基于微流控芯片的細(xì)胞分離、捕獲和分析的關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、微流控因其具有樣品和試劑用量少，分析時(shí)間短，靈敏度高，便于微型化和便攜化等優(yōu)點(diǎn)引起了人們的廣泛關(guān)注和極大興趣。因此在很多領(lǐng)域均得到了應(yīng)用，比如：化學(xué)和生物分析，細(xì)胞研究，臨床檢測(cè)，癌癥分析，材料合成和環(huán)境檢測(cè)等。其中對(duì)細(xì)胞的研究是其廣泛應(yīng)用的重要領(lǐng)域之一。而對(duì)細(xì)胞研究的第一步是將需要的目標(biāo)細(xì)胞進(jìn)行分離、捕獲。本文針對(duì)微流控芯片在細(xì)胞分析和檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用，分別設(shè)計(jì)和制備了血漿分離芯片、白細(xì)胞捕獲芯片和循環(huán)腫瘤細(xì)胞捕獲芯片，最后對(duì)聚二甲基硅

2、氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)材料的核酸擴(kuò)增集成芯片進(jìn)行了初步探討。
　　(1)為了實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞的捕獲，本文首先設(shè)計(jì)和制備了兩種基于微陷阱陣列的細(xì)胞捕獲結(jié)構(gòu)。細(xì)胞捕獲結(jié)構(gòu)采用兩層設(shè)計(jì)，第一層是支柱層，其作用是通過(guò)微柱使第二層結(jié)構(gòu)和鍵合的玻璃基片之間形成微小的縫隙，第二層結(jié)構(gòu)為“U”型結(jié)構(gòu)，并在頂端處設(shè)計(jì)了尖三角結(jié)構(gòu)。第二種捕獲結(jié)構(gòu)在第一種捕獲結(jié)構(gòu)的前端設(shè)計(jì)了導(dǎo)流帽結(jié)構(gòu)。最后用大腸桿菌和酵母菌對(duì)芯片的性能進(jìn)

3、行了測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：無(wú)帽細(xì)胞捕獲陣列結(jié)構(gòu)具有更高的捕獲效率。因此血漿分離芯片和白細(xì)胞捕獲芯片均采用了無(wú)帽細(xì)胞捕獲陣列結(jié)構(gòu)。
　　(2)設(shè)計(jì)和制備了集成光纖的血漿分離檢測(cè)芯片。芯片的前端采用無(wú)帽細(xì)胞捕獲陣列結(jié)構(gòu)，后端的捕獲結(jié)構(gòu)中讓血液通過(guò)的空隙越來(lái)越小，最終的空隙只能讓血漿通過(guò)，從而達(dá)到分離血漿的目的。在初步實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步改進(jìn)了芯片結(jié)構(gòu)，使血漿通過(guò)捕獲結(jié)構(gòu)的幾率分別增加到初始設(shè)計(jì)1.8倍和10.5倍，進(jìn)而將血漿分離效率提高

4、到了99％。
　　(3)設(shè)計(jì)和制備了基于化學(xué)分離及微結(jié)構(gòu)陣列集成的白細(xì)胞捕獲芯片。此芯片包括兩個(gè)功能單元：紅細(xì)胞裂解單元和白細(xì)胞捕獲單元。芯片的紅細(xì)胞裂解單元是一條由52個(gè)半圓環(huán)連接而成的彎曲管道。全血中的紅細(xì)胞經(jīng)過(guò)與紅細(xì)胞裂解液在彎曲管道中充分混合后而裂解。兩者在約為0.05μl/min的流速下能夠在彎曲管道達(dá)到完全混合，混合時(shí)間約為85s。利用此芯片達(dá)到了從全血中直接捕獲白細(xì)胞的目的。
　　(4)設(shè)計(jì)和制備了基于磁學(xué)和生

5、物學(xué)方法的腫瘤細(xì)胞捕獲芯片。理論分析得出磁珠在運(yùn)動(dòng)的流體中受到的磁場(chǎng)力和粘拽力的相互作用大小決定了磁珠能否被捕獲。芯片采用了等邊三角排列微磁柱結(jié)構(gòu)，利用微磁柱周?chē)拇艌?chǎng)將磁珠和細(xì)胞的結(jié)合體捕獲。CD4納米免疫磁珠和MyOne微米磁珠測(cè)試結(jié)果表明，芯片的磁柱能夠?qū)⒋胖椴东@在其周?chē)?。最后利用含有EpCAM抗體的CD326磁珠對(duì)Sw620細(xì)胞胞進(jìn)行了捕獲測(cè)試。結(jié)果表明，在0.2-1.2ml/h的流速情況下，細(xì)胞的捕獲效率基本上穩(wěn)定在85%左右

6、。隨著流速的進(jìn)一步增大，細(xì)胞的捕獲效率隨之降低。
　　(5)設(shè)計(jì)和制備了PDMS材料的核酸擴(kuò)增集成芯片。然后通過(guò)對(duì)比PDMS表面氧等離子體處理和未經(jīng)處理的芯片腔室中液體變化情況發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過(guò)氧等離子體處理芯片的腔室中在60-95℃沒(méi)有發(fā)現(xiàn)氣泡，而未經(jīng)處理的芯片腔室中氣泡隨溫度的升高而不斷增大，經(jīng)過(guò)多次循環(huán)仍有大量氣泡出現(xiàn)。我們從PDMS表面的疏水性和氣透性解釋了氧等離子體處理的效果和作用。PDMS經(jīng)過(guò)氧等離子體處理后由疏水性變?yōu)橛H水性