一种3D打印类河弯截面微流通道的微流控芯片及微流通道的设计方法技术

本发明专利技术提供一种3D打印类河弯截面微流通道的微流控芯片及其中微流通道的设计方法，微流控芯片中的微流通道设计为螺旋结构，微流通道横截面为类河弯横截面，肿瘤细胞在本发明专利技术类河弯横截面中受到两种作用力，剪切梯度诱导的升力(FS)和迪恩环流引发的曳力(FD)。在一定的流速下，FS和FD在横截面特定区域达到平衡，相互抵消，使得肿瘤细胞在该区域内聚焦，而血细胞由于体积过小，难以达到受力平衡状态，呈现散乱排布状态，在出口处，大小范围在16～30μm的肿瘤细胞在第二出口宽度范围内聚焦，并由第二出口流出，散乱排布的血细胞同时由三个出口流出，因此实现了肿瘤细胞的富集。

A Design Method of Microfluidic Chip and Microfluidic Channel for 3D Printing River Bend Section Microfluidic Channel

【技术实现步骤摘要】
一种3D打印类河弯截面微流通道的微流控芯片及微流通道的设计方法
本专利技术属于微流控芯片
，涉及一种3D打印类河弯截面微流通道的微流控芯片及微流通道的设计方法。
技术介绍
在癌症发展过程中，肿瘤能释放循环肿瘤细胞以及其他的生物标志物，进入循环系统和淋巴系统向远处位点迁移。通过对循环肿瘤细胞的分析，液体活检能够在肿瘤的预测、监控和预后中发挥作用。因此，循环肿瘤细胞检测是对抗癌症的有效手段。由于在肿瘤患者血液中，循环肿瘤细胞数量稀少，因此循环肿瘤细胞的富集技术至关重要。近年来，微流控技术因其体积小、检测速度快、试剂用量小、成本低、多功能集成、通量高等特点，在肿瘤细胞富集方面得到了广泛关注。同时，3D打印技术的兴起，使微流控芯片的快速、自动化制造成为可能。3D打印微流控芯片在肿瘤早期检测领域具有广阔的前景。然而，在使用常规3D打印机一次性成型的微流控芯片中，经典的微流控横截面包括圆形、矩形和梯形，均无法实现有效的无标记肿瘤细胞富集。在常规3D打印的尺度下，需要一种全新的微流通道横截面，能够实现肿瘤细胞在3D打印微流控芯片中的富集。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种3D打印类河弯截面微流通道的微流控芯片及微流通道的设计方法，能够在较大尺度下实现作用在肿瘤细胞上的流体力学作用力的平衡，完成在常规3D打印的尺度下肿瘤细胞的富集。本专利技术是通过以下技术方案来实现：一种3D打印类河弯截面微流通道的微流控芯片，包括3D打印的芯片本体，芯片本体上设有依次连通的芯片入口、微流通道和芯片出口；微流通道呈圆柱螺旋线形式设计；微流通道的横截面由直线和圆锥曲线围成，直线的一端与圆锥曲线的一端连接，直线的另一端与圆锥曲线的另一端连接；圆锥曲线的Rho为0.55～0.95；当构建横截面外接矩形时，直线与外接矩形的一条外接边重合，与该外接边连接的另外两条边分别为第一外接边和第二外接边，圆锥曲线的顶点距直线的垂直距离为N，圆锥曲线的顶点距第一外接边的距离为M，M为N的1～6倍；芯片出口包括第一出口、第二出口和第三出口，第一出口、第二出口和第三出口沿第一外接边到第二外接边的方向依次布置；第二出口的中心位于微流通道的横截面中心偏向第二外接边侧，且第二出口的中心与微流通道的横截面中心的偏离距离为第一外接边和第二外接边之间垂直距离的0～0.2倍。优选的，直线的一端通过第一圆角线与圆锥曲线的一端连接，直线的另一端通过第二圆角线与圆锥曲线的另一端连接。进一步的，第一圆角线的半径为0～0.1mm，第二圆角线的半径为0～0.3mm。优选的，第一外接边位于微流通道的内侧，第二外接边位于微流通道的外侧。优选的，微流通道的曲率半径为10～60mm，螺距为0.6～3mm。优选的，直线长度为0.5～1.5mm，M为0.3～0.7mm，N为0.6～1.4mm，第二出口的中心与微流通道的横截面中心的偏离距离为0～0.2mm。优选的，微流通道的曲率半径R和微流通道水力直径DH与待富集粒子的直径a的关系如式(8)所示：其中Rf为大于0.037的已知值。所述的3D打印类河弯截面微流通道的微流控芯片中微流通道的设计方法，包括如下步骤：步骤1，理论确定微流通道内粒子惯性聚焦的最优条件；微流通道内粒子受到惯性升力FL和迪恩力FD，当二者平衡时，微流通道内的粒子为惯性聚焦；惯性升力FL，的计算公式如下式(2)所示：ρ是流体密度，单位为kg/m3；U是流体平均速度，单位为m/s；a是待富集粒子的直径，单位为m；DH是微流通道水力直径，单位为m；x是待富集粒子的直径在微流通道横截面的位置，h是微流通道横截面积的长度，单位为m；Re为雷诺数，其计算公式如下式(3)所示：式中，μ为流体动力粘度，其单位为Pa·s；迪恩力FD的计算公式为式(7)：式中，R为微流通道曲率半径；定义为Rf，其公式为：其中，Rf值大于0.037时待富集粒子聚焦会发生，当a和DH确定时，Rf的影响因素为曲率半径R；步骤2，通过COMSOL多物理场有限元分析仿真圆锥曲线的顶点距第一外接边的距离为M，设定模型中圆锥曲线的顶点距直线的垂直距离为N、流体流速、流体密度、流体动力粘度，M设定为500-1500μm之间的多个不同数值；旋涡中心与第二外接边的垂直距离记为D，第一外接边和第二外接边之间的垂直距离记为S，进行仿真试验，当设定的M值使D与S之比越小时，聚焦效果越好。优选的，步骤2中，通过COMSOL多物理场有限元分析软件对M进行仿真时，流体流速设定为720μL/min，流体密度设定为1000kg/m3，动力粘度设定为0.001Pa·s。优选的，还包括：步骤3中，运用粒子进行流速的聚焦实验，具体步骤为：(1)配粒子溶液；(2)将粒子溶液分别按照不同的流速注入至微流通道内，流速的范围为200-600μL/min；(3)拍摄不同流速下粒子在微流通道内的荧光图像；(4)通过步骤(3)拍摄的不同流速的荧光图像，观察不同流速下粒子在微流通道内的聚焦情况，确定粒子在流速为400μL/min时聚焦最紧密。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：本专利技术微流控芯片中的微流通道设计为螺旋结构，螺旋的作用是为流体提供横向的二次流以产生迪恩环流，在迪恩环流的作用下，微流通道内的细胞沿环流方向运动，肿瘤细胞在本专利技术类河弯横截面中受到两种作用力，剪切梯度诱导的升力(FS)和迪恩环流引发的曳力(FD)。在一定的流速下，FS和FD在横截面特定区域达到平衡，相互抵消，使得肿瘤细胞在该区域内聚焦，而血细胞由于体积过小，难以达到受力平衡状态，呈现散乱排布状态，在出口处，大小范围在16～30μm的肿瘤细胞在第二出口宽度范围内聚焦，并由第二出口流出，散乱排布的血细胞同时由三个出口流出，因此实现了肿瘤细胞的富集。本专利技术中的类河弯横截面能够在较大尺度下实现作用在肿瘤细胞上的流体力学作用力的平衡，完成在常规3D打印的尺度下肿瘤细胞的富集。并且，3D打印技术在降低微流控芯片生产成本的基础上，实现生产的快速化和批量化。附图说明图1为微流控芯片结构示意图；图2为微流通道横截面示意图；图3为微流通道横截面受力分析示意图；图4(a)为不同M截面的仿真旋度场；(b)为仿真旋度场中的等高线和涡旋中心位置；(c)和(d)为涡旋中心位置随M的变化；图5为肿瘤细胞富集实验的荧光照片，标尺：0.5mm；图6为本专利技术实例提供的3D打印类河弯截面微流通道的微流控芯片在不同流速和微流通道圈数下通道出口的粒子聚焦的荧光图；图7为本专利技术实例提供的3D打印类河弯截面微流通道的微流控芯片在不同截面微流通道中出口的粒子聚焦的荧光图；图8(a)为本专利技术实例提供的3D打印类河弯截面微流通道的微流控芯片的肿瘤细胞回收率；(b)为本专利技术实例提供的3D打印类河弯截面微流通道的微流控芯片的肿瘤细胞富集比；具体实施方式下面结合具体的实施例对本专利技术做进一步的详细说明，所述是对本专利技术的解释而不是限定。如图1所示，本专利技术3D打印类河弯截面微流通道的微流控芯片，包括3D打印得到的芯片本体，芯片本体上设有依次连通的芯片入口1、微流通道2和芯片出口3。如图1所示，微流通道2呈圆柱螺旋线形式设计，一个实施例中，曲率半径为10～60mm，螺距为0.6～3mm。如图2所示，受河流弯道处河床形状的启发，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种3D打印类河弯截面微流通道的微流控芯片，其特征在于，包括3D打印的芯片本体，芯片本体上设有依次连通的芯片入口(1)、微流通道(2)和芯片出口(3)；微流通道(2)呈圆柱螺旋线形式设计；微流通道(2)的横截面由直线(4)和圆锥曲线(5)围成，直线(4)的一端与圆锥曲线(5)的一端连接，直线(4)的另一端与圆锥曲线(5)的另一端连接；圆锥曲线(5)的Rho为0.55～0.95；当构建横截面外接矩形时，直线(4)与外接矩形的一条外接边重合，与该外接边连接的另外两条边分别为第一外接边和第二外接边，圆锥曲线(5)的顶点距直线(4)的垂直距离为N，圆锥曲线(5)的顶点距第一外接边的距离为M，M为N的1～6倍；芯片出口(3)包括第一出口、第二出口和第三出口，第一出口、第二出口和第三出口沿第一外接边到第二外接边的方向依次布置；第二出口的中心位于微流通道(2)的横截面中心偏向第二外接边侧，且第二出口的中心与微流通道(2)的横截面中心的偏离距离为第一外接边和第二外接边之间垂直距离的0～0.2倍。

【技术特征摘要】
1.一种3D打印类河弯截面微流通道的微流控芯片，其特征在于，包括3D打印的芯片本体，芯片本体上设有依次连通的芯片入口(1)、微流通道(2)和芯片出口(3)；微流通道(2)呈圆柱螺旋线形式设计；微流通道(2)的横截面由直线(4)和圆锥曲线(5)围成，直线(4)的一端与圆锥曲线(5)的一端连接，直线(4)的另一端与圆锥曲线(5)的另一端连接；圆锥曲线(5)的Rho为0.55～0.95；当构建横截面外接矩形时，直线(4)与外接矩形的一条外接边重合，与该外接边连接的另外两条边分别为第一外接边和第二外接边，圆锥曲线(5)的顶点距直线(4)的垂直距离为N，圆锥曲线(5)的顶点距第一外接边的距离为M，M为N的1～6倍；芯片出口(3)包括第一出口、第二出口和第三出口，第一出口、第二出口和第三出口沿第一外接边到第二外接边的方向依次布置；第二出口的中心位于微流通道(2)的横截面中心偏向第二外接边侧，且第二出口的中心与微流通道(2)的横截面中心的偏离距离为第一外接边和第二外接边之间垂直距离的0～0.2倍。2.根据权利要求1所述的3D打印类河弯截面微流通道的微流控芯片，其特征在于，直线(4)的一端通过第一圆角线(6)与圆锥曲线(5)的一端连接，直线(4)的另一端通过第二圆角线(7)与圆锥曲线(5)的另一端连接。3.根据权利要求2所述的3D打印类河弯截面微流通道的微流控芯片，其特征在于，第一圆角线(6)的半径为0～0.1mm，第二圆角线(7)的半径为0～0.3mm。4.根据权利要求1所述的3D打印类河弯截面微流通道的微流控芯片，其特征在于，第一外接边位于微流通道(2)的内侧，第二外接边位于微流通道(2)的外侧。5.根据权利要求1所述的3D打印类河弯截面微流通道的微流控芯片，其特征在于，微流通道(2)的曲率半径为10～60mm，螺距为0.6～3mm。6.根据权利要求1所述的3D打印类河弯截面微流通道的微流控芯片，其特征在于，直线(4)长度为0.5～1.5mm，M为0.3～0.7mm，N为0.6～1.4mm，第二出口的中心与微流通道(2)的横截面中心的偏离距离为0～0.2mm。7.根据权利要求1所述的3D打印类河弯截面微流通道的微流控芯片，其特征在于，微流通道的曲率半径R和微流通道水力直径DH与待富...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡波，陈泽州，赵磊，施红雁，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61