專利名稱：一種用于細(xì)胞分選的多分選區(qū)結(jié)構(gòu)及其使用方法
—種用于細(xì)胞分選的多分選區(qū)結(jié)構(gòu)及其使用方法
所屬領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種用于細(xì)胞分選的多分選區(qū)結(jié)構(gòu)及其使用方法，屬于微流控芯片領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
細(xì)胞分選是從復(fù)雜環(huán)境中獲取性質(zhì)均一的目標(biāo)細(xì)胞的必要手段。細(xì)胞分選是細(xì)胞生理和病理研究的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其對于重大疾病的診斷和治療具有重要意義。對于細(xì)胞分選方法及相關(guān)技術(shù)的研究一直都是醫(yī)學(xué)界及相關(guān)領(lǐng)域的一個研究熱點(diǎn)。隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的出現(xiàn)及在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，產(chǎn)生了許多新的細(xì)胞分選方法。現(xiàn)階段以流式細(xì)胞儀為代表的傳統(tǒng)細(xì)胞分選儀具有體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高昂等缺點(diǎn)，基于MEMS技術(shù)的微流控芯片可將細(xì)胞分選儀微型化。相對于流式細(xì)胞技術(shù)、免疫磁性微珠分選等傳統(tǒng)細(xì)胞分選方法，微流控芯片細(xì)胞分選方法無需復(fù)雜的樣品準(zhǔn)備過程，且具有分離純度高、操作簡便、成本低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)。由于生物體細(xì)胞尺寸極小且種類繁多，分選難度很大。基于微流控芯片的細(xì)胞分選方法主要包括利用細(xì)胞尺寸差異、利用介電電泳、利用強(qiáng)磁場梯度變化等。其中，利用細(xì)胞尺寸差異進(jìn)行細(xì)胞分選的方法因?yàn)闊o需對細(xì)胞或蛋白質(zhì)進(jìn)行特異性標(biāo)記，對細(xì)胞幾乎沒有損傷，且具有結(jié)構(gòu)緊湊、分選效率高、活性保存良好等諸多優(yōu)點(diǎn)。2004年,美國Wadsworth健康研究中心發(fā)明了一種基于不同孔徑微通道陣列的細(xì)胞分選方法(Hisham Mohamed, Leslie D. McCurdy, et al. Development of a rare cellfractionation device:application for cancer detection. IEEE Transactions onNanobioscience. 2004，3:251 256.)，并用于癌細(xì)胞的分選和檢測。其核心結(jié)構(gòu)是四組具有不同孔徑的微通道陣列，通過這種不同孔徑的微通道陣列實(shí)現(xiàn)了 5-20 μ m范圍內(nèi)的癌細(xì)胞離散分選。該分選方法中細(xì)胞液橫向流動容易造成分選通道的堵塞，當(dāng)前一組分選微通道出現(xiàn)堵塞的現(xiàn)象的時(shí)候，后面的微通道陣列則失去細(xì)胞分選的作用，導(dǎo)致整個器件失效。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服上述分選方法中出現(xiàn)的前一組分選微通道出現(xiàn)堵塞時(shí)，導(dǎo)致后面微通道失效無法進(jìn)行細(xì)胞分選的缺點(diǎn)，本發(fā)明提出一種具有多分選區(qū)的細(xì)胞分選結(jié)構(gòu)，前一分選區(qū)的堵塞不會對后一分選區(qū)產(chǎn)生影響，且能分選多種不同尺寸的細(xì)胞。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種用于細(xì)胞分選的多分選區(qū)結(jié)構(gòu)，由外部接口層、PDMS薄膜層和基底層三部分鍵合在一起；外部接口層包括兩端的細(xì)胞液接口和中部的N組通氣接口 ；PDMS薄膜層上有與N個內(nèi)凹形成的氣室；各氣室的位置與外部接口層上的各組通氣接口的位置相應(yīng)，且各通氣接口與相應(yīng)的氣室連通；所述基底層上有N+1組細(xì)胞分選區(qū)，各細(xì)胞分選區(qū)為內(nèi)凹形成孔的薄膜，其上具有直徑為CliQ = 1，2，···，Ν+1)的分選孔；各細(xì)胞分選區(qū)的分選孔直徑d“i = I, 2，···, N+1)滿足< d2 <···< dN < dN+1 ；N+1組細(xì)胞分選區(qū)的各相鄰分選區(qū)之間通過N條微管道連通；N條微管道連通與PDMS薄膜層上的N個氣室位置相應(yīng)；基底層上的N+1組細(xì)胞分選區(qū)通過N條微管道連通，再依次經(jīng)過PDMS薄膜層兩端的通孔和外部接口層兩端的細(xì)胞液接口，形成與外部的連通結(jié)構(gòu)。作為一 種最優(yōu)方案PDMS薄膜層由預(yù)聚物和固化劑按照體積比或質(zhì)量比為15:1混合并聚合而成。一種用于細(xì)胞分選的多分選區(qū)結(jié)構(gòu)的使用方法，包括如下步驟步驟I :從外部接口層上與Cl1相應(yīng)一端的第一組通氣接口通入氣體，氣體進(jìn)入PDMS薄膜層上的第一個氣室中，氣室底部薄膜發(fā)生彈性形變，堵塞基底層上第一組分選區(qū)和第二組分選區(qū)之間的通道；步驟2 :細(xì)胞液由外部接口層上與Cl1相應(yīng)一端的細(xì)胞液接口，流經(jīng)PDMS薄膜層相應(yīng)端的通孔后，流入基底層上分選孔直徑為Cl1的細(xì)胞分選區(qū)，在壓力的作用下將直徑CKd1的細(xì)胞分選出來；步驟3 :停止從外部接口層上與Cl1相應(yīng)一端的第一組通氣接口通入氣體，第一個氣室的底部薄膜恢復(fù)原形，第一組分選區(qū)和第二組分選區(qū)之間的通道暢通；步驟4:i = 2;步驟5 :從外部接口層上的第i組通氣接口通入氣體，氣體進(jìn)入PDMS薄膜層上的第i個氣室中，氣室底部薄膜發(fā)生彈性形變，堵塞基底層上第i組分選區(qū)和第i+Ι組分選區(qū)之間的通道；步驟6 :經(jīng)過分選孔直徑為dH的細(xì)胞分選區(qū)分選后的細(xì)胞液，從第i_l組分選區(qū)和第i組分選區(qū)之間的通道流入分選孔直徑為Cli的細(xì)胞分選區(qū)，在壓力的作用下將直徑Cli^1 ^ d < Cli的細(xì)胞分選出來；步驟7 :停止從外部接口層上的第i組通氣接口通入氣體，第i個氣室的底部薄膜恢復(fù)原形，第i組分選區(qū)和第i+Ι組分選區(qū)之間的通道暢通；步驟8 :i = i+1 ;如果i ( N,則返回步驟4,否則，i = N+1,進(jìn)入步驟9 ；步驟9 :經(jīng)過分選孔直徑為dN的細(xì)胞分選區(qū)分選后的細(xì)胞液，從第N組分選區(qū)和第N+1組分選區(qū)之間的通道流入分選孔直徑為dN+1的細(xì)胞分選區(qū)，在壓力的作用下將直徑dN彡d < dN+1的細(xì)胞分選出來。這樣，該結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)不同尺寸的細(xì)胞多次分選，得到尺寸滿足d < Cl1, Cl1彡d< d2,…，dN彡d < dN+1的N+1組分選細(xì)胞。本發(fā)明的有益效果是在細(xì)胞分選的過程中，由于不同組的分選區(qū)結(jié)構(gòu)是相互獨(dú)立的，故在前一組分選區(qū)中分選孔發(fā)生堵塞的情況下不會對后一組分選組產(chǎn)生影響，而且通過不同組數(shù)分選區(qū)的組合，可以實(shí)現(xiàn)多次細(xì)胞的分選，分選出不同尺寸的細(xì)胞。下面結(jié)合附圖和實(shí)例對本發(fā)明進(jìn)一步說明


圖I是實(shí)施例中的用于細(xì)胞分選的多分選區(qū)結(jié)構(gòu)示意2是實(shí)施例中用于細(xì)胞分選的多分選區(qū)結(jié)構(gòu)的外部接口層示意3是實(shí)施例中用于細(xì)胞分選的多分選區(qū)結(jié)構(gòu)的PDMS薄膜層示意4是實(shí)施例中用于細(xì)胞分選的多分選區(qū)結(jié)構(gòu)的基底層示意5是實(shí)施例中用于細(xì)胞分選的多分選區(qū)結(jié)構(gòu)的剖面圖
圖6是實(shí)施例中用于細(xì)胞分選的多分選區(qū)結(jié)構(gòu)的的用于細(xì)胞分選的多分選區(qū)結(jié)構(gòu)的分選過程示意中，I-細(xì)胞液接口 I，2-第一組通氣接口，3-第二組通氣接口，4-細(xì)胞液接口II，5-氣室I，6-氣室II，7-分選區(qū)I，8-分選區(qū)II，9-分選區(qū)III。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施例I參閱圖1-5，本實(shí)施例中用于細(xì)胞分選的多分選區(qū)結(jié)構(gòu)，由外部接口層、PDMS薄膜層和基底層三部分鍵合在一起；外部接口層包括兩端的細(xì)胞液接口和中部的2組通氣接口，兩端的細(xì)胞液接口分別為細(xì)胞液接口 I I和細(xì)胞液接口 II 4，中部的2組通氣接口分別 為第一組通氣接口 2和第二組通氣接口 3 ;PDMS薄膜層上有與2個內(nèi)凹形成的氣室，分別為氣室I 5和氣室II 6 ;2個氣室的位置與外部接口層上的2組通氣接口的位置相應(yīng)，且各通氣接口與相應(yīng)的氣室連通；所述基底層上有3組細(xì)胞分選區(qū)，即分選區(qū)I 7、分選區(qū)II 8和分選區(qū)III 9，各細(xì)胞分選區(qū)為內(nèi)凹形成的薄膜，其上具有直徑為分別為5 μ m、7 μ m、9 μ m的分選孔；3組細(xì)胞分選區(qū)的各相鄰份選區(qū)之間通過2條微管道連通；2條微管道連通與PDMS薄膜層上的2個氣室位置相應(yīng)；基底層上的3組細(xì)胞分選區(qū)通過2條微管道連通，再依次經(jīng)過PDMS薄膜層兩端的通孔和外部接口層兩端的細(xì)胞液接口，形成與外部的連通結(jié)構(gòu)。本實(shí)施例中的PDMS薄膜由預(yù)聚物和固化劑按照體積比為15:1混合并聚合而成。參閱圖6，本實(shí)施例中用于細(xì)胞分選的多分選區(qū)結(jié)構(gòu)的使用方法，包括如下步驟步驟I :從外部接口層上第一組通氣接口 2通入氣體，氣體進(jìn)入PDMS薄膜層上的氣室I 5中，氣室底部薄膜發(fā)生彈性形變，堵塞基底層上分選區(qū)I 7和分選區(qū)II 8之間的通道；步驟2 :細(xì)胞液由外部接口層上細(xì)胞液接口 I 1，流經(jīng)PDMS薄膜層相應(yīng)端的通孔后，流入基底層上分選區(qū)I 7，在壓力的作用下將直徑d < 5μπι的細(xì)胞分選出來；步驟3 :停止從外部接口層上第一組通氣接口 2通入氣體，氣室I 5的底部薄膜恢復(fù)原形，分選區(qū)I 7和分選區(qū)II 8之間的通道暢通；步驟4 :從外部接口層上第二組通氣接口 3通入氣體，氣體進(jìn)入PDMS薄膜層上氣室II 6中，氣室底部發(fā)生彈性形變，堵塞基底層上分選區(qū)II 8和分選區(qū)III 9之間的通道；步驟5 :經(jīng)過分選區(qū)I 7分選后的細(xì)胞液，從分選區(qū)I 7和分選區(qū)II 8之間的通道流入分選區(qū)II 8，在壓力的作用下將直徑5ym<d<7ym的細(xì)胞分選出來；步驟6 :停止從外部接口層上第二組通氣接口 3通入氣體，氣室II 6的底部薄膜恢復(fù)原形，分選區(qū)II 8和分選區(qū)III 9之間的通道暢通；步驟7 :經(jīng)過分選孔直徑為7 μ m的細(xì)胞分選區(qū)分選后的細(xì)胞液，從分選區(qū)II 8和分選區(qū)III9之間的通道流入分選區(qū)III9，在壓力的作用下將直徑7 μ m < d < 9 μ m的細(xì)胞分選出來。這樣，本實(shí)施例中的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了不同尺寸的細(xì)胞多次分選，得到尺寸滿足d<5μπι，5μπι<(1<7μπι 和 7ym<d<9ym 的三組分選細(xì)胞。具體實(shí)施例2本實(shí)施例中用于細(xì)胞分選的多分選區(qū)結(jié)構(gòu)，由外部接口層、PDMS薄膜層和基底層三部分鍵合在一起；外部接口層包括兩端的細(xì)胞液接口和中部的3組通氣接口 ；PDMS薄膜層上有與3個內(nèi)凹形成的氣室；各氣室的位置與外部接口層上的各組通氣接口的位置相應(yīng)，且各通氣接口與相應(yīng)的氣室連通；所述基底層上有4組細(xì)胞分選區(qū)，各細(xì)胞分選區(qū)為內(nèi)凹形成的薄膜，其上具有直徑分別為10m、20 u m、25 u m的分選孔；4組細(xì)胞分選區(qū)
的各相鄰份選區(qū)之間通過3條微管道連通；3條微管道連通與PDMS薄膜層上的3個氣室位置相應(yīng)；基底層上的4組細(xì)胞分選區(qū)通過3條微管道連通，再依次經(jīng)過PDMS薄膜層兩端的通孔和外部接口層兩端的細(xì)胞液接口，形成與外部的連通結(jié)構(gòu)。
本實(shí)施例中用于細(xì)胞分選的多分選區(qū)結(jié)構(gòu)的使用方法，包括如下步驟步驟I :從外部接口層上與直徑為IOym分選孔相應(yīng)一端的第一組通氣接口通入氣體，氣體進(jìn)入PDMS薄膜層上的第一個氣室中，氣室底部薄膜發(fā)生彈性形變，堵塞基底層上第一組分選區(qū)和第二組分選區(qū)之間的通道；步驟2 :細(xì)胞液由外部接口層上與直徑為IOiim分選孔相應(yīng)一端的細(xì)胞液接口，流經(jīng)PDMS薄膜層相應(yīng)端的通孔后，流入基底層上分選孔直徑為IOym的細(xì)胞分選區(qū)，在壓力的作用下將直徑d < 10 ii m的細(xì)胞分選出來；步驟3 :停止從外部接口層上與直徑為10 分選孔相應(yīng)一端的第一組通氣接口通入氣體，第一個氣室的底部薄膜恢復(fù)原形，第一組分選區(qū)和第二組分選區(qū)之間的通道暢通；步驟4:i = 2;步驟5 :從外部接口層上的第i組通氣接口通入氣體，氣體進(jìn)入PDMS薄膜層上的第i個氣室中，氣室底部薄膜發(fā)生彈性形變，堵塞基底層上第i組分選區(qū)和第i+1組分選區(qū)之間的通道；步驟6 :經(jīng)過分選孔直徑為dH的細(xì)胞分選區(qū)分選后的細(xì)胞液，從第i_l組分選區(qū)和第i組分選區(qū)之間的通道流入分選孔直徑為Cli的細(xì)胞分選區(qū)，在壓力的作用下將直徑Cli^1 ^ d < Cli的細(xì)胞分選出來；步驟7 :停止從外部接口層上的第i組通氣接口通入氣體，第i個氣室的底部薄膜恢復(fù)原形，第i組分選區(qū)和第i+1組分選區(qū)之間的通道暢通；步驟8 i = i+1 ;如果i ( 3，則返回步驟4，否則，i = 4，進(jìn)入步驟9 ;步驟9 :經(jīng)過分選孔直徑為20 y m的細(xì)胞分選區(qū)分選后的細(xì)胞液，從第3組分選區(qū)和第4組分選區(qū)之間的通道流入分選孔直徑為25 y m的細(xì)胞分選區(qū)，在壓力的作用下將直徑20 ii m彡d < 25 ii m的細(xì)胞分選出來。這樣，該結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)不同尺寸的細(xì)胞多次分選，得到尺寸滿足d< 10 u m, 10 u m ^ d < 15 u m, 15 u m ^ d < 20 u m, 20 u m ^ d < 25 u m 的四組分選細(xì)胞。
權(quán)利要求
1.一種用于細(xì)胞分選的多分選區(qū)結(jié)構(gòu)，其特征在于由外部接口層、PDMS薄膜層和基底層三部分鍵合在一起；外部接口層包括兩端的細(xì)胞液接口和中部的N組通氣接口 ；PDMS薄膜層上有與N個內(nèi)凹形成的氣室；各氣室的位置與外部接口層上的各組通氣接口的位置相應(yīng)，且各通氣接口與相應(yīng)的氣室連通；所述基底層上有N+1組細(xì)胞分選區(qū)，各細(xì)胞分選區(qū)為內(nèi)凹形成孔的薄膜，其上具有直徑為CliQ = 1，2，…，N+1)的分選孔；各細(xì)胞分選區(qū)的分選孔直徑Cli (i = I, 2，...，_滿足=Cl1 < d2〈…< dN < dN+1 ；N+1組細(xì)胞分選區(qū)的各相鄰分選區(qū)之間通過N條微管道連通；N條微管道連通與PDMS薄膜層上的N個氣室位置相應(yīng)；基底層上的N+1組細(xì)胞分選區(qū)通過N條微管道連通，再依次經(jīng)過PDMS薄膜層兩端的通孔和外部接口層兩端的細(xì)胞液接口，形成與外部的連通結(jié)構(gòu)。
2.一種如權(quán)利要求I所述的用于細(xì)胞分選的多分選區(qū)結(jié)構(gòu)，其特征在于所述PDMS薄膜層由預(yù)聚物和固化劑按照體積比或質(zhì)量比為15:1混合并聚合而成。
3.—種如權(quán)利要求I所述的用于細(xì)胞分選的多分選區(qū)結(jié)構(gòu)的使用方法，其特征在于，包括如下步驟 步驟I :從外部接口層上與Cl1相應(yīng)一端的第一組通氣接口通入氣體，氣體進(jìn)入PDMS薄膜層上的第一個氣室中，氣室底部薄膜發(fā)生彈性形變，堵塞基底層上第一組分選區(qū)和第二組分選區(qū)之間的通道； 步驟2 :細(xì)胞液由外部接口層上與Cl1相應(yīng)一端的細(xì)胞液接口，流經(jīng)PDMS薄膜層相應(yīng)端的通孔后，流入基底層上分選孔直徑為Cl1的細(xì)胞分選區(qū)，在壓力的作用下將直徑d < Cl1的細(xì)胞分選出來； 步驟3:停止從外部接口層上與Cl1相應(yīng)一端的第一組通氣接口通入氣體，第一個氣室的底部薄膜恢復(fù)原形，第一組分選區(qū)和第二組分選區(qū)之間的通道暢通； 步驟4 :i = 2 ； 步驟5 :從外部接口層上的第i組通氣接口通入氣體，氣體進(jìn)入PDMS薄膜層上的第i個氣室中，氣室底部薄膜發(fā)生彈性形變，堵塞基底層上第i組分選區(qū)和第i+1組分選區(qū)之間的通道； 步驟6 :經(jīng)過分選孔直徑為dH的細(xì)胞分選區(qū)分選后的細(xì)胞液，從第i_l組分選區(qū)和第i組分選區(qū)之間的通道流入分選孔直徑為Cli的細(xì)胞分選區(qū)，在壓力的作用下將直徑dH ( d<Cli的細(xì)胞分選出來； 步驟7 :停止從外部接口層上的第i組通氣接口通入氣體，第i個氣室的底部薄膜恢復(fù)原形，第i組分選區(qū)和第i+1組分選區(qū)之間的通道暢通； 步驟8 :i = i+1 ;如果i ( N,則返回步驟4,否則，i = N+1,進(jìn)入步驟9 ； 步驟9 :經(jīng)過分選孔直徑為dN的細(xì)胞分選區(qū)分選后的細(xì)胞液，從第N組分選區(qū)和第N+1組分選區(qū)之間的通道流入分選孔直徑為dN+1的細(xì)胞分選區(qū)，在壓力的作用下將直徑dN ( d<dN+1的細(xì)胞分選出來。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于細(xì)胞分選的多分選區(qū)結(jié)構(gòu)及其使用方法，屬于微流控芯片領(lǐng)域。該結(jié)構(gòu)由外部接口層、PDMS薄膜層和基底層三部分鍵合在一起；外部接口層包括兩端的細(xì)胞液接口和中部的N組通氣接口；PDMS薄膜層上有與N個內(nèi)凹形成的氣室；基底層上有N+1組細(xì)胞分選區(qū)，各細(xì)胞分選區(qū)上具有直徑為di(i＝1,2,…,N+1)的分選孔；各相鄰分選區(qū)之間通過N條微管道連通。利用本發(fā)明的結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)胞分選的過程中，由于不同組的分選區(qū)結(jié)構(gòu)是相互獨(dú)立的，故在前一組分選區(qū)中分選孔發(fā)生堵塞的情況下不會對后一組分選組產(chǎn)生影響，而且通過不同組數(shù)分選區(qū)的組合，可以實(shí)現(xiàn)不同尺寸的細(xì)胞多次分選，得到尺寸滿足d＜d1,d1≤d＜d2,…,dN≤d＜dN+1的N+1組分選細(xì)胞。
文檔編號C12M1/00GK102703300SQ20121015187
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月16日
發(fā)明者尋文鵬, 常洪龍, 洪水金, 陳方璐 申請人:西北工業(yè)大學(xué)