单细胞捕获微流控芯片的结构设计及其流场研究

摘要

单细胞捕获微流控芯片具有成本低、高通量、易于制造、集成度高、无毒、稳定性好等优点，正日益成为研究生命科学和药物分析的重要载体，利用微流控芯片对单个细胞进行捕获，是实现单细胞分析、配对、融合、裂解和胞内成分分析的重要前提。基于流体动力学方法的流场捕获，是实现单细胞捕获的重要手段和方法。
　　在本文中，基于微尺度下的斯托克斯流动理论、微阱扰流理论和微尺度下的二维稳态层流模型，对流场捕获单细胞的过程进行了阶段分析，建立了细胞与细胞之间、细胞与流体之间、细胞与壁面之间的多耦合力学模型，对单细胞的受力状态进行了分析，这为进一步研究单细胞捕获过程中力和速度的关系，实现对单细胞的可控性奠定了基础;以统计学理论为基础，本文提出了一种研究微流控芯片内部流场速度的方法;利用现有设备和条件，对单细胞捕获实验进行了初步的探索，了解和熟悉了PDMS微流控芯片的制作工艺;在现有细胞捕获微阱结构的基础上，提出了支柱式、单缝式、双缝式单细胞微阱结构，每一种微阱结构的尺寸与捕获细胞的尺寸接近一致，原则上仅能够容纳一个细胞;结合有限元分析软件，对入口速度、微阱单元结构尺寸和微阱阵列布置等参数进行了数值模拟计算，对微阱单元流场速度和芯片内部捕获区域的流场速度、压力分布进行了讨论。
　　通过模拟实验对三种类型、六种结构的单细胞捕获装置进行对比分析，确定了最合适单细胞捕获的微流控芯片装置为矩形支柱式单细胞捕获装置;通过不同位置截面的流场速度分析，验证了单细胞捕获阵列单元的流场具有一致性;通过对不同位置微阱质量流量的分析，得出了不同微阱结构入口处的流量变化情况;通过对单个微阱的捕获势垒、速度极低区域等评价系数的分析，为下一步对芯片结构进行优化，设计流场捕获芯片提供了系统和详细的理论支持，为更好的进行单细胞的捕获研究奠定了基础。

目录

声明

论文说明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 微流控细胞捕获芯片国内外发展综述

1．3 本文研究的内容和意义

1．3．1 本文研究的内容

1．3．2 本文研究的意义

第2章 单细胞捕获芯片理论模型

2．1 流体动力学的单细胞捕获

2．2 微尺度流体基本特征

2．3 流体力学基本理论

2．3．1 流体连续性方程

2．3．2 流体运动方程

2．3．3 流体动量方程

2．3．4 流体能量方程

2．4 芯片内部速度的研究方法

2．4．1 流场速度的评价指标

2．4．2 速度评价指标的关系

2．5 单细胞捕获模型

2．6 单细胞捕获过程

2．7 单细胞输运过程动力学研究

2．7．1 流场与细胞的作用

2．7．2 壁面与细胞的作用

2．7．3 细胞与细胞的作用

2．7．4 单细胞输运过程的运动分析

2．8 小结

第3章 芯片的结构与制作

3．1 设计思路

3．2 微阱结构的设计

3．2．1 支柱式捕获结构

3．2．2 单缝式捕获结构

3．2．3 双缝式捕获结构

3．3 制作方法及工艺

3．3．1 制作流程

3．3．2 制造方法

3．3．3 掩模设计

3．3．4 制造过程

3．4 小结

第4章 单细胞捕获芯片流场模拟

4．1 单细胞捕获装置数值模拟

4．1．1 几何模型

4．1．2 网格划分

4．1．3 初始条件设置

4．2 芯片内部流场的模拟结果与分析

4．2．1 支柱芯片内部流场的模拟结果与分析

4．2．2 单缝芯片内部流场的模拟结果与分析

4．2．3 双缝芯片内部流场的模拟结果与分析

4．3 三种单细胞捕获装置内部流场速度的比较

4．3．1 三种U形单细胞捕获装置内部流场速度的比较

4．3．2 三种矩形单细胞捕获装置内部流场速度的比较

4．4 三种单细胞捕获装置内部压力分析

4．5 单细胞捕获微阱内部的速度分析

4．6 小结

第5章 微流场评价系数的研究

5．1 捕获势垒

5．2 流场的一致性

5．2．1 不同截面上的速度分布

5．2．2 一致性评价

5．3 更新因子

5．3．1 同一截面上不同微阱的流量更新

5．3．2 单个微阱的流量更新

5．4 细胞捕获区

5．5 影响微阱流场的因素

5．6 小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

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