一种基于非对称多尖角结构的声流控芯片制造技术

一种基于非对称多尖角结构的声流控芯片，包括基于无间隙声流控单元或有间隙声流控单元的开放式声流控芯片或封闭式声流控芯片；两类单元具有直角三角形状尖角、直角边缘，二者中间为细胞捕获用流道；细胞捕获用流道与上方的主流道连通，直角三角形状尖角左侧暨直角边缘右侧为单元间连接部位；无间隙直角形状尖角与直角边缘及连接部位等厚，有间隙直角形状尖角厚度较直角边缘及连接部位厚度小；阵列布置的有间隙或无间隙的非对称多尖角声流控单元与压力导向通道组成开放式声流控芯片，通过沿中线对称布置有间隙或无间隙的非对称多尖角声流控单元阵列，与压力导向通道组成封闭式声流控芯片，本发明专利技术实现细胞等微尺度颗粒三维旋转、阵列化捕获及操控。阵列化捕获及操控。阵列化捕获及操控。

【技术实现步骤摘要】
一种基于非对称多尖角结构的声流控芯片


[0001]本专利技术属于微流控
，具体涉及一种基于非对称多尖角结构的声流控芯片。

技术介绍

[0002]生物细胞调节生命体生长、增殖、分化和凋亡等一系列基本生命活动，现代医学表明人类众多疾病的发生与发展都和细胞生理物理特性变化有着密切的联系。研究发现，细胞的机械物理特性具有较强的各向异性，即不同测试位置点所获得的细胞刚度、粘度等具有较大差异。也有研究表明，细胞自身物理结构失稳和功能缺陷与细胞内部的部件，如细胞核、线粒体、微管等的三维形态有着直接关系。通过改变细胞的空间姿态及阵列化固定目标细胞，微纳力传感器能够对细胞力学特性的三维测试位置进行精控制，显微光学成像系统能够对细胞多旋转角度下的细胞器图像进行采样并进行三维图像重构，由此开展的细胞生理机理特性分析对疾病快速检测和诊断、药物筛选和评估具有重要的理论和现实意义。
[0003]生物培养环境复杂，操作对象尺度多在μm量级以下，因而较难实现高效、高通量且低创伤的细胞旋转。当前部分研究利用微针管与目标细胞接触产生的载荷力使细胞旋转，然而该方法单次只能处理一个细胞，效率较低；此外，微针管与细胞之间的接触力较难测量与控制，容易对细胞产生不可逆的破坏，最终造成被操作的细胞破损乃至死亡。现有研究也有部分学者基于微流控技术开展了细胞运动操作，然而为产生细胞旋转的流体涡旋流线，当前研究大多通过在主流道周围设计复杂的旁路流道以产生旁路射流(HARADA H,KANEKO M,ITO H.Rotational manipulation of a microscopic object inside a microfluidic channel Rotational manipulation of a microscopic object inside a microfluidic channel[J/OL].2020,054106(May).https://doi.org/10.1063/5.0013309)，然而该方法较难实现闭合的流体涡旋，因此该类型器件的细胞旋转的速率较低；同时由于需要复杂的旁路流道，该类型器件结构设计复杂，芯片加工制备难度大。
[0004]利用可控频率和幅值的外部声源，声流控技术能够将外部声源振动转换为微流道内的闭合声流，其能够高速地驱动细胞。传统的声流控芯片(NAMA N,HUANG P H,HUANG T J等.Investigation of acoustic streaming patterns around oscillating sharp edges[J/OL].Lab on a Chip,2014,14(15):2824
‑
2836.
[0005]https://doi.org/10.1039/c4lc00191e；OZCELIK A,NAMA N,HUANG P H等.Acoustofluidic Rotational Manipulation of Cells and Organisms Using Oscillating Solid Structures[J/OL].Small,2016,12(37):5120
‑
5125.
[0006]https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.201601760)基于等边三角形的尖角结构，尖角周围能够产生对称的两个闭合流线，细胞等颗粒物流经该结构附近时能够被吸引并产生平面旋转运动，然而该类型芯片无法实现细胞的三维旋转，因此较难实现细胞及内部部件的三维成像；该类型芯片往往需要较大幅值的外部声源，其在低能量声源驱动下旋转细胞的速率需要进一步提升；此外，该类型器件无法对目标细胞进行阵列
化捕获，更无法在后续的细胞力学特性测试及其他要求固定的微操控过程中保持细胞的稳定。因此当前急需设计一种集成三维旋转、阵列化捕获及固定功能的细胞微操作声流控芯片。

技术实现思路

[0007]为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提出一种基于非对称多尖角结构的声流控芯片，能够用于细胞等微尺度颗粒三维旋转、阵列化捕获及固定操控。
[0008]为了达到上述目的，本专利技术采取的技术方案为：
[0009]一种基于非对称多尖角结构的声流控芯片，包括基于无间隙声流控单元10或有间隙声流控单元20的开放式声流控芯片或封闭式声流控芯片；
[0010]所述的无间隙声流控单元10包括第一直角三角形状的尖角101、第一直角边缘102，二者中间为第一细胞捕获用流道103；第一细胞捕获用流道103上部具有第一捕获流道入口1031，左侧第一直角三角形状的尖角101下方具有第一侧壁1032，右侧下方直角边缘下方处具有第二侧壁1033及第一捕获流道出口1034，底部具有第一捕获流道底边1035；第一细胞捕获用流道103与上方的第一主流道104连通，第一直角三角形状的尖角101左侧、第一直角边缘102右侧为单元间第一连接部位105，第一直角三角形状的尖角101的两条直角边分别位于靠近第一主流道104一侧及第一连接部位105一侧，第一直角三角形状的尖角101与第一直角边缘102及第一连接部位105具有相同的厚度。
[0011]所述的无间隙声流控单元10内第一捕获流道出口1034根据需求布置一个或者多个，分别布置在第一细胞捕获用流道103的第一侧壁1032下方，第二侧壁1033下方及第一捕获流道底边1035处。
[0012]所述的无间隙声流控单元10利用倒模工艺制备成微流控芯片，材料倒入阵列布置的单元图形内会覆盖图形，并在单元上方形成有一定厚度的上壁，利用该厚度将具有单元图形特征的芯片圆片从模具内揭起并分割成独立芯片器件。
[0013]基于无间隙声流控单元10的第一开放式声流控芯片100：包括阵列分布的无间隙声流控单元10，各个无间隙声流控单元10的第一捕获流道出口1034处通过第一压力导向通道1001连通，并通过第一压力出口1002聚积；在第一压力出口1002处施加负压，能够通过第一通道1001在各个无间隙声流控单元10的第一细胞捕获用流道103中产生负压力，从而将捕获的细胞固定；无间隙声流控单元10外侧为第一主流道104，第一主流道104上方有第一主流道上壁1041，第一主流道104的外部为第一开放流体环境1010，目标细胞利用移液设备在第一开放流体环境1010投放，声波传递到第一直角三角形状的尖角101与第一捕获用流道103附近时即可产生高速的涡流，使得细胞等微尺度颗粒物产生三维旋转运动，待旋转到适宜角度时可以利用芯片的捕获功能将目标细胞固定在第一细胞捕获用流道103处，外界操作工具在第一开放流体环境1010移动至第一主流道上壁1041的下方空隙处接触被捕获固定的细胞并开展后续操作。
[0014]基于无间隙声流控单元10的第一封闭式声流控芯片200：包括沿中线对称分布的阵列无间隙声流控单元10，各个无间隙声流控单元10的第一细胞捕获用流道103处通过第二本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于非对称多尖角结构的声流控芯片，包括基于无间隙声流控单元(10)或有间隙声流控单元(20)的开放式声流控芯片或封闭式声流控芯片；所述的无间隙声流控单元(10)包括第一直角三角形状的尖角(101)、第一直角边缘(102)，二者中间为第一细胞捕获用流道(103)；第一细胞捕获用流道(103)上部具有第一捕获流道入口(1031)，左侧第一直角三角形状的尖角(101)下方具有第一侧壁(1032)，右侧下方直角边缘下方处具有第二侧壁(1033)及第一捕获流道出口(1034)，底部具有第一捕获流道底边(1035)；第一细胞捕获用流道(103)与上方的第一主流道(104)连通，第一直角三角形状的尖角(101)左侧、第一直角边缘(102)右侧为单元间第一连接部位(105)，第一直角三角形状的尖角(101)的两条直角边分别位于靠近第一主流道(104)一侧及第一连接部位(105)一侧；第一直角三角形状的尖角(101)与第一直角边缘(102)及第一连接部位(105)具有相同的厚度；所述的无间隙声流控单元(10)内第一捕获流道出口(1034)根据需求布置一个或者多个，分别布置在第一细胞捕获用流道(103)的第一侧壁(1032)下方，第二侧壁(1033)下方及第一捕获流道底边(1035)处。2.根据权利要求1所述的声流控芯片，其特征在于：所述的无间隙声流控单元(10)利用倒模工艺制备成微流控芯片，材料倒入阵列布置的单元图形内会覆盖图形，并在单元上方形成有一定厚度的上壁，利用该厚度将具有单元图形特征的芯片圆片从模具内揭起并分割成独立芯片器件。3.根据权利要求1所述的声流控芯片，其特征在于，基于无间隙声流控单元(10)的第一开放式声流控芯片(100)：包括阵列分布的无间隙声流控单元(10)，各个无间隙声流控单元(10)的第一捕获流道出口(1034)处通过第一压力导向通道(1001)连通，并通过第一压力出口(1002)聚积；在第一压力出口(1002)处施加负压，能够通过第一通道(1001)在各个无间隙声流控单元(10)的第一细胞捕获用流道(103)中产生负压力，从而将捕获的细胞固定；无间隙声流控单元(10)外侧为第一主流道(104)，第一主流道(104)上方有第一主流道上壁(1041)，第一主流道(104)的外部为第一开放流体环境(1010)，目标细胞利用移液设备在第一开放流体环境(1010)投放，声波传递到第一直角三角形状的尖角(101)与第一捕获用流道(103)附近时产生高速的涡流，使得包含细胞的微尺度颗粒物产生三维旋转运动，待旋转到相应角度时利用芯片的捕获功能将目标细胞固定在第一细胞捕获用流道(103)处，外界操作工具在第一开放流体环境(1010)移动至第一主流道上壁(1041)的下方空隙处接触被捕获固定的细胞并开展后续操作；芯片内无间隙声流控单元(10)的阵列数量根据应用需求设置。4.根据权利要求1所述的声流控芯片，其特征在于：基于无间隙声流控单元(10)的第一封闭式声流控芯片(200)：包括沿中线对称分布的阵列无间隙声流控单元(10)，各个无间隙声流控单元(10)的第一细胞捕获用流道(103)处通过第二压力导向通道(2001)连通，并通过第二压力出口(2002)聚积；在第二压力出口(2002)处施加负压，能够通过第二通道(2001)在各个无间隙声流控单元(10)的第一细胞捕获用流道(103)中产生负压力，从而将捕获的细胞固定；上下对称分布的两个无间隙声流控单元(10)阵列外侧的第一主流道上壁(1041)构成一个第一封闭操作环境(2010)，目标细胞通过第一物料输入口(2004)，经由第一输入流道(2003)输入到第一封闭操作环境(2010)内，声波传递到第一直角三角形状的尖
角(101)与第一捕获用流道(103)附近时产生高速的涡流，使得包含细胞的微尺度颗粒物产生三维旋转运动并进行后续操作，待操作完成后通过第一输出流道(2005)从第一物料输出口(2006)排出到芯片外并收集；芯片内无间隙声流控单元(10)的阵列数量根据应用需求设置。5.根据权利要求1所述的声流控芯片，其特征在于：所述的有间隙声流控单元(20)：包括第二直角三角形状的尖角(201)、第二直角边缘(202)，二者中间为第二细胞捕获用流道(203)；第二细胞捕获用流道(203)上部具有第二捕...

【专利技术属性】
技术研发人员：高文迪，刘德华，米颖标，崔文骥，赵立波，王路，蒋庄德，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：