基于微流控芯片的細(xì)胞操控技術(shù)研究.pdf

1、細(xì)胞捕獲和分選是指從非均一的細(xì)胞群體中固定、收集指定特征細(xì)胞的技術(shù)，如從外周血中捕獲循環(huán)腫瘤細(xì)胞，是細(xì)胞操控研究中重要的兩個(gè)部分。從成分不均一的各種細(xì)胞生物液中捕獲分離目標(biāo)細(xì)胞是一種重要的工程技術(shù)，無論在科學(xué)研究領(lǐng)域還是在實(shí)際臨床應(yīng)用中都具有重要的意義。目前，傳統(tǒng)的細(xì)胞操控方式，如光鑷技術(shù)、顯微技術(shù)，雖能精準(zhǔn)操控單個(gè)細(xì)胞，甚至更為微小的細(xì)胞器，但存在對(duì)設(shè)備依賴性強(qiáng)、操作效率低、有創(chuàng)操作等諸多問題，在高通量、高效率等場合下難以勝任。與傳統(tǒng)

2、的細(xì)胞操控方式相比，微流控技術(shù)具有成本低廉、耗樣量低、分析速度快、靈敏度高、通量高等優(yōu)勢，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)的細(xì)胞操控方式的不足。然而，現(xiàn)有的多種基于微流控芯片進(jìn)行細(xì)胞捕獲、分選的方案都存在著不足，如芯片加工難度大，分選效率低等。
　　本論文針對(duì)現(xiàn)有方法的不足，設(shè)計(jì)四種基于壩原理結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)胞捕獲、分選研究，其中四種結(jié)構(gòu)分別是橫條型結(jié)構(gòu)、圓弧型結(jié)構(gòu)、三角型結(jié)構(gòu)和叉指型結(jié)構(gòu)。通過FLUENT對(duì)四種結(jié)構(gòu)以及現(xiàn)有的U型結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，比

3、較五種結(jié)構(gòu)的流場分布，理論分析細(xì)胞捕獲過程，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，分析評(píng)價(jià)五種結(jié)構(gòu)的捕獲效率。其中不管是細(xì)胞捕獲容量還是細(xì)胞存儲(chǔ)穩(wěn)定性，叉指型結(jié)構(gòu)都占有優(yōu)勢。叉指型結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)在于在不增加芯片的寬度的前提下，充分利用芯片的長度來增加捕獲容量，且能解決U型等常規(guī)陣列結(jié)構(gòu)微結(jié)構(gòu)的堵塞問題，同時(shí)，可通過多芯片級(jí)聯(lián)方式進(jìn)行細(xì)胞分選。論文的具體研究內(nèi)容為:
　?、傩酒Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算機(jī)仿真
　　設(shè)計(jì)四種基于壩原理結(jié)構(gòu)用于細(xì)胞捕獲、分選研

4、究，并通過FLUENT仿真軟件對(duì)四種結(jié)構(gòu)以及現(xiàn)有的U型結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，研究芯片內(nèi)壓強(qiáng)、速度分布情況，根據(jù)芯片流場分布調(diào)整結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，尋求最優(yōu)的細(xì)胞捕獲、分選結(jié)構(gòu)，并根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行理論分析細(xì)胞操控過程，其中叉指型結(jié)構(gòu)在彎折深處存在一段盲區(qū)，流速較慢，利于細(xì)胞捕獲和儲(chǔ)存。
　　②微流控芯片制備
　　分析對(duì)比現(xiàn)有的幾種常用加工工藝的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇適用于本論文芯片加工的方案。芯片制備流程主要包括模具制作、PDMS

5、注塑和芯片鍵合。模具選用硅片為基板，涂覆SU-8負(fù)膠，采用光刻法制備。由于結(jié)構(gòu)中存在兩種高度，模具加工方式有別于單一高度的芯片，需進(jìn)行兩次掩膜、兩次曝光和一次顯影。本論文起初采用常規(guī)加工思路，但因?qū)R問題加工效果不佳，后在常規(guī)加工思路的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出更為高效的模具加工方案。并在模具上涂覆PDMS采用注塑法制備芯片，再通過氧等離子處理方式與玻璃進(jìn)行鍵合，最后驗(yàn)證芯片的成效性。
　　③細(xì)胞操控研究
　　利用五種結(jié)構(gòu)芯片進(jìn)行

6、細(xì)胞操控研究，細(xì)胞操控主要包括細(xì)胞的捕獲和分選，比較五種結(jié)構(gòu)的捕獲效果，統(tǒng)計(jì)捕獲效率，其中叉指型結(jié)構(gòu)捕獲容量最大，且漏捕率最低。并在紅細(xì)胞中參入K562細(xì)胞模擬外周血循環(huán)腫瘤細(xì)胞的循環(huán)流動(dòng)效果，通過叉指型結(jié)構(gòu)進(jìn)行混合液中K562細(xì)胞捕獲，研究叉指型結(jié)構(gòu)在細(xì)胞分選中的應(yīng)用。細(xì)胞分選實(shí)驗(yàn)主要包括正常人血中紅、白細(xì)胞的分離以及紅、K562癌細(xì)胞的分離。實(shí)驗(yàn)結(jié)果:通入50ul稀釋后全血，紅細(xì)胞密度為2×105個(gè)/ml，共捕獲到8個(gè)白細(xì)胞，紅白細(xì)