离为750μιη(相当于波长的 3/8)；
-第二构型，处理通道和超声波致动器之间的距离为500μιη(相当于波长的 1/4)。两种装置都获得了有效的分离和提取过程，但是在第二构型中可观察到通道内 节点稳定性的某些优化。在多层系统的共振中，在每个组件(复合材料-芯片-通道-芯 片)都参与通道内节点的建立。因此，通过装置的连续层产生的驻波根据第一构型重新分配，优化了通道内的 压力节点的位置，并且能够优化装置的声能。与该装置不同，考虑到共振在通道内形成 而外部层并不很有影响力，所以大部分技术开发是对称的，不允许这种可能性。本申请 的多层系统的构型多样性相当程度增加用于可能的技术改进的工作参数。声压梯度在通道的侧壁上、在置于处理通道中央和反射器壁之间的中间位置的 节点周围、在声学影响通道的整个长度中由纯流化床占据的区域中形成。该压力节点分 别在距发射器壁约1/3通道宽度和距对面的壁2/3通道宽度的距离处产生。因此，在与 整个通道长度中样品流动垂直的方向上建立的压力分布源自在垂直于流动方向的方向上 以特定方式作用于每个悬浮颗粒的辐射力。但是，其传输效果仅限于具有易受所施加的 声学条件影响且在各种情况下根据所施加的具体类型进行选择的一定尺寸、密度或压缩 性的那些颗粒，所述颗粒在所述力的作用下加速。构成纯流体床中的压力节点的声学平衡区的策略性定位使得声学拖拽的颗粒横 越两个流体介质之间的分离界面，从而离开将要收集在纯流体中的悬浮物(下文中也称 为收集流体)，从此处它们经过流出通道之一进行提取。本发明人还指出节点策略性定位(距反射器壁较远)的重要性，因为其代表对于 其中节点靠近反射器壁的“λ/4谐振器”的创新。这防止出现由颗粒粘附到所述壁而引 起的问题，并且利于其向通道出口的集中流动，从而避免阻塞问题。另外，压力节点占 据与超声波致动器(压电陶瓷或1-3级压电复合材料占据的长度)类似的沿通道的长度。
本发明的另一个创新点涉及源于中央处理通道的流入和流出通道的非对称布 局，其使得超声波传导系统通过芯片在比受通常这些类型的隔离器(包括分支)作用的更 宽的通道面积上的施加影响。这种策略性空间布局提高了在芯片衬底布置超声源(压电 陶瓷或压电复合材料的胶合区域)的可能性，并且增加处理通道中的作用区，包括向两 个流出分支分叉的区域。在这个区域(与通道的其余部分几何不同)，所得辐射力之间被 导至通道出口，从该处颗粒收集流体离开装置，以提高选择性分离的效率。声作用区的扩大确保选定颗粒 经过期望的通道流出，使其从起始介质即悬浮物 中分离和提取的效率最优化。本发明的另一个特征在于超声处理频率为1MHz，小于通常这类微型装置所用的 频率(通常在最低2MHz工作，大部分高于该值)。但是，这个频率可改变，从而方便 地缩放(必须与波长产生的变化成正比(与声频率成反比))中央处理通道的横向尺寸。 因此，低频允许处理更大的处理体积。但是，在频率小于500kHz的情况下，声空化阈值 (其由在介质中具有强烈和快速内爆效应的微泡的产生构成)也低于高频的声空化阈值。 因此，产生超声传输并且不对悬浮微组分引起损坏的声能变化范围更加受限。另外，必 须考虑到辐射力随声频率线性增加，由于这点，在低频使用谐振器所报告的体积益处具 有高能耗的缺点。在本发明微型装置的情况中，超声在低于通常频率的情况下使用，具 体在1MHz，但是声空化阈值高，说明其可行性和允许处理体积至少为用于2MHz共振的 装置情况下的2倍。因此，本发明相对于在较高频率下的现有共振器微型装置提供关于 该声学参数的两个优点；这些涉及前述处理体积的增加和因此与测量调整精度(基本上 为通道壁)有关的限制的减少。本发明微型装置的另一个创新点在于其组成材料，通过两平行连接材料集成的 芯片PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)用于通道底部的组成基础衬底(厚度约为900μιη)， 和设置在所述衬底(厚度为330 μ m)上的光可限定的环氧树脂SU-8的薄层，其上设置有 通道。在这点上，特殊反射器等尚未被用于中央处理通道的壁，并且，相反地，SU-SM 料的良好性能已得到确认，其在装置中构成共振多层系统的大部分。其低声阻抗允许其 共振模式与通道的耦合，而不需要用于处理通道壁的特殊反射器等。因此，聚合物材料 SU-8作为反射器元件用于在通道内建立驻波的用途以及这些丙烯酸类声学软材料的有利 适用性已经被实验证实。另外，通道底部的构成材料PMMA的好的声学行为已经证实是 具有类似SU-8的声学特性和良好的机械_声学耦合的超声能的发射器。它们是两种易于 处理和低成本的聚合物材料。两种材料都具有低声阻抗(不高于水的3倍和至少比金属 的低五倍)并且能易于处理以产生通道，以及与这类微型装置中所用其他衬底如硅更低 的成本的明显优点，后者从声学角度看更为刚性和更为昂贵。总之，它们提供有吸引力 的经济优势。在第二实用实施方案中描述的用于实验的模型是由不同尺寸和密度的聚苯乙烯 微粒形成的，其能够例如模拟以下两种类型细胞的物理和声学特性红细胞和从外周血 脱落的肿瘤细胞，其起初在类似于血浆的流体中一起流动，以及任何其他含这些特性的 微量组分的其他样品。值得一提的是在利用本发明的装置实施在实验中获得的具有最大直径的颗粒的 选择性分离和提取的高效率。重复行为是由声学辐射力对每个颗粒的单独作用引起的，而与它们在悬浮物中的浓度无关。该作用对于高浓度和极稀悬浮物都是有效的，而其他 分离技术在作用灵敏度和效率方面表现出急剧降低。总之，在所有上述创新点中，微型装置的简单性和有效性很突出简单性源于 超声源(由压电陶瓷或压电复合材料构成)和处理通道及其流入和流出分支的几何构型； 以及装置的芯片的构成材料在构成通道基础衬底的PMMA衬底上的塑料材料SU_8(其 上设置通道)，以及其有效结果。因此，本发明的一个方面是一种用于选择性和非侵入性分离和提取多分散悬浮 物中的颗粒的微型装置，下文称为本发明的微型装置，其特征在于其包括集成在声学软 材料的芯片衬底中的下列组件a)流动微通道系统，其具有源于中央处理通道的流出通道分支的非对称空间分 布，其包括i.起始悬浮物沿其流动的路径或床，其包括用于供给的流入通道和经其离开所述 装置的流出通道，与ii平行，ii.与i平行的纯流体沿其流动的路径或床(称为流体收集床)，从所述纯流体中 提取选定的颗粒，所述路径或床包括形成iii的流入或供给通道和流出通道，iii.中央处理通道，在该处所述起始悬浮物和纯流体通过在由通道横向尺寸所限 定的层流区下的流线的边界界面分开，所述中央处理通道在其路径末端分成为两个流出 通道，其中所述通道的宽度(与声频率成反比)稍大于波长的四分之一，并且其中与宽度 一起形成横截面的处理通道的深度(250 μ m)基本上小于声波波长的四分之一，和b)在侧壁之一上的超声波致动器或超声换能器，_在中央处理通道之外并与其平行，其向形成多层系统的芯片-通道组合件发射 声能，所述多层系统的共振使压力节点正确设置在所述通道内分别距发射器壁约1/3和 2/3通道宽度的距离处，和产生在中央通道内部声学上产生的压力梯度，其具有将其内的 朝向节点中限定的辐射力无效的声学平衡区输送某些颗粒的效果，其作用范围不仅包括 中央处理通道，还包括向两个流出微通道分叉的区域，目的是使选择性分离和提取效率 最大化。本发明中使用术语“多分散悬浮物”中的“颗粒”是指具有有不同物理特性 (尺寸、密度或压缩性等)的颗粒的悬浮物，包括无机或有机微组分如细胞，优选真核细 胞，更优选人类细胞，微生物或生物流体中出现的相同等级参数的其他类型微组分。使用术语“声学软材料制成的芯片”是指阻抗远低于其他 材料或介质如金属或 玻璃(至少低五倍)，基本上不超过液体介质阻抗的三倍(通常限制在可变范围内，除例 外情况一般在O.SMRayls 2.6MRayls之间变化)的材料。因此，概念“软”是指处理 通道壁的构成材料及其内部流动的流体之间的阻抗关系，但是具有足够的容量产生声波 的反射来建立驻波。因此，具有类似于SU-8或其他塑料元件的声学特性的任何软材料，优选丙烯酸 类材料，均可用作其上设置通道的制造本发明微型装置的芯片衬底的材料，其原因是其 在声能传播方面的相似性和在通道壁上的相似反射响应。本发明的一个具体实施方案为本发明的微型装置，其中其上设置通道的芯片衬底的构成材料(优选环氧树脂SU-8)和丙烯酸类衬底PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)具有 3.3MRayls的声阻抗，并且其中超声换能器b)可以是小型压电陶瓷或压电复合材料，优 选1-3级。本发明的另 一个方面为本发明微型装置的制造方法，下文中称为本发明微型装 置的制造方法，基于根据图1所述设计的光刻技术，其包括下列步骤a)在独立衬底(晶片1)表面上沉积和限定光可限定的聚合物层，b)在覆盖有不粘材料的独立衬底(晶片2)表面上沉积和限定光可限定的聚合物 SU-8 层，c)密封晶片1和晶片2，使所述晶片的含有光可限定的聚合物层的侧面彼此相对 放置，和d)移除由不粘材料覆盖的晶片。本领域技术人员通过本发明给出的知识和设计以及本领域目前的状态可容易地 制造出本微型装置。另外，本发明的微型装置的设计可通过引入额外的空通道来增强， 所述额外的空通道策略设置在中央通道周围以使通过PMMA芯片衬底和SU-8材料发射 的声能的损失最小化。通过重复装置的制造过程的步骤b)、c)和d)和在中央通道下面 与其平行地添加两个密封充气通道，这些额外的元件可以容易地并入本发明装置的设计 中。在发生分离的流体处理通道的下方并靠近其设置充气通道。这样，用于分离的超声 信号置于期望的限制位置处，从而使损失最小化。中央通道的构型也可通过如下加强-改变相对于微型装置组合件的位置，以增强通道内压力节点的稳定性。具体 地，通过改变通道与紧靠超声波致动器的芯片的外壁之间的距离，所述距离可减至所述 介质中波长的至多1/4 (在选定的频率下声能传播最大)。因此，有利于通道内压力节点 (向其传输和声学收集微组分)的稳定性。-将处理通道减半，并且以相同的比例缩小整个装置。缩短在处理通道内部互相 平行流动的两个样品经过的距离以相同比例减少它们的界面。因此，扩散路径长度明显 缩短。事实上，在非牛顿流体如例如血液(其粘度随某些参数变化)中，通道的缩短对 避免界面破裂和防止其侵入到整个通道是必要的。另一方面，通道的缩短意味着流体在 其中更短的停留时间和因此更少的声学处理，以及更大的可控制性。另外，微型装置的操作可通过稍微调整工作频率来增强，因为系统显示分化良 好的微操作能力，使得可以在为其设计的核心工作频率周围产生轻微的频率变化。根据 待开发的应用，低于其核心值12%的频率增加允许根据待开发的应用改变平衡位置和朝 期望的位置收集通道内的微组分。该特性赋予微型装置广泛的应用多样性。另一方面，微型装置的操作可通过加宽工作频率范围来增强，这是因为通过围 绕用于设计的核心工作频率周围的频率的很小的变化使得系统具有微操纵能力。根据待 开发的应用，低于其核心值12%的频率增加使得平衡位置和通道内微组分的收集向预期 位置改变。该特性给微型装置广泛的应用多样性。另一方面，本发明的微型装置也可用热冲压技术结合后续的胶合过程，以下列 方法制造a)制备其中包括预期通道设计的模具，b)在压力和/或温度作用下用a)中所得的模具模制要用的衬底，和
c)在压力和/或温度和/或氧等离子体表面活化的作用，通过与另一塑料材料胶 合密封衬底。另一方面，对于本发明的微型装置可用的频率范围对于有机和无机悬浮物都是 很宽的，但是在有机悬浮物中要考虑到以下所述的某些因素。超声波频率的一个变化方 案意味着装置的尺寸的缩放过程。考虑到微型装置的操作时基于在通道宽度方向上的声 波谐振器模型，与处理微通道的这个横向尺寸相关的空间特性必须与声频率成反比地变 化。尽管悬浮物的各个微组分产生的辐射力与频率直接成正比，在具有低频率水平(kHz 量级)的有机悬浮物的情况中必须考虑声音空化能量阈值的降低，从而避免细胞损害。 低频对这种不期待的现象有利，因此对本发明在低于500kHz的应用将受到限制。相反 地，频率增加线性增加辐射力的幅度，和使得产生选择性超声为主的传输所需的声能水 平下降。由于这个原因，目前开发的几乎所有装置在2MHz 5MHz之间工作。相反 地，这些频率的提高意味着处理通道的侧向尺寸的比例减小，这必须随声波引起的变化 成比例地改变，由于精确度的需要提高了这些装置的制造过程的成本。用这个模型获得的结果使得装置应用在颗粒分离和隔离领域，重要的应用在于 农业生物技术、由于人类和动物健康的生物技术如例如细胞优选人类细胞的分离和隔 离，核诊断和治疗过程，例如细胞或基因治疗哺乳动物类疾病优选人类疾病。因此，本发明的另一方面为本发明的微型装置的用途，下文中称为本发明的用 途，用于选择性和非侵入性分离、洗涤和/或分类多分散悬浮物中的颗粒的过程。本发明另一个更具体方面是本发明的用途，其中颗粒包括属于下列的细胞(仅 用实例而不限制本发明的范围)病毒、朊病毒、原核细胞(细菌等)和真核细胞。本发明的更具体实施方案为本发明的微型装置用于选择性分离和隔离真核细胞 (如藻类、真菌、包括酵母菌)，优选人体细胞，更优选肿瘤细胞、血细胞、干细胞或母 细胞，无论是否是体液如血、尿、脑脊髓液中或活组织切片检查中的其他类型的生物样 品中存在的体细胞、胚胎细胞或其他类型的细胞。无论是否与诊断或治疗相关，本发明的微型装置可使用的具体生物过程或应用 涉及献血、血浆除去法、透析过程和实验室分析，以及手术后血液的循环和/或清洗， 其中需要某些类型的细胞例如红细胞和血小板的分离和浓缩。另一个实例是本发明的微型装置应用于人类诊断和/或治疗过程，用于选择性 分离和提取患者的损坏或改变的细胞，其可以在体外修复并重新用于患者。生物应用的一个具体领域是肿瘤学，可用作诊断和预兆的工具，用于对具有不 同组织起源的固体肿瘤和在不同疾病阶段的肿瘤患者的外围血中的循环肿瘤细胞(CTC) 进行选择性分离和提取的再现。
临床使用表明在外围血的循环肿瘤细胞的数量的量化迄今为止集中在下列方 面 乳腺癌和转移性前列腺癌的独立预诊因素(Cristofanilli M，BuddGT，Ellis MJ, StopeckA, MateraJ, MillarMC, Reuben JM, Doyle GV, Allard WJ, Terstappen LW, Hayes DF.Circulating 月中瘤细胞，disease progression and survival in metastatic breast cancer N Engl J Med 351 8, 2004) (Moreno JG, Milelr MC，Gross S, Allard WJ， Gomella LG, Terstappen LW.Circulating 月中瘤细胞 predict survivalin patients with metastaticprostate cancer.Urology ； 65(4) 713-718 ； 2005)。 监测具有晚期疾病的肿瘤患者对化疗的反应(Cristofanilli M，Mendelsohn J， et al.Circulating 月中瘤细胞 in breast cancer advanced tools for tailored therapy.Proc Natl Acad
Sci USA 103 (46) 17073-17074; 2006)。在这些研究中所用的分析系统是基于用单克隆抗体的阳性免疫分离和后续分析使用荧光显微镜。在美国这些应用已经得到食品与药物管理局(FDA)对其在临床实践中 的使用许可。两种应用对于其他类型的肿瘤的应用日渐广泛。同样，有初步研究表明 CTC数目分析作为对大肠癌复发的早期标记物的潜在应用(SotoJL，Garrigos N, Gallego J， Guaraz P, Garcia-Bautista M, Castillejo A, GomezA, Casado-Llavona C， Rodriguez-Lescure A, Carrato A.Toward a circulating tumour cell analysis as an early marker for relapse in stage II and III colorectal cancer patients.Eur J Cancer Supplements.3 (2) 187 ； 2005)。本发明的装置的主要优势之一是不仅能有效分离CTC (并易于对其计数)而且能 够在可行条件下分离所述细胞群以进行后续分析的现实可能性，两种描述都是在基因水 平和基因表达范围，以及体外功能行为研究。目前，这是唯一已知的能够提供如此高效 率的这种可能性的装置。CTC的概念作为可负担的非侵入性肿瘤活组织检查具有以下附加值可功能性 表征所述细胞在它们相对于现有治疗方法的敏感性/耐受性的方面的表现，作为个性化 系统用于为每个患者现在最有效的治疗。因此本装置的现实和潜在用途对于临床实践非常重要，为更好地治疗患者的不 同疾病提供很有价值的信息。发明人也发现这最后一个特性的重要性，其强化了分离效果，如下详述。
图1示出其中本发明的微型装置作用和运输悬浮颗粒物质的元件和方式的透视 图(2D)。图2示出本发明的装置的多层构型。图3示出芯片和压电陶瓷换能器集成在用于插入/提取流体的组装片上的装置原 型的照片。图4示出芯片和压电陶瓷换能器集成在用于插入/提取流体的组装片上的装置原 型的照片。图5示出PMMA芯片的照片和图。图6示出通道内部的显微照相。图7示出每个20 μ m颗粒向通道内的声压节点的各自位移行为的显微照相。图8示出20 μ m颗粒的照片。图9示出颗粒分离/提取的照片。图10示出20 μ m颗粒经过流出通道的提取过程。图11示出用光可限定的的(fotodefinible)材料作为结构材料的本发明微型装置的制造方法的图。图12示出本发明的微型装置的设计，其中在其端部密封并填充空气的通道相对 于中央通道策略性地设置，以使得在透过衬底的发射过程中的能量损失最小化。a)从上 面观察的芯片，b)芯片的横截面。图13示出用热冲压技术制造本发明微型装置的制造方法的图。图14示出微型装置在对通道内的微组分施加声作用中的作用和控制能力，通过 频率核心值的微小变化，使得平衡位置的修改和通道内的微组分的收集(930kHz)根据待 开发的应用向期望位置达到反射器壁(1.1MHz)。
具体实施方案第一实施方案描述了本发明的微型装置的第一原型。在图4所示的原型中，用于实现流体通道的结构材料是光可限定的聚合物 SU-8，其机械结合至PMMA衬底，该PMMA衬底构成装置的通道底部。由于其高限制 (微米尺度)、长出的壁的垂直性[ref2]、生物兼容性[refi]、宽的厚度范围[refl]和胶连 几个连续层的可能性[ref4]，该材料对制造装置具有非常便利的特性。根据图1的设计， 所用的本发明装置的该原型的制造步骤如下(见图10)a)在独立衬底(晶片1)的表面上沉积和限定光可限定的聚的合物层，b)在覆盖有不粘材料的独立衬底(晶片2)的表面上沉积和限定光可限定的聚合 物SU-8层，c)密封晶片1和晶片2，使所述晶片彼此相对设置在含光可限定的聚合物层的侧 面上，和d)移除由不粘材料覆盖的晶片。微型装置的原型设计和制造为包括具有四个微通道(160、162、170和180)的 集成系统的芯片(100)，所述四个微通道以中央处理通道(110)为中央，每端各有两个， 呈不对称设置，用于沿着通道(110)的层状区域下平行流动的两种介质的流入和流出(见 图1、2和3)。这些介质之一是将从中提取(101)特定颗粒的悬浮物(150)，另一介质是 用作颗粒(101)的超声收集器的纯液体(124)。从图2可见，胶合到芯片边缘上的金属化表面之一的超声换能器(190)包括两种 聚合物材料(一种形成通道，另一种构成与其机械连接的衬底)，并且产生超声波，所述 超声波经过丙烯酸类芯片传递到处理通道。通道宽度“W”约为声波波长的四分之一， 并且允许在通道内的所述方向上建立驻波，所述通道在相对于其一个侧壁的约w/3的距 离处具有压力节点，用作反射器。照片3.a显示从上方观察的装置，照片3.b示出沿边具有两种机械连接聚合物材 料的芯片结构。如图4的照片中可见，装 置具有集成在其一侧(190)中的超声波致动器或换能 器，其可由小型矩形PZ26压电陶瓷(具有1MHz的厚度模式共振)或1-3级压电复合材料，其通过金属化表面之一部分胶 合至由SU-8构成的芯片的厚度并且通过侧边缘之一部分胶合至PMMA衬底，部分占据 其厚度且平行于处理通道设置。超声源设置为与芯片垂直接触。向与其垂直的方向发射超声能，其方式为向通道内的介质发射声能在垂直于流动方向的方向上进行。更具体地，通道宽度为390士4.6 μ m(1.06乘以IMHz的波长的1/4)。压力节点 设置为距反射器壁的距离为117士4.6 μ m，在由纯流体床占据的区域中，在悬浮物之外。 因此，通道具有0.0975mm2的横截面积和可自由变化的波长，但是在本发明的具体情形 中为lcm。因此，通道体积为0.975mm3。图10示出在约0.06mm/s的极低流动速度下的单个超声传输之后，经过右边的流 出通道提取颗粒，其允许清晰的可视化和量化声学行为。连续的黑影照片(lO.a) (10. d)清晰示出超声选择分离处理的有效性，其中直径为20 μ m的所有颗粒离开装置而向纯 收集器流体流出通道移动，同时含小的6 μ m颗粒的剩余悬浮物沿其左侧“床”流动，通 过相应的通道排放。图11示出用光可限定的的材料作为结构材料制造的本发明微型装置的制造方法 的图。a)在独立衬底的表面上沉积和限定光可限 定的的聚合物层；b)在覆盖有不粘材 料的独立衬底的表面上沉积和限定光可限定的的聚合物层；C)密封晶片1和晶片2 ；和 d)移除由不粘材料覆盖的晶片。图12示出本发明的微型装置的设计，其中具有密封端部的充气通道相对于通道 策略设置，以使透过衬底的发射过程中能量损失最小。a)从上面观察的芯片，b)芯片的 横截面。图13示出用热冲压技术制造本发明的微型装置的制造方法的图。a)制备其中包括期望通道的设计的模具，b)在压力和/或温度作用下利用a)中 所得的模具模制要用的衬底，和c)在压力和/或温度和/或氧等离子体的表面活化的作 用下，通过胶合至另一塑料材料来密封衬底。图14示出微型装置通过频率值的微小变化在其对通道内的微组分的声学作用中 的作用和控制能力，该频率值的微小变化允许根据待开发的应用改变平衡位置和朝预期 位置收集上至反射器壁(1.1MHz)的通道内的微元(930kHz)。在第二实施方案中，描述了本发明的微型装置在分离模拟细胞的颗粒中的用 途。对于本发明的微型装置的微流体控制，使用具有同时应用到三个不同体积 (10μ1 IlOml)注射器的能力的恒压注入泵用来控制各入口(160和162)处两种介质的 流动。悬浮物(150)和收集器流体(124)在相同压力下用相同体积(各5ml)的注射器分 别经过这些入口(160和162)同时注入。在收集器流体(124)床中，利用通过CCD照相机拍摄的显微分辨率的照相来 实时监控选定的颗粒的超声分离及其向压力节点的传输，该CCD照相机连接至具有 1.17 μ m/数码像素的分辨率的光学镜头组合件。悬浮物占据的流体床的宽度保持在通道 (110)宽度的1/2左右。本实施例中的实验用模型是聚苯乙烯微颗粒模型，其具有模拟以下两种细胞的 物理和声学特性的尺寸和密度红细胞和从外周血脱落的肿瘤细胞，开始在类似于血浆 的流体中一起流动。该流体的物理和声学特性，例如其密度和声音传播速度在文献(Cousins CM，Holownia P, Hawkes JJ，Limaye MS，Price CP, Keay P, Coakley WT, Plasma preparation from whole blood using ultrasound.Ultrasound Med Biol 26 881-888，2000)中描述，以 及红细胞的这些特性(Duck F A, Physical properties of tissue a comprehensive referente book, Academia London, 1990, Haider L, Snabre P, Boynard M, Rheology and ultrasound scattering from aggregated red cell suspensions in shear flow, Biophysical Journal, Vol.87, 2322-2334，2004)。相反地，不存在使肿瘤细胞在外周血中流动的这些特性的 参考书目使我们通过开发实验诱导模型来间接确定所述数据。为此，我们借助于两种经 常应用于癌症实验室中通过离心和密度梯度进行细胞分离的两种液体介质的声学特性 Ficoll 和另一种技术上未定义但用于称为Oncoquick 的实验装置的液体介质，后者由 于其密度而在分离肿瘤细胞中非常有效，从外周血脱落的肿瘤细胞漂浮在其上[Rosenberg R，Gertler R, Friedrichs J，Fuehrer K, Dahm Μ, Phelps R，Trovan S，Nekarda H, Siewert JR.Comparision of two density gradient centrifugation systems for the enrichment of disseminated tumour cells in blood.Cytometry 49 ； 150-158.2002]。肿瘤细胞密度的可能可变幅度得自两种液体中的密度和声音传播速度测量值 1.030gr/cm3 < P (肿瘤细胞)< 1.055gr/cm3，最小值的不确定度小于5%。基于这些数 据并考虑到生物微组分的近似线性依赖性，在该实施例中选择密度为1.05gr/Cm3的颗粒 作为肿瘤细胞的代表来估算它们的压缩性。在利用这个实验模型表征肿瘤细胞之后，用选定直径为20 μ m的聚苯乙烯颗粒 来模拟它们。尽管这些细胞的可变范围很宽(可限定为10 40 μ m)，选择该尺寸作为 标准值。以该方式，我们进一步引入并分析“双分散”的含水悬浮物，即包含不同浓度 的直径分别为6和20微米的两种颗粒群，并对其在装置中进行超声。选择性分离和提取 大颗粒的结果可在图6、7、8和9中清楚看到。根据图6，可观察到通道中两种介质的分布在没有超声作用时，悬浮物沿通 道的左侧流动而水在右侧。悬浮物主要由高浓度的6微米直径的小聚苯乙烯颗粒和以非 常低的浓度(Cv < )流动的一些直径20微米的较大颗粒组成。在图6.a)的照片中， 我们可观察到介质在低流动速度下的横向分布，使6μιη的颗粒部分可见。图片分辨率为 1.17μιη/像素。相反地，对应于较高流动速度的图6.b)的照片没有得到所述区分，而是 显示了两介质间亮度对比的不同色调。根据图7，位于通道上部的颗粒在通道部分的起点处受超声波致动器影响并且在 垂直于流动方向上经受横向位移，强度小于位于照片下部的颗粒，后者完全受声场影响 而被更为强烈地拖拽。因此，所述颗粒位于压力节点的位置处，而在获得照片的时间过 程中上部颗粒还未达到该位置。图8示出对应于两种20 μ m颗粒的照片的图片，所述两种20 μ m颗粒在压力节 点中沿着通道非常缓慢地流动，位于声压节点处，从发射器壁分离。图9示出通过流出通道进行的选定颗粒的分离/提取过程的照相的实验结果。第 一黑影照片(9.a)显示的是在没有超声波时20 μ m颗粒与剩余的悬浮物一起通过通道的左 边分支 沿着其流动的流化床自然流出。黑影照片(9.b)、(9.c)和(9.d)显示这些颗粒的 选择性流出，与悬浮物分离，通过纯流体-水流出通道，在压力节点传输和声学收集之后，位于纯流体床上(右半部分)，并沿其继续流动直至离开处理通道。所有这些黑影照 片对应于相同的胶片。在这些系列中，整个通道中颗粒的流动速度为2.4mm/S。对于通过中央处理通道以不同流速(变化范围在0.06mm/s 1.4mm/s)注入 (总是在微流体技术中所需的层状区域下方)的所有样品进行的测试，20 μ m颗粒的选择 分离的结果都是积极的。使用双分散含水悬浮物具有不同体积浓度的未量化的小颗粒 (6ym),和浓度非常低(一般低于1%)的直径为20 μ m的大颗粒。所 有测试均在由通 道宽度所确定的频率下进行，该频率策略性地基于IMHz的PZ26压电陶瓷共振频率来确 定。总是用去离子水作为纯流体。更具体地，通过两个通道(160和162)将两种介质平行引入中央通道中悬浮物 (150)(从其提取具有特定特性的颗粒(101)，尤其是具有20μιη直径和1.05gr/Cm3密度的 颗粒)，和液体流体(去离子水)(124)，所述两个通道具有相同横截面积(0.049mm2)并 集成在本发明的芯片中，每个通道各自占据中央通道(110)的一半。两种介质平行地流 过通道(110)并沿它们相应的床的层状区域下方流过纯流体将沿流体床(124)收集颗粒 (101)，而悬浮物沿着床(122)占据通道(110)截面的其他部分，从而保持分离它们的界 面(120)稳定。该行为可以在图5的连续两个流速(分别为0.06mm/s和1.4_Λ)的照 片中观察到。照片5.a示出实施的微通道和胶合到芯片边缘的压电陶瓷的位置。图5.b示 出由两个聚合物材料SU-8和PMMA构成的芯片的横截面图。在覆盖通道(110)的长度 之后，两种介质在分叉点(175)分向两个流出通道(170和180)，并从该处离开装置。当 悬浮物(150)沿通道(110)内的床(122)流动时，由于通过外部设置的压电换能器(190) 在通道(110)中产生的驻波的建立，其中包含的一定尺寸和密度的那些颗粒(101)经受辐 射力。由于从连续信号发生器向超声换能器施加的15伏的供给电压，20μιη颗粒 (101)经历辐射力，并在超声波作用下沿通道(110)以垂直于连续的悬浮物流的方向向压 力节点快速传输，位于纯流体(水)(124)所占的区域(图6)，经过该区域它们继续向通 道末端流动(图7)，以分化的方式经过沉浸在所述流体(124)中的流出通道(180)离开装 置，并且从应用超声之前包含它们的悬浮物中分离出来。相反地，悬浮物(107)中所含高浓度的6μιη小颗粒不受声场影响并且不发生声 学拖拽，其原因是辐射力与半径的三次幂成正比，由于其半径比大颗粒(101)小三倍， 因此对其施加的辐射力小得多。这样，颗粒在悬浮物中沿着它们开始的流化床继续流动 而不偏离路径。最后，它们经过悬浮物流出通道离开装置。图8和9示出两组连续的黑影照片，其中可观察到20 μ m颗粒在从它们的悬浮 物超声提取并收集在收集器流体中之后向中央通道的分叉点流动，它们从那里通过通道 (180)离开装置，与它们的起始介质分离。给定通道(110)的宽度略大于在其中建立的声 波波长的1/4，在反射器壁和界面(120)之间的中间位置处，即大约分别对应通道(110) 的1/3-2/3的位置处形成声压节点。在颗粒(101)沿通道流动过程中，从它们进入声场 的活性区的时刻起，颗粒(101)倾向于集中在驻波的节点位置。其余的悬浮物组分(150)不受声场影响，不横越两介质(150和130)之间的界面 (120)，而是继续流动，沿其在整个微流体通道(110)中的对应床(122)流动，直到到达 分叉点(175)，从该处它们通过流出通道分支(170)离开装置。
值得注意的是在利用本发明装置的实验过程中获得的选择性分离和提取20 μ m 大颗粒的高度有效性。例如，在将样品在通道中用5ml注射器以1.4mm/s(12分钟注入Iml)的流动速 度注入处理通道中的实验中，没有发现产生不利作用，其中20 μ m大颗粒通过悬浮物流 出通道离开装置，而不是朝收集器流体继续传输，它们通过该流出通道被排放。对在两个通道(170)和(180)出口处收集的样品的可视化进行的量化分析证实了 从超声处理之前将20 μ m大颗粒浸入其中的悬浮物中选择性分离和提取20 μ m大颗粒的 有效性。从经其排放经受声波的悬浮物的通道处收集1分钟的液体不含20 μ m颗粒，而 是发现存在非常多的6μιη小颗粒。相反地，在通道(180)的出口处收集的液体含20 μ m 聚苯乙烯颗粒，如之前可在中央通道(110)中和分支区域(175)中观察到的，从其起始悬 浮物中经声学分离和提取到收集器流体(124)，通过通道(180)离开装置。
这些实验是在20 μ m颗粒浓度非常低(远小于体积浓度)的情况下进行的， 模拟了肿瘤细胞从血液中脱落的真实情况。在不同浓度(总小于10% )的该颗粒群中发 现了重复行为，其原因是并可理解为施加到每个颗粒上的声辐射力的单独作用，而与其 在悬浮物中的浓度无关。作用的有效性对高浓度的和极稀的悬浮物都有效，而其他分离 技术则显示灵敏度和有效性的急剧下降。
权利要求
1. 一种用于选择性和非侵入性地分离和提取多分散悬浮物中的颗粒的微型装置，其 特征在于其包括集成在声学软材料的芯片衬底中的以下组件a)流动微通道系统，其具有源于中央处理通道(110)的流出通道分支的非对称空间 分布，其包括(见图1)1.起始悬浮物沿其流动的路径或床，其包括用于供给的流入通道(160)和经其离开所 述装置的流出通道(170)，ii.与i平行的纯流体(124)沿其流动的路径或床(称为流体收集床)，从所述纯流体 (124)中提取选定的颗粒，所述路径或床包括流入或供给通道(162)和流出通道(180)， 形成iiiiii.中央处理通道(110)，在该处所述起始悬浮物和纯流体通过在由通道横向尺寸所 限定的层流区下的流线的边界界面分开，所述中央处理通道(Iio)在其路径(175)末端分 成为两个流出通道(170、180)，其中所述通道(110)的宽度基本上小于声波波长的四分 之一，形成其横截面，禾口b)在侧壁(190)之一上的超声致动器或换能器，-所述超声致动器或换能器在中央处理通道(110)之外并与之平行，其向形成多层系 统的芯片-通道组合件发射声能，所述多层系统的共振使压力节点正确设置在所述通道 内分别距反射器壁约1/3和2/3通道(110)宽度的距离处，其作用范围包括所述处理通道 (110)以及朝向两个流出微通道的分叉区域，目的是使选择性分离和提取的效率最大化。
2.根据权利要求1的微型装置，其特征在于所述通道(110)宽度的尺寸稍大于声波波 长的1/4。
3.根据权利要求1的微型装置，其特征在于所述通道(110)深度的尺寸明显小于声波 波长的1/4。
4.根据权利要求1的微型装置，其特征在于所述芯片衬底的声学软材料是其阻抗不超 过液体介质阻抗的三倍的材料，所述阻抗的可变范围为0.8MRayls 2.6MRayls。
5.根据权利要求4的微型装置，其特征在于所述芯片衬底的声学软材料是丙烯酸类材料。
6.根据权利要求1的微型装置，其特征在于所述丙烯酸类材料是环氧树脂SU-8。
7.根据权利要求1的微型装置，其特征在于所述压电换能器是压电陶瓷或压电复合材料。
8.根据权利要求7的微型装置，其特征在于所述压电复合材料是1-3级的。
9.一种利用热冲压技术制造权利要求1至8中任一项的微型装置的方法，其特征在于 其包括以下步骤a)在独立衬底(晶片1)表面上沉积和限定光可限定的聚合物层，b)在覆盖有不粘材料的独立衬底(晶片2)表面上沉积和限定光可限定的聚合物SU-8层，C)密封晶片1和晶片2，使所述晶片的含有光可限定的聚合物材料的侧面彼此相对放 置，和d)移除由不粘材料覆盖的所述晶片。
10.一种利用热冲压技术并结合后续胶合过程来制造权利要求1至8中任一项的微型 装置的方法，其特征在于其包括以下步骤a)制备其中包括期望通道设计的模具，b)在压力和/或温度作用下用a)中获得的所述模具模制所要使用的衬底，和c)在压力和/或温度和/或氧等离子体表面活化的作用下，通过与另一塑料材料胶合 来密封所述衬底。
11.权利要求1至10中所要求保护的微型装置的用途，其用于多分散悬浮物中的颗粒 的选择性和非侵入性地分离、洗涤和/或分类的过程中。
12.根据权利要求11的用途，其特征在于所述颗粒选自 _病毒，-朊病毒，和其特征在于所述细胞是原核细胞t 其特征在于所述原核细胞是细菌t 其特征在于所述细胞是真核细胞t 其特征在于所述真核细胞选自-细胞。
13.根据权利要求12的用途，
14.根据权利要求13的用途，
15.根据权利要求13的用途，
16.根据权利要求15的用途， -真菌，-藻类，和 -人类细胞。
17.根据权利要求16的用途，其特征在于所述人类细胞选自 -肿瘤细胞，-血细胞， -干细胞，和 -母细胞。
18.根据权利要求17的用途，
19.根据权利要求17的用途，
20.根据权利要求16的用途，其特征在于所述母细胞是体细胞。 其特征在于所述母细胞是胚胎细胞。 其特征在于所述真菌是酵母菌。
21.权利要求1至10所要求的微型装置的用途，其特征在于真核细胞分离过程用于血 液、血浆置换过程、透析过程和实验室分析，以及用于手术后血液循环和/或洗涤过程 中。
22.权利要求1至10所要求的微型装置的用途，其特征在于真核细胞分离过程的目的 是对肿瘤患者的外周血中的循环肿瘤细胞(CTC)进行选择性分离和提取以对人类癌症进 行诊断和预测。
23.根据上述权利要求的用途，其特征在于对患者的细胞进行选择性分离和提取，所 述细胞可进行体外修复并重新用于所述患者。
24.根据权利要求22的用途，用于从不同的组织或流体中分离人或动物的母细胞。
全文摘要
本发明涉及一种利用微技术在芯片中产生的通道中通过策略性利用超声波、层流和驻波效应来选择性和非侵入性地分离多分散悬浮物中的颗粒的微型装置。所述装置是具有修改的“λ/4波长”处理通道的共振多层系统，其使颗粒能够在衬底通道内的流中流动和分离而不接触装置壁，从而避免粘连问题。所述微型装置可用于细胞特别是人类细胞的分离和浓缩的生物医学和/或生物技术，其可用于诊断及治疗的研究和医学方法。
文档编号A61M1/34GK102026699SQ200880126178
公开日2011年4月20日 申请日期2008年12月5日 优先权日2007年12月5日
发明者乔斯·路易斯·索托马丁内斯, 哈维尔·贝甘佐鲁伊斯, 托马斯·戈麦斯阿尔瓦雷斯-阿雷纳斯, 路易斯·乔斯·费尔南德斯莱德斯马, 阿尔弗雷多·卡拉托梅纳, 马里亚·伊西亚尔·冈萨雷斯戈麦斯 申请人:埃尔切市大学总医院基金会, 康斯乔最高科学研究公司, 米格尔·埃尔南德斯大学