一种外泌体气动离心分离芯片

本发明属于微流控芯片领域，更具体地，涉及一种外泌体气动离心分离芯片。

背景技术：

1、外泌体是细胞分泌的纳米级胞外囊泡(直径30-200nm)，介导了细胞通讯在内的众多关键生命活动，在疾病无痛早筛、精准治疗、预后监测及诊疗一体化等大健康领域至关重要。一方面，其表面及内部丰富的标记物，被视为是新一代非侵入性疾病诊断检测靶标，另外一方面因其具有优异的生物相容性、极低免疫原性及易于功能化的特性也日渐成为新型的生物纳米诊疗一体化载体。目前对外泌体的提取主要来自血液、唾液、尿液、脑脊液、精液、唾液、胸腔积液和乳汁等体液。

2、外泌体直径比细胞小100倍，体积比细胞小100万倍，对其分离面临巨大挑战。超速离心法是目前分离外泌体的主要技术，但该技术也存在耗时长、分离到的外泌体产率和纯度均较低等明显缺陷。其他方法，如聚乙二醇沉淀法、磷脂酰丝氨酸亲和捕获法、尺寸排阻色谱法、磁珠免疫法等已被用于外泌体分离，但采用以上方法提取外泌体通常需要多次加样换样，存在耗时长、操作过程繁琐等不足。

3、微流控芯片集成纳米滤膜，是一种有前途的替代方案。liu等人报道了一种基于纳米膜过滤的全外泌体分离分析模块化的平台(exosome total isolation chip，exotic)，该平台具有简单、易用、模块化等优点，便于快速从体液(包括血浆、尿液和灌洗液等)中分离得到高纯度的外泌体。与传统的超速离心相比，该平台获取外泌体产量高至1000倍(acsnano 201711(11),10712-10723)。但该方法分离大量样本时，由于持续的分离作用，随着累积易形成“滤饼”，进而造成滤膜阻塞，降低效率，甚至是滤膜破裂等缺点。woo等人将两个不同孔径滤膜(尺寸分别为20纳米和600纳米)集成，提出了一种快速、无标签、高灵敏度的外泌体分离和定量的离心微流控芯片平台(exodisc)，只需要简单离心旋转，即可实现30分钟内从尿液样本中全自动富集20-600nm的囊泡。与金标准的超速离心方法相比，exodisc分离外泌体的mrna高达100倍(acs nano 2017 11(2),1360-1370)。该方法在分离大量样本时，同样存在形成“滤饼”及滤膜阻塞，降低分离效率等缺点。在申请公布号为cn115672423a的专利文件中，提供了一种圆盘式芯片，无需在离心芯片上进行人工干预即可自动完成过滤过程及样本的分离富集与检测过程，但是在分离大量样本时，同样存在滤膜堵塞、分离效率低等问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种外泌体气动离心分离芯片，其目的在于，有效克服当前纳米孔膜分离中普遍存在的阻塞而导致耗时长、效率低等问题。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种外泌体气动离心分离芯片，包括：一个或多个分离机构；分离机构包括n级分离模块；分离模块包括：

3、加样腔室，其上设置有加样口；

4、过滤单元，其设置于加样腔室下游且与加样腔室连通，过滤单元内设置有纳米滤膜；

5、气动腔室，其设置于过滤单元下游且与过滤单元相连通；

6、废液腔室，其设置于过滤单元下游且与过滤单元相连通；

7、以及样本收集管道，其一端与过滤单元的底端相连，另一端作为样本收集口且高于加样腔室的顶端；

8、其中，n为正整数；n>1时，从第一级分离模块至第n级分离模块，所含纳米滤膜的孔径依次减小，并且，相邻两个分离模块中，下一级分离模块的加样腔室设置于上一级分离模块的废液腔室的下游且这两个腔室相连通。

9、在一些可选的实施例中，相邻两个分离模块中，下一级分离模块的加样腔室设置于上一级分离模块的废液腔室的外侧，且两个腔室通过微通道相连通。

10、在一些可选的实施例中，相邻两个分离模块中，下一级分离模块的加样腔室与上一级分离模块的废液腔室通过泵送单元相连通，泵送单元包括：

11、与上一级分离模块的废液腔室相连通的入口通道；

12、与下一级分离模块的加样腔室相连通的出口通道；

13、以及与入口通道和出口通道分别相连通，且设置于上一级分离模块的废液腔室下游的向内泵送气动腔。

14、进一步地，同一泵送单元中，出口通道比入口通道粗。

15、进一步地，气动腔室与过滤单元通过第一微通道相连，且气动腔室的底边为弧形；弧形的一端较低，为气动腔室与第一微通道的连接点；弧形的另一端较高。

16、进一步地，第一微通道与气动腔室相连接的一端为膨大结构。

17、进一步地，过滤单元包括：从上至下依次设置的过滤腔室、纳米滤膜和滤膜支持层；滤膜支持层上设置有多个开孔，开孔的孔径大于相应的纳米滤膜。

18、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

19、(1)本发明提供的外泌体气动离心分离芯片，设置有分离模块，可有效实现外泌体亚群的分离，且各分离模块中设置有与纳米滤膜所在过滤单元相连通的气动腔室，在离心加速过程中液体流过滤膜表面冲刷滤膜，同时储存气动能量，在离心减速过程中，气动腔室储存的气动能量释放，推动液体反向流过滤膜表面，再次冲刷滤膜，如此反复，液体不断双切向流过纳米膜表面，使累积的纳米颗粒间歇移出滤膜表面，在纳米膜表面实现同步往复径向和切向流分离，避免纳米颗粒堵塞纳米滤膜，保证了分离效率。

20、(2)本发明提供的外泌体气动离心分离芯片，在包含多级分离模块时，多级分离模块中的纳米滤膜孔径依次减小，相邻两级分离模块中，下一级分离模块的加样腔室设置于上一级分离模块的废液腔室的下游，且这两个腔室相连通，由此能够实现外泌体亚群的多级分离。

21、(3)本发明提供的外泌体气动离心分离芯片，在包含多级分离模块时，相邻两级分离模块间通过包含向内泵送气动腔的泵送单元相连接，可以向内泵送液体，从而可以减小同一分离结构沿径向分布的长度，不受离心盘半径的限制，通过液体径向向内泵送串联起多张纳米滤膜，分离得到更多不同尺寸的外泌体亚群。

技术特征：

1.一种外泌体气动离心分离芯片，其特征在于，包括：一个或多个分离机构；所述分离机构包括n级分离模块；所述分离模块包括：

2.如权利要求1所述的外泌体气动离心分离芯片，其特征在于，相邻两个分离模块中，下一级分离模块的加样腔室设置于上一级分离模块的废液腔室的外侧，且两个腔室通过微通道相连通。

3.如权利要求1所述的外泌体气动离心分离芯片，其特征在于，相邻两个分离模块中，下一级分离模块的加样腔室与上一级分离模块的废液腔室通过泵送单元相连通，所述泵送单元包括：

4.如权利要求3所述的外泌体气动离心分离芯片，其特征在于，同一泵送单元中，出口通道比入口通道粗。

5.如权利要求1～4任一项所述的外泌体气动离心分离芯片，其特征在于，气动腔室与过滤单元通过第一微通道相连，且气动腔室的底边为弧形；弧形的一端较低，为气动腔室与第一微通道的连接点；弧形的另一端较高。

6.如权利要求5所述的外泌体气动离心分离芯片，其特征在于，所述第一微通道与气动腔室相连接的一端为膨大结构。

7.如权利要求1～4任一项所述的外泌体气动离心分离芯片，其特征在于，所述过滤单元包括：从上至下依次设置的过滤腔室、纳米滤膜和滤膜支持层；所述滤膜支持层上设置有多个开孔，开孔的孔径大于相应的纳米滤膜。

技术总结
本发明公开了一种外泌体气动离心分离芯片，属于微流控芯片领域，包括：一个或多个分离机构；分离机构包括N级分离模块；分离模块包括：加样腔室；过滤单元，其与加样腔室连通，过滤单元内设置有纳米滤膜；气动腔室，其与过滤单元相连通；废液腔室，其与过滤单元相连通；以及样本收集管道，其一端与过滤单元的底端相连，另一端作为样本收集口且高于加样腔室的顶端；N>1时，从第一级分离模块至第N级分离模块，所含纳米滤膜的孔径依次减小，并且，相邻两个分离模块中，下一级分离模块的加样腔室设置于上一级分离模块的废液腔室的下游且这两个腔室相连。本发明能够有效克服当前纳米孔膜分离中普遍存在的阻塞而导致耗时长、效率低等问题。

技术研发人员：刘笔锋,陈鹏,赵旭东,李一伟,谢寒
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16