用于提高细胞纯度磁分选的三维微流控芯片及方法技术

本发明专利技术提供了一种用于提高细胞纯度的磁分选的三维微流控芯片，包括依次连接的进口单元、横向磁分选单元、竖向磁分选单元以及出口单元；横向磁分选单元的磁吸引力方向为横向方向；竖向磁分选单元的磁吸引力方向为竖向向上方向。本发明专利技术还提供了一种用于提高细胞纯度的磁分选的方法。本发明专利技术提出先富集后纯化的理念，具有集成化高、操作简单、细胞分选纯度高和通量大的优点。此外，本发明专利技术还具有细胞回收率高、通量大、制造工艺简单、成本低等特点。

Three dimensional microfluidic chip and method for improving cell purity magnetic separation

The present invention provides a method for improving 3D magnetic separation cell purity microfluidic chip includes import unit, connected to the transverse magnetic separation unit, vertical magnetic separation unit and the export unit; the direction of the magnetic attraction of transverse magnetic separation unit for horizontal direction; the vertical direction of the magnetic attraction magnetic separation unit for vertical upward direction. The present invention also provides a magnetic sorting method for improving cell purity. The invention provides a concept of preconcentration and purification, which has the advantages of high integration, simple operation, high purity of cell sorting and large flux. In addition, the invention has the advantages of high cell recovery rate, large flux, simple manufacturing process and low cost.

【技术实现步骤摘要】
用于提高细胞纯度磁分选的三维微流控芯片及方法
本专利技术涉及细胞分离捕获和培养分析、临床试验、医疗诊断、药效鉴定、癌症监测与治疗效果评估等领域，具体地，涉及一种用于提高细胞纯度磁分选的三维微流控芯片及方法。
技术介绍
如今，艾滋病、癌症和糖尿病等严重威胁着人类的健康，它们已经成为当今致死率最高的疾病。据研究表明，通过单细胞分析的手段研究分析特定细胞对攻克艾滋病、癌症和糖尿病等重大疾病具有非常重要的贡献。为保证单细胞分析的精度和准确性，排除异质细胞在单细胞分析时的影响，获得高纯度的目标细胞十分必要。在细胞分离领域，就目前技术而言，获取高纯度的目标细胞还是一个很有挑战的事情。开发一种用于细胞高纯度磁分选技术、芯片亦或是仪器将会极大的促进单细胞分析技术、细胞生物学乃至临床医学的发展。另外，从细胞悬浮液中分离一种或多种细胞的细胞分离技术，对药物效果评估、癌细胞转移、术后判断和细胞刺激反应等研究领域都具有重要意义。自从微流控技术出现以来，基于它在微环境下能够精确地操控流体的优势，使得它在细胞分选领域有着特有的优势。随着微流控技术的发展，细胞分离技术有了长足的进步。据检索现有文献可知，依照细胞分离力产生原理，可初略的将细胞分离技术分为光学分离技术、电学分离技术、磁学分离技术、声波学分离技术和机械力分选技术。其中，应用最为广泛的是磁学分离技术，这是因为它是一种特异性、非接触式的细胞无损分离技术，具有分离纯度高、通量大等优点。基于上述优点，N.Pamme和C.Wilhelm在LabChip,2006,6∶974-980上发表了一种细胞磁分选芯片，试验证实该芯片能够实现小鼠巨噬细胞和人类卵巢癌细胞的连续分选工作。K.Hyun等Biosensors&Bioelectronics,2015,67∶86-92设计了一种用于循环肿瘤细胞选择性分离的两级微流控芯片。第一阶段通过外部永磁铁阵列将磁标记的白细胞吸附于微流道内壁上，以达到白细胞滤除和肿瘤细胞富集的效果。此方案不属于连续富集理念。由于微通道内壁面积有限且内壁无法牢靠的固定被吸附的白细胞，导致它无法保证白细胞捕获的稳定性和无法用于大量细胞分离的情况；因此，它对肿瘤细胞的富集效果有待考究。第二阶段，作者在微流控芯片内壁修饰上特定抗体，利用抗原抗体特异性捕获的原理，将阴性肿瘤细胞捕获，只允许阳性肿瘤细胞通过。此阶段同样存在吸附面积有限的问题，无法用于大量细胞分离的情形。而且抗原抗体结合需要一定的时间(一般在10-30分钟左右)，这也影响了阴性肿瘤细胞捕获效率。该设计用于分选循环肿瘤细胞分选时，分选率仅为10.19％-22.91％。这是由于作者的设计理论是利用细胞负分选的原理，细胞混合体中存在多种细胞，在负分选时无法对每一种细胞都分选出来，从而必然会导致目标细胞的分选纯度不高。B.Ngamsom等在Analytica.Chimica.Acta.,2016,918：69-76中发表了其最近在磁分选领域的工作成果。其设计了一种用于分离鼠伤寒沙门氏菌和大肠杆菌的微流控芯片，其分选纯度可达72％和62％。针对现有的细胞分选设备的分选纯度不高的问题，本专利技术提供了一种用于细胞高纯度磁分选的三维微流控芯片。该磁分选三维微流控芯片采用两级磁分选的结构，第一级在水平方向上进行磁分选，利用磁场梯度局部增强微结构局部增强磁场梯度，实现磁标记的细胞富集，保证了分选的回收率；第二级在垂直方向上进行磁分选，通过重力和磁场力的作用，将磁标记的细胞和其他细胞分离，保证了分选的纯度。另外，本专利技术还具有细胞回收率高、通量大、制造工艺简单、成本低等特点。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种用于提高细胞纯度的磁分选的三维微流控芯片及方法。根据本专利技术提供的一种用于提高细胞纯度的磁分选的三维微流控芯片，包括依次连接的进口单元、横向磁分选单元、竖向磁分选单元以及出口单元；横向磁分选单元的磁吸引力方向为横向方向；竖向磁分选单元的磁吸引力方向为竖向向上方向。优选地，横向磁分选单元将来自进口单元的流体中的目标细胞朝横向方向进行磁分选，驱使目标细胞由细胞悬浮液移入缓冲液；竖向磁分选单元将来自横向磁分选单元的缓冲液中的目标细胞朝竖向向上方向进行磁分选，驱使目标细胞克服重力由下层磁分选微流道移入上层磁分选微流道。优选地，横向磁分选单元包括横向磁分选微流道、第一磁体；横向磁分选微流道的前端连通进口单元，接收来自进口单元的细胞悬浮液和缓冲液；第一磁体产生第一磁场，驱使横向磁分选微流道中的目标细胞由细胞悬浮液移入缓冲液。优选地，所述横向磁分选单元还包括磁场增强微结构；所述磁场增强微结构包括多个导磁部；所述导磁部开设有凹槽，所述凹槽构成磁场增强点；多个导磁部的磁场增强点构成增强点阵列；增强点阵列设置在前端磁分选微流道的一侧；所述凹槽开口均朝向一个方向，并且凹槽与凹槽之间间隔分布。优选地，竖向磁分选单元包括上层磁分选微流道、下层磁分选微流道、废液微流道、第二磁体；所述废液微流道的前端、所述下层磁分选微流道的前端交汇于横向磁分选单元的横向磁分选微流道的后端；所述废液微流道的后端、所述下层磁分选微流道的后端均与出口单元相连接；所述上层磁分选微流道的前端与所述进口单元相连接，接收来自进口单元的缓冲液；所述上层磁分选微流道的后端与出口单元相连接；所述上层磁分选微流道、所述下层磁分选微流道重合处相互连通；所述第二磁体设置在所述上层磁分选微流道的上方，以驱使目标细胞克服重力由下层磁分选微流道移入上层磁分选微流道。优选地，所述进口单元包括细胞悬浮液进口、第一缓冲液进口、第二缓冲液进口；所述细胞悬浮液进口、第一缓冲液进口交汇于所述横向磁分选单元的横向磁分选微流道的前端；第二缓冲液进口与所述竖向磁分选单元的上层磁分选微流道的前端相连接。优选地，所述出口单元包括废液出口、细胞回收出口；所述细胞回收出口与所述上层磁分选微流道的后端相连接；所述废液出口与所述下层磁分选微流道的后端相连接。优选地，免疫磁珠标记细胞混合液、缓冲液分别从细胞悬浮液进口、第一缓冲液进口进入；免疫磁珠标记细胞作为目标细胞；然后在磁场增强微结构、第一磁体的作用下，免疫磁珠标记细胞混合液和缓冲液经横向磁分选微流道流入所述第二磁分选微流道。优选地，所述第一磁体与所述第二磁体的间距不小于15mm；所述第一磁体与横向磁分选微流道的间距、所述第二磁体与上层磁分选微流道的间距均为3-5mm。本专利技术还提供一种用于提高细胞纯度的磁分选的方法，包括利用上述用于提高细胞纯度磁分选的三维微流控芯片对免疫磁珠标记细胞混合液进行磁分选的步骤。与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：1、微流控芯片采用连续分离的方式，可满足较大数量的细胞样本分离和实高通量细胞回收。2、采用先富集后提纯的理念，在结构上设计横向磁分选单元和竖向磁分选单元，确保了细胞高纯度回收。3、采用光刻、溅射、电铸等常用微机电系统(MEMS,Micro-Electro-MechanicalSystem)工艺，制造工艺简单，易于批量化生成，且价格低廉。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为本专利技术的三维结构示意图。图2为本专利技术微流道结构示意图。图3为本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于提高细胞纯度的磁分选的三维微流控芯片，其特征在于，包括依次连接的进口单元、横向磁分选单元、竖向磁分选单元以及出口单元；横向磁分选单元的磁吸引力方向为横向方向；竖向磁分选单元的磁吸引力方向为竖向向上方向。

【技术特征摘要】
1.一种用于提高细胞纯度的磁分选的三维微流控芯片，其特征在于，包括依次连接的进口单元、横向磁分选单元、竖向磁分选单元以及出口单元；横向磁分选单元的磁吸引力方向为横向方向；竖向磁分选单元的磁吸引力方向为竖向向上方向。2.根据权利要求1所述的用于提高细胞纯度磁分选的三维微流控芯片，其特征在于，横向磁分选单元将来自进口单元的流体中的目标细胞朝横向方向进行磁分选，驱使目标细胞由细胞悬浮液移入缓冲液；竖向磁分选单元将来自横向磁分选单元的缓冲液中的目标细胞朝竖向向上方向进行磁分选，驱使目标细胞克服重力由下层磁分选微流道(12)移入上层磁分选微流道(14)。3.根据权利要求1所述的用于提高细胞纯度磁分选的三维微流控芯片，其特征在于，横向磁分选单元包括横向磁分选微流道(11)、第一磁体(9)；横向磁分选微流道(11)的前端连通进口单元，接收来自进口单元的细胞悬浮液和缓冲液；第一磁体(9)产生第一磁场，驱使横向磁分选微流道(11)中的目标细胞由细胞悬浮液移入缓冲液。4.根据权利要求3所述的用于提高细胞纯度磁分选的三维微流控芯片，其特征在于，所述横向磁分选单元还包括磁场增强微结构(8)；所述磁场增强微结构(8)包括多个导磁部；所述导磁部开设有凹槽，所述凹槽构成磁场增强点；多个导磁部的磁场增强点构成增强点阵列；增强点阵列设置在前端磁分选微流道(11)的一侧；所述凹槽开口均朝向一个方向，并且凹槽与凹槽之间间隔分布。5.根据权利要求1所述的用于提高细胞纯度磁分选的三维微流控芯片，其特征在于，竖向磁分选单元包括上层磁分选微流道(14)、下层磁分选微流道(12)、废液微流道(13)、第二磁体(10)；所述废液微流道(13)的前端、所述下层磁分选微流道(12)的前端交汇于横向磁分选单元的横向磁分选微流道(11)的后端；所述废液微流道(13)的后端、所述下层磁分选微流道(12)的后端均与出口单元相连接；所述上层磁分选微流道(14)的前端与所述进口单元相连接...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈迪，林树靖，仇三铭，沈亦欢，郅晓，崔大祥，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31