集成單細胞捕獲的微流控細胞分選芯片研究

發(fā)布時間：2020-03-25 19:15

【摘要】：細胞是生物及生命活動的基本單位,利用微流控芯片技術(shù)來操縱和研究細胞,通過研究單細胞可以看出細胞異質(zhì)性對機體功能和狀態(tài)的影響,研究不同單細胞的病理特征,對分析細胞代謝、細胞紊亂等細胞活動具有非常重要的意義。細胞分離和單細胞捕獲作為研究單細胞的重要手段,其在生命科學(xué)和化學(xué)分析等領(lǐng)域中有著廣泛應(yīng)用。本研究結(jié)合了介電泳原理非侵入、免標記和流體動力學(xué)原理低成本的優(yōu)點,設(shè)計并制作了集成單細胞捕獲的介電泳連續(xù)分離微流控芯片,并利用細胞受到的不同大小或方向的介電泳力而實現(xiàn)細胞分離,利用微捕獲結(jié)構(gòu)來捕獲單細胞,通過實驗實現(xiàn)了在一個微流控芯片上集成細胞分離和單細胞捕獲兩種功能,本研究主要內(nèi)容如下:首先,介紹了介電泳原理和流體動力學(xué)原理,根據(jù)粒子的偶極矩公式推導(dǎo)出了介電泳力的公式,分析粒子結(jié)構(gòu)并建立等效細胞的多層球殼模型,確定了微流體中的粒子受到的主要作用力,用MATLAB仿真軟件進行介電頻率響應(yīng)仿真,得到了酵母菌細胞、聚苯乙烯小球、THP-1細胞和OCI細胞的Re[K(ω)]曲線。通過理論分析,設(shè)計了細胞分離的微電極和單細胞捕獲結(jié)構(gòu),利用輔助軟件AutoCAD、Solidworks建立微流控芯片的模型,導(dǎo)入COMSOL仿真軟件,來研究分析微流控芯片的內(nèi)部電場和流場分布。其次,根據(jù)微流控芯片的結(jié)構(gòu)和功能,選用濕法腐蝕ITO和濺射金屬鉑來制作微電極,以硅片為基底用SU8負膠光刻制作微通道和捕獲結(jié)構(gòu)的模具,再用PDMS來制作微通道和捕獲結(jié)構(gòu),之后用過氧等離子鍵合技術(shù)對微流控芯片進行鍵合,來完成芯片的制作。最后,搭建了用微流控芯片進行實驗的測試平臺。先用ITO微電極微流控芯片分離酵母菌細胞和聚苯乙烯小球;培養(yǎng)兩種直徑相近的人類白血病細胞(OCI-AML3細胞和THP-1細胞),通過熒光染色分別處理OCI細胞和THP-1細胞,用鉑微電極微流控芯片進行細胞分離實驗,實現(xiàn)了OCI細胞與THP-1細胞的連續(xù)分離,并對THP-1細胞進行單細胞捕獲,細胞純化率在94%以上,單細胞捕獲效率大于94%。
【圖文】：

慣性分離,通道

中北大學(xué)學(xué)位論文圖 1.1 壓縮流分離（a）Jae-Sung Park 等人設(shè)計的壓縮流分離結(jié)構(gòu)[26]（b）Yamada 等人設(shè)計的壓縮流分離結(jié)構(gòu)[27]2. 慣性效應(yīng)分離慣性效應(yīng)分離也是一種被動分離方法。在圖 1.2（a）中，ZhigangWu 等人設(shè)計了一種非對稱鞘流的微通道結(jié)構(gòu)，利用其產(chǎn)生的慣性力，，使直徑較大的粒子偏離原有的流線，而直徑較小的粒子保持在原有的流線上，從而實現(xiàn)粒子的分離[28]。在圖 1.2（b）中，Dino Di Carlo 等人根據(jù)慣性原理設(shè)計了一種由不對稱彎曲微通道構(gòu)成的微流控芯片，可以將直徑大約為1μm細菌從直徑大約為8μm血細胞中分離出來，是一種高通量、高效率的慣性分離結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)粒子的大小分離，分離的純度可以達到 90%-100%[29]。

分離結(jié)構(gòu),橫向位移,微渦旋,操作裝置