一种细胞分离微流控芯片、使用方法和制备方法

本发明涉及微流控芯片，尤其涉及一种细胞分离微流控芯片、使用方法和制备方法。

背景技术：

1、循环肿瘤细胞(ctcs)是指从原始肿瘤病灶上脱落，进入人体血液循序系统中的肿瘤细胞。它可以随着人体血液流动迁移到人体的其他器官上，并形成新的原始肿瘤病灶，从而导致癌症转移和扩散。因此，检测血液中ctcs对于癌症等重大疾病的早期诊断和精准治疗具有重要的意义，是未来生物芯片的基石技术和战略制高点。但ctcs的数目极其罕见，每毫升血液中只有1-100个ctcs，即约每十亿个血细胞才有一个循环肿瘤细胞，如何从血液中快速高效的分离出高纯度、高回收率的稀有循环肿瘤细胞是对其进行后续研究重要前提。

2、细胞分离技术主要是依据细胞间物理特性和生物特性的差异将样品分选成不同的种群，大致可分为主动式分选和被动式分选两大类。主动式细胞分选技术需要借助外加物理场(电场、磁场、声场、光场)对细胞施加作用力来实现细胞分选，这类技术往往具有较高的分选效率。被动分选技术是指微粒仅在流体作用力而没有其他力场的作用下实现的分离，颗粒的被动分离主要分为确定性侧向位移、压缩流分离和惯性流分离等，这类技术往往具有较高的分选通量。但是单一的技术在细胞分选的通量、回收率和纯度等指标上或多或少存在不足。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术中的缺点，提供了一种将非接触式介电泳分选(cdep)和被动分选中的确定性侧向位移技术(dld)相结合，通过电场与流场的耦合高通量分离细胞的双模态微流控芯片。

2、为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：

3、一种细胞分离微流控芯片，包括：

4、样品溶液通道，

5、导电溶液通道，设置于样品溶液通道的两侧，与样品溶液通道之间间隔有pdms屏障，导电溶液通道通过pdms屏障向样品溶液通道施加电压；

6、其中，样品溶液通道与导电溶液通道重合段为cdep段；

7、cdep段部分的样品溶液通道中设有dld阵列，所述dld阵列为绝缘的三角形支柱阵列；

8、以样品溶液流向方向排列的三角形支柱为列，列与列之间均匀排列形成流道，且每列绝缘三角形支柱与样品溶液通道的两侧形成斜角，所述流道为与样品溶液通道的两侧形成斜角的流道。

9、其中，所述导电溶液通道包括：

10、导电溶液导入口，

11、两个导电端，与导电溶液通道电连接，两个导电端用于连接信号发生器的电信号输出端。

12、作为一种优选方案，所述三角形支柱阵列为等边三角形支柱阵列。

13、作为一种优选方案，三角形支柱阵列组成的dld阵列的临界尺寸dc范围为8μm-12μm。

14、作为一种优选方案，所述样品溶液通道尺寸为1mm×20mm；所述导电溶液通道的宽度为500μm；所述pdms屏障的宽度为20μm。

15、该芯片实现两种工作模式，其中一种为负介电泳(ndep)排斥模式，该模式下所述样品溶液通道，包括：

16、鞘流入口，导通连接样品溶液通道，位于样品溶液通道首部；

17、样品流入口，导通连接样品溶液通道，位于样品溶液通道首部；

18、小粒子分选出口，导通连接样品溶液通道，位于样品溶液通道尾部；

19、大粒子分选出口，导通连接样品溶液通道，位于样品溶液通道尾部。

20、另一种为正介电泳(pdep)捕获模式，该模式下所述样品溶液通道，包括：

21、鞘流入口，导通连接样品溶液通道，位于样品溶液通道首部；

22、样品流入口，导通连接样品溶液通道，位于样品溶液通道首部；

23、出口，导通连接样品溶液通道，位于样品溶液通道尾部。

24、基于上述细胞分离微流控芯片，提出一种细胞分离微流控芯片的使用方法，在负介电泳(ndep)排斥模式下，用于粒子分选应用，以负介电泳力实现大直径粒子和小直径粒子的更高效和更快速分选，包括步骤：

25、通过导电溶液通道向样品溶液通道施加电场，绝缘的三角形支柱阵列形成电场梯度分布；

26、粒子流经cdep段，被三角形支柱周围的电场排斥，大于dld阵列的临界尺寸的粒子受到ndep力和斯托克斯力的合力做确定性侧向位移运动从一侧流出；

27、小于dld阵列的临界尺寸的粒子做之字形运动从另一侧流出，实现分选。

28、基于上述细胞分离微流控芯片，提出一种细胞分离微流控芯片的使用方法，在正介电泳(pdep)捕获模式下，用于细胞捕获应用，以正介电泳力实现肿瘤细胞的吸附，包括以下步骤：

29、通过导电溶液通道向样品溶液通道施加电场，绝缘的三角形支柱阵列形成电场梯度分布，同时选择合适的电场频率使肿瘤细胞受到正介电泳力，白细胞不受介电泳力或者受到负介电泳力；

30、肿瘤细胞流经cdep段，处于三角支柱阵列中的肿瘤细胞受到三角支柱阵列中三角支柱周围产生的pdep力，肿瘤细胞克服斯托克斯力被吸附在三角形立柱高电场强度梯度的周围。而白细胞由于不受介电泳力或者受到负介电泳力正常流出，达到分离的效果。

31、本发明的有益效果：

32、本发明将主动分选技术与被动分选技术相结合，突破单一技术的局限，利用多个操纵力同时应用于样品流，这些力的叠加决定了粒子/细胞的轨迹和平衡位置，从而可以更精确地控制粒子或细胞并提供各种功能。

33、在产品应用中，可以实现从血液中快速高效的分离出高纯度、高回收率的稀有循环肿瘤细胞。

34、其中，cdep技术的电极不直接接触生物样品，防止了气泡的形成并减轻污染，保证样品中细胞的活力和样品的无菌性。介电泳力能够在被动的流场上耦合主动的电场力，在对粒子进行选择性操控的同时加速粒子的运动，并通过调节频率和电压来匹配特定样品或特定实验条件，提升样品的分选通量和分选效率。

35、其中dld阵列采用三角形支柱，减少了阵列的阻塞，提高吞吐量；同时，在导电溶液通道施加电场后，三角形柱周围产生的最高电场梯度强于在圆柱周围产生的最高电场梯度，流经的粒子或细胞可以受到更大的dep力。

技术特征：

1.一种细胞分离微流控芯片，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种细胞分离微流控芯片，其特征在于，所述三角形支柱阵列为等边三角形支柱阵列。

3.根据权利要求1所述的一种细胞分离微流控芯片，其特征在于，三角形支柱阵列组成的dld阵列的临界尺寸dc范围为8μm-12μm。

4.根据权利要求1所述的一种细胞分离微流控芯片，其特征在于，

5.根据权利要求1所述的一种细胞分离微流控芯片，其特征在于，所述导电溶液通道包括：

6.根据权利要求1所述的一种细胞分离微流控芯片，其特征在于，所述样品溶液通道，包括：

7.根据权利要求1所述的一种细胞分离微流控芯片，其特征在于，

8.一种细胞分离微流控芯片的使用方法，其特征在于，采用权利要求1-7任意一项所述的细胞分离微流控芯片，用于粒子分选应用，以负介电泳力实现大直径粒子和小直径粒子的分选，包括步骤：

9.一种细胞分离微流控芯片的使用方法，其特征在于，采用权利要求1-7任意一项所述的细胞分离微流控芯片，用于细胞捕获应用，以正介电泳力实现肿瘤细胞的吸附，包括以下步骤：

10.一种细胞分离微流控芯片的制备方法，其特征在于，用于制备权利要求1-7任意一项所述的细胞分离微流控芯片，包括以下步骤：

技术总结
本发明公开一种细胞分离微流控芯片、使用方法和制备方法，涉及微流控芯片技术领域，包括：样品溶液通道，导电溶液通道，设置于样品溶液通道的两侧，与样品溶液通道之间间隔有PDMS屏障，导电溶液通道通过PDMS屏障向样品溶液通道施加电压；其中，样品溶液通道与导电溶液通道重合段为cDEP段；cDEP段的样品溶液通道中设有DLD阵列，所述DLD阵列为绝缘的三角形支柱阵列。本发明将主动分选技术与被动分选技术相结合，突破单一技术的局限，利用多个操纵力同时应用于样品流，这些力的叠加决定了粒子/细胞的轨迹和平衡位置，从而可以更精确地控制粒子或细胞并提供各种功能。

技术研发人员：董树荣,薛灵钥,曹臻
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13