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1、(10)授权公告号 CN 103614283 B (45)授权公告日 2014.12.10 CN 103614283 B (21)申请号 201310597726.3 (22)申请日 2013.11.21 C12M 1/00(2006.01) C12M 1/34(2006.01) (73)专利权人 西安交通大学 地址 710049 陕西省西安市咸宁路 28 号 (72)发明人 赵亮 范亮亮 贾丽敏 者江 (74)专利代理机构 西安智大知识产权代理事务 所 61215 代理人 何会侠 KR 101116809 B1,2012.02.28, 全文 . TW 201132757 A,2011.10.。
2、01, 全文 . CN 1635146 A,2005.07.06, 全文 . CN 101765762 A,2010.06.30, 全文 . (54) 发明名称 一种用于细胞三维富集的微流控芯片 (57) 摘要 一种用于细胞三维富集的微流控芯片， 由盖 片层和粘合于其下的载片组成 ； 在盖片层内设有 微通道， 微通道包括使细胞在竖直方向上富集的 弯曲通道、 和弯曲通道连通的使细胞在水平方向 富集的对称尖角结构通道、 和对称尖角结构通道 连通的光学检测区、 以及和光学检测区连通的排 液区， 还包括和弯曲通道入口连通的细胞样本液 加液区和缓冲液加液区， 细胞样本液加液区连通 于弯曲通道的内壁， 缓。
3、冲液加液区连通于弯曲通 道的外壁 ； 对称尖角结构通道由多个相间分布的 扩张段和对称尖角结构组成 ； 缓冲液加液区和细 胞样本液加液区的入口以及排液区为在盖片层上 开设的通孔， 微通道为在盖片层上开设的盲道， 底 部和载片表面相通 ； 本发明具有结构简单、 成本 低、 操作简易、 体积小、 便于推广等特点。 (51)Int.Cl. (56)对比文件 审查员 吴漾 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 (10)授权公告号 CN 103614283 B CN 103614283 B 1/1 页。
4、 2 1. 一种用于细胞三维富集的微流控芯片， 其特征在于 ： 由盖片层 (8) 和粘合于盖片层 (8) 下的载片 (7) 组成 ； 在所述盖片层 (8) 内设有微通道， 所述微通道包括使细胞在竖直 方向上富集的弯曲通道 (3)、 和弯曲通道 (3) 连通的使细胞在水平方向富集的对称尖角结 构通道 (4)、 和对称尖角结构通道 (4) 连通的光学检测区 (5)、 以及和光学检测区 (5) 连通 的排液区 (6)， 还包括和弯曲通道 (3) 入口连通的细胞样本液加液区 (2) 和缓冲液加液区 (1)， 所述细胞样本液加液区 (2) 连通于弯曲通道 (3) 的内壁， 所述缓冲液加液区 (1) 连通。
5、 于弯曲通道 (3) 的外壁 ； 所述对称尖角结构通道 (4) 由多个相间分布的对称尖角结构和扩 张段组成， 所述对称尖角结构沿着流体流动方向角度外扩 ； 所述缓冲液加液区 (1) 和细胞 样本液加液区 (2) 的入口以及排液区 (6) 为在盖片层 (8) 上开设的通孔， 所述微通道为在 盖片层 (8) 上开设的盲道， 底部和载片 (7) 表面相通 ； 所述弯曲通道 (3) 为 1/4 圆弧。 2. 根据权利要求 1 所述的一种用于细胞三维富集的微流控芯片， 其特征在于 ： 所述弯 曲通道 (3) 宽度为 100m, 平均半径为 250m。 3. 根据权利要求 1 所述的一种用于细胞三维富集的。
6、微流控芯片， 其特征在于 ： 所述对 称尖角结构通道 (4) 由 30 组对称尖角结构和扩张段组成。 4. 根据权利要求 3 所述的一种用于细胞三维富集的微流控芯片， 其特征在于 ： 所述对 称尖角结构的尖角为45度， 对称尖角入口宽度为40m， 所述扩张段的宽度为300m， 长度 为 200m。 5. 根据权利要求 1 所述的一种用于细胞三维富集的微流控芯片， 其特征在于 ： 所述盖 片层 (8) 和载片 (7) 通过等离子不可逆处理粘合在一起。 6. 根据权利要求 1 所述的一种用于细胞三维富集的微流控芯片， 其特征在于 ： 所述缓 冲液加液区 (1) 和细胞样本液加液区 (2) 的入口以。
7、及排液区 (6) 均为圆柱形孔。 7. 根据权利要求 6 所述的一种用于细胞三维富集的微流控芯片， 其特征在于 ： 所述缓 冲液加液区 (1) 和细胞样本液加液区 (2) 的入口以及排液区 (6) 的直径均为 10mm。 8. 根据权利要求 1 所述的一种用于细胞三维富集的微流控芯片， 其特征在于 ： 所述微 通道各处深度为 78m。 9. 根据权利要求 1 所述的一种用于细胞三维富集的微流控芯片， 其特征在于 ： 所述盖 片层 (8) 的材料为聚甲基丙烯酸甲酯 PMMA 或聚二甲基硅氧烷 PDMS。 10. 根据权利要求 1 所述的一种用于细胞三维富集的微流控芯片， 其特征在于 ： 所述载 。
8、片 (7) 的材料为玻璃或硅。 权 利 要 求 书 CN 103614283 B 2 1/4 页 3 一种用于细胞三维富集的微流控芯片 技术领域 0001 本发明涉及一种微流控芯片， 具体涉及一种用于细胞三维富集的微流控芯片。 背景技术 0002 在生物医学研究和临床诊断中， 流动血细胞计数仪被广泛使用， 并发挥了十分重 要的作用。近年来， 它成为临床诊断方面的一种主要方法， 例如， CD4+T 淋巴细胞计数仪被广 泛应用于血液中的 HIV 病毒的检测与诊断。当人体免疫缺陷病毒 （HIV） 进入人体后， 会特 异地攻击 CD4+T 淋巴细胞并进行自身复制， 引起血液中 CD4+T 淋巴细胞功能。
9、的降低和数量的 减少。淋巴细胞作为机体免疫应答功能的重要组成， 被 HIV 病毒破坏后， 将导致宿主免疫功 能的不断削弱， 从而在 HIV 病毒潜伏 2 8 年后因机会性感染而发病。CD4+T 淋巴细胞计数 仪通过对血液中的CD4+T淋巴细胞进行检测， 从而为HIV疾病进展情况和高效抗逆转录病毒 治疗临床疗效进行有效评估， 为 HIV 疾病的诊断与治疗提供重要参考。此外， 流动血细胞计 数仪还被用于常规的血液检查。 血液的主要功能中如物质运输和机体防御等都是由血液中 的血细胞完成的。血液的运输功能主要靠红细胞完成， 如从肺吸入的氧气及消化道吸收的 营养物质都依靠血液运输才能到达全身各组织， 同。
10、时组织代谢产生的二氧化碳与其他废物 也依赖血液运输到肺、 肾等处排泄， 从而保持身体正常代谢的进行。 血液对机体的防御功能 表现为免疫和止血等。如血液中的白细胞可以杀死进入机体的病原体和自身异常细胞， 从 而发挥机体免疫能力 ； 血小板在止血过程中起着重要作用， 正常生理情况下， 血小板有着相 对稳定的数量。当血液中的血小板含量发生变化时， 人体的血液止血和凝血功能将出现异 常， 严重时会危及病人的生命安全。 通过检测血液中血小板的含量， 对正确评估人体血液止 血和凝血功能有着重要的意义。 检测结果同时可以作为患者是否需要进行血小板输注的参 考指标。因而使用流动血细胞计数仪对血液中血细胞等进行。
11、检测， 便可以反映出人体的健 康状况， 从而为医疗保健和疾病预防提供重要的参考依据。 在流动血细胞计数仪中， 待检测 细胞需要被三维地富集于检测区域的中心， 而后穿过激光检测区域， 进而可以得到待检细 胞的类型、 数量、 大小等诸多信息。 流动血细胞计数仪中的一个重要的细胞富集部分是共轴 环形流道， 通过周向剪切流体的作用将待测细胞三维地富集在通道中心并紧密地排列成一 束， 从而避免了待测细胞在激光检测区的漏检。 然而， 传统的流动血细胞计数仪中细胞的三 维富集具有以下缺点 ： 1） 需要昂贵的辅助仪器， 从而导致流动血细胞计数仪整体成本升高， 极大地限制了其在生物医学、 临床诊断等领域中的应。
12、用 ； 2） 共轴环形流道及辅助仪器体积 大， 造成传统血细胞计数仪不便于携带， 因而不能被方便地应用于现场急救、 家庭医疗及个 人保健等方面， 对商品化的市场推广带来困难 ； 3） 细胞三维富集结构复杂， 安装繁琐， 维修 与保养费用较高， 增加了后期使用的成本。 发明内容 0003 为解决上述现有技术中存在的问题， 本发明的目的在于提供一种用于细胞三维富 集的微流控芯片， 其能够作为血液检测的预处理手段， 取代传统流动血细胞计数仪中结构 说 明 书 CN 103614283 B 3 2/4 页 4 复杂的细胞富集器件， 并可与光学检测手段相结合， 对血液样本进行精确地检测， 具有成本 低、。
13、 体积小、 结构简单， 操作容易等特点， 为公共医疗健康和生物医学研究等领域提供便利。 0004 为了达到上述目的， 本发明采用如下技术方案 ： 0005 一种用于细胞三维富集的微流控芯片， 所述微流控芯片由盖片层 8 和粘合于盖片 层8下的载片7组成 ； 在所述盖片层8内设有微通道， 所述微通道包括使细胞在竖直方向上 富集的弯曲通道 3、 和弯曲通道 3 连通的使细胞在水平方向富集的对称尖角结构通道 4、 和 对称尖角结构通道 4 连通的光学检测区 5、 以及和光学检测区 5 连通的排液区 6， 还包括和 弯曲通道3入口连通的细胞样本液加液区2和缓冲液加液区1， 所述细胞样本液加液区2连 通。
14、于弯曲通道3的内壁， 所述缓冲液加液区1连通于弯曲通道3的外壁 ； 所述对称尖角结构 通道 4 由多个相间分布的扩张段和对称尖角结构组成 ； 所述缓冲液加液区 1 和细胞样本液 加液区 2 的入口以及排液区 6 为在盖片层 8 上开设的通孔， 所述微通道为在盖片层 8 上开 设的盲道， 底部和载片 7 表面相通。 0006 所述弯曲通道 3 为 1/4 圆弧， 其宽度为 100m, 平均半径为 250m。 0007 所述对称尖角结构通道 4 由 30 组对称尖角结构和扩张段组成。 0008 所述对称尖角结构的尖角为 45 度， 对称尖角入口宽度为 40m， 所述扩张段的宽 度为 300m， 长。
15、度为 200m。 0009 所述盖片层 8 和载片 7 通过等离子不可逆处理粘合在一起。 0010 所述缓冲液加液区 1 和细胞样本液加液区 2 的入口以及排液区 6 均为圆柱形孔。 0011 所述缓冲液加液区 1 和细胞样本液加液区 2 的入口以及排液区 6 的直径均为 10mm。 0012 所述微通道各处深度为 78m。 0013 所述盖片层 8 的材料为聚甲基丙烯酸甲酯 PMMA 或聚二甲基硅氧烷 PDMS。 0014 所述载片 7 的材料为玻璃或硅。 0015 本发明和现有技术相比较， 具有如下优点 ： 0016 1） 体积小， 便于携带， 可以方便地应用于现场急救、 家庭医疗及个人保。
16、健等方面。 0017 2） 成本低， 价格低廉， 与其他传统及主动式的微流体细胞三维富集技术相比， 本发 明无需昂贵的辅助设备， 因而加工制作过程简单方便， 对商品化的市场推广带来便利。 0018 3） 机械结构简单， 操作容易， 与其他的被动式微流体三维富集技术相比， 无需对较 多的缓冲液进行精确的流量控制， 因而操作容易简单， 操作人员无需专业培训。 0019 4） 可扩展性高， 由于采用了微流控芯片的形式， 本发明可以与样品后处理技术集 成， 促进分析系统的集成化和自动化。如与光学检测手段相结合， 便可以对细胞等目标物 进行精确的检测， 从而在基因表达检测、 基因筛选、 药物筛选、 疾病。
17、诊断治疗、 环境检测和治 理、 司法鉴定等领域发挥重要的作用。 附图说明 0020 图 1 为本发明微流控芯片的俯视图。 0021 图 2 为图 1 沿 A-A 向的剖视图。 0022 图 3 为本发明微流控芯片中的微通道三维示意图。 0023 图 4 为本发明结合光学检测手段的集成示意图。 说 明 书 CN 103614283 B 4 3/4 页 5 具体实施方式 0024 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。 0025 如图1至图3所示， 本发明一种用于细胞三维富集的微流控芯片， 该微流控芯片由 标准软光刻技术加工， 由盖片层 8 和粘合于盖片层 8 下的载片 7 组成 。
18、； 在盖片层 8 内设有微 通道， 微通道包括使细胞在竖直方向上富集的弯曲通道 3、 和弯曲通道 3 连通的使细胞在水 平方向富集的对称尖角结构通道 4、 和对称尖角结构通道 4 连通的光学检测区 5、 以及和光 学检测区5连通的排液区6， 还包括和弯曲通道3入口连通的细胞样本液加液区2和缓冲液 加液区 1， 细胞样本液加液区 2 连通于弯曲通道 3 的内壁， 缓冲液加液区 1 连通于弯曲通道 3的外壁 ； 对称尖角结构通道4由多个相间分布的扩张段和对称尖角结构组成 ； 缓冲液加液 区 1 和细胞样本液加液区 2 的入口以及排液区 6 为在盖片层 8 上开设的通孔， 微通道为在 盖片层 8 上。
19、开设的盲道， 底部和载片 7 表面相通。 0026 作为本发明的优选实施方式， 所述弯曲通道 3 为 1/4 圆弧。进一步的， 所述弯曲通 道 3 宽度为 100m, 平均半径为 250m。 0027 作为本发明的优选实施方式， 所述对称尖角结构通道4由30组对称尖角结构和扩 张段组成。进一步的， 所述对称尖角结构的尖角为 45 度， 对称尖角入口宽度为 40m， 所述 扩张段的宽度为 300m， 长度为 200m。 0028 作为本发明的优选实施方式， 所述盖片层 8 和载片 7 通过等离子不可逆处理粘合 在一起。 0029 作为本发明的优选实施方式， 所述缓冲液加液区 1 和细胞样本液加液。
20、区 2 的入口 以及排液区 6 均为圆柱形孔。进一步的， 所述缓冲液加液区 1 和细胞样本液加液区 2 的入 口以及排液区 6 的直径均为 10mm。 0030 作为本发明的优选实施方式， 所述盖片层8的材料为聚甲基丙烯酸甲酯PMMA或聚 二甲基硅氧烷 PDMS。 0031 作为本发明的优选实施方式， 所述载片 7 的材料为玻璃或硅。 0032 本发明的工作原理为 ： 含有细胞的样本液以一定的流量由细胞样本液加液区 2 进 入弯曲通道3的内侧， 缓冲液以一定的流量通过缓冲液加液区1进入弯曲通道3的外侧。 细 胞样本液与缓冲液流经弯曲通道3时， 由于流体的惯性作用， 流体质点会向弯曲通道3的外 。
21、壁面一侧运动， 同时微通道上下壁面对其附近流体具有限制影响， 从而在弯曲通道 3 的截 面上形成一定的压力梯度。在压力梯度的作用下， 通道中心的流体向弯曲通道 3 的外壁面 一侧运动， 而通道上下壁面附近的流体则像向弯曲通道 3 的内壁面一侧运动， 从而在弯曲 通道 3 垂直于流动方向的截面上形成两个对称反向的迪安涡， 在迪安涡强烈拖曳作用下， 位于弯曲通道 3 内侧的细胞样本液便被从内壁面一侧经由通道中心处向外壁面一侧拉伸， 在弯曲通道 3 的出口， 细胞样本液便分布于通道截面在竖直方向上的中心位置， 实现细胞 在竖直方向上的富集。 而后， 已经在竖直方向上被富集的细胞样本液， 流过具有对称。
22、尖角结 构通道 4， 受到由对称尖角结构引发的方向由两侧指向通道中心的惯性离心力， 向通道中心 发生一定的位移。 由于累积效应， 经过一系列的对称尖角结构后， 细胞样本液将在水平方向 上完全地移动到通道中心， 实现细胞在水平方向上的富集。结合弯曲微通道 3 和对称尖角 结构通道4， 最终实现细胞的三维富集。 被三维富集的细胞由对称尖角结构通道4出口进入 说 明 书 CN 103614283 B 5 4/4 页 6 光学检测区 5， 在光学检测区 5 实现对细胞的准确检测， 最后由排液口 6 排出。 0033 如图4所示， 下面以HIV病毒检测中的CD4+T淋巴细胞三维富集为例来说明本发明 的具。
23、体实施方式 ： 0034 a. 从病人体内抽取血液样本， 并进行必要的预处理 ； 0035 b. 将已处理过含有 CD4+T 淋巴细胞的血液样本在注射泵等驱动设备的驱动下以一 定的流量大小通过细胞样本液加液区 2 入口注入本发明的微流控芯片中， 同时缓冲液以一 定的流量注入缓冲液加液区 1 入口 ； 0036 c. 弯曲通道 3 中的迪安涡将含有 CD4+T 淋巴细胞的血液样本向弯曲通道外壁面一 侧拉伸， 从而实现血液中的 CD4+T 淋巴细胞在竖直方向上的富集 ； 0037 d.竖直方向上被富集后的CD4+T淋巴细胞进入对称尖角结构通道4， 受到尖角引发 的方向指向微通道中心的惯性离心力， 。
24、从而实现血液中的 CD4+T 淋巴细胞在水平方向上的 富集 ； 在对称尖角结构通道 4 的出口， CD4+T 淋巴细胞被三维地富集于通道的中心位置 ； 0038 e.被三维富集的CD4+T淋巴细胞而后进入光学检测区5， 结合一定的光学检测手段 完成对 CD4+T 淋巴细胞的检测， 也可以集成其他的检测芯片对三维富集的 CD4+T 淋巴细胞进 行检测 ； 0039 f. 被检测后的血液样本由排液口 6 排出， 进行必要的后处理， 对血液样本中可能 含有的 HIV 病毒灭活， 保证安全。 说 明 书 CN 103614283 B 6 1/2 页 7 图 1 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 103614283 B 7 2/2 页 8 图 4 说 明 书 附 图 CN 103614283 B 8 。