基于微流控芯片的細胞操控技術(shù)研究.pdf

1、細胞捕獲和分選是指從非均一的細胞群體中固定、收集指定特征細胞的技術(shù)，如從外周血中捕獲循環(huán)腫瘤細胞，是細胞操控研究中重要的兩個部分。從成分不均一的各種細胞生物液中捕獲分離目標細胞是一種重要的工程技術(shù)，無論在科學研究領域還是在實際臨床應用中都具有重要的意義。目前，傳統(tǒng)的細胞操控方式，如光鑷技術(shù)、顯微技術(shù)，雖能精準操控單個細胞，甚至更為微小的細胞器，但存在對設備依賴性強、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，可以彌補傳統(tǒng)的細胞操控方式的不足。然而，現(xiàn)有的多種基于微流控芯片進行細胞捕獲、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。
　　本論文針對現(xiàn)有方法的不足，設計四種基于壩原理結(jié)構(gòu)進行細胞捕獲、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對四種結(jié)構(gòu)以及現(xiàn)有的U型結(jié)構(gòu)進行計算機數(shù)值模擬，比

3、較五種結(jié)構(gòu)的流場分布，理論分析細胞捕獲過程，并通過實驗進行驗證，分析評價五種結(jié)構(gòu)的捕獲效率。其中不管是細胞捕獲容量還是細胞存儲穩(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，可通過多芯片級聯(lián)方式進行細胞分選。論文的具體研究內(nèi)容為:
　?、傩酒Y(jié)構(gòu)設計及計算機仿真
　　設計四種基于壩原理結(jié)構(gòu)用于細胞捕獲、分選研

4、究，并通過FLUENT仿真軟件對四種結(jié)構(gòu)以及現(xiàn)有的U型結(jié)構(gòu)進行計算機數(shù)值模擬，研究芯片內(nèi)壓強、速度分布情況，根據(jù)芯片流場分布調(diào)整結(jié)構(gòu)設計參數(shù)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，尋求最優(yōu)的細胞捕獲、分選結(jié)構(gòu)，并根據(jù)仿真結(jié)果進行理論分析細胞操控過程，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，利于細胞捕獲和儲存。
　?、谖⒘骺匦酒苽?br>　　分析對比現(xiàn)有的幾種常用加工工藝的優(yōu)缺點，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)加工思路的基礎上進行改進，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行鍵合，最后驗證芯片的成效性。
　?、奂毎倏匮芯?br>　　利用五種結(jié)構(gòu)芯片進行

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