大规模网络阵列单细胞捕获微流控器件

摘要

本发明公开了一种大规模网络阵列单细胞捕获微流控器件，包括细胞捕获腔体，所述细胞捕获腔体上设置有流入口和流出口，所述细胞捕获腔体内设置有细胞捕获装置，所述细胞捕获装置包括多个单细胞捕获单元，所述多个单细胞捕获单元按照预设结构相互连接组成预设形状，每个所述单细胞捕获单元包括捕获流道和旁路流道，所述捕获流道上设置有窄口，所述窄口与待捕获细胞的尺寸相匹配，每个所述单细胞捕获单元的捕获流道和旁路流道与相邻单细胞捕获单元的捕获流道和旁路流道均连通。本发明具有如下优点：单细胞捕获单元呈现网络状分布，实现捕获时的多通路结构，并具有自适应性、可提高捕获效率，同时降低器件堵塞的风险。

说明书

技术领域

本发明涉及细胞捕获技术领域，具体设计一种大规模网络阵列单细胞捕获微流控器件。

背景技术

目前，相关技术中的单细胞捕获器件通过布置大量的捕获单元在流道中，或者使用多通道并行的方式，以提高通量。当细胞悬浮液注入后，细胞以随机的方式进入设计的捕获单元，少量细胞通过窄口或流道中的凹槽被限制在流道内，而其他多数细胞随悬浮液流出出口。但是细胞在流道中能否进入捕获单元的概率呈现一种高斯分布，因此降低了此类方式的捕捉效率，需要高通量的细胞流入才能保证每个单元的细胞捕获率，另外多数器件采用了捕获单元的串行连接方式，造成了因堵塞造成器件故障、不能重复使用的风险。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种大规模网络阵列单细胞捕获微流控器件，实现捕获时的多通路结构，并具有自适应性、可提高捕获效率，同时降低器件堵塞的风险。

为了实现上述目的，本发明的实施例公开了一种大规模网络阵列单细胞捕获微流控器件，包括细胞捕获腔体，所述细胞捕获腔体上设置有流入口和流出口，所述细胞捕获腔体内设置有细胞捕获装置，所述细胞捕获装置包括多个单细胞捕获单元，所述多个单细胞捕获单元按照预设结构相互连接组成预设形状，每个所述单细胞捕获单元包括捕获流道和旁路流道，所述捕获流道上设置有窄口，所述窄口与待捕获细胞的尺寸相匹配，每个所述单细胞捕获单元的捕获流道和旁路流道与相邻单细胞捕获单元的捕获流道和旁路流道均连通。

根据本发明实施例的大规模网络阵列单细胞捕获微流控器件，单细胞捕获单元呈现网络状分布，实现捕获时的多通路结构，并具有自适应性、可提高捕获效率，同时降低器件堵塞的风险。

另外，根据本发明上述实施例的大规模网络阵列单细胞捕获微流控器件，还可以具有如下附加的技术特征：

进一步地，所述单细胞捕获单元包括一个所述捕获流道和两个所述旁路流道，两个所述旁路流道构成一个矩形结构，所述捕获流道连通所述矩形结构的一组对角。

进一步地，所述细胞捕获装置为矩阵结构，多个所述单细胞捕获单元分别设置在所述矩阵结构的不同阵元位置上。

进一步地，在所述单细胞捕获单元未捕获细胞时，所述捕获流道的体积流率大于所述旁路流道的体积流率。

进一步地，在所述流出口处设置有负压提供装置，所述负压提供装置用于在所述流入口、所述细胞捕获装置和所述流出口之间形成负压。

进一步地，所述负压提供装置包括聚乙烯管和注射器，通过抽拉所述注射器在所述流入口、所述细胞捕获装置和所述流出口之间形成负压。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1(A)是本发明一个实施例的大规模网络阵列单细胞捕获微流控器件的主视结构示意图；

图1(B)是本发明一个实施例的大规模网络阵列单细胞捕获微流控器件的侧视结构示意图；

图2是本发明一个实施例的细胞捕获装置捕获细胞的原理示意图；

图3是本发明一个实施例的理论模型构建的示意图；

图4是本发明一个实施例的单细胞捕获微流控器件捕获过程示意图；

图5是本发明一个实施例的5×5细胞捕获装置一种可能的细胞捕获顺序示意图；

图6(A)是本发明一个实施例第一特殊细胞阵列图形的捕获单元网络仿真分析图；

图6(B)是本发明一个实施例第二特殊细胞阵列图形的捕获单元网络仿真分析图；

图6(C)是图6(A)实验结果图；

图6(D)是图6(B)实验结果图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

以下结合附图描述根据本发明实施例的大规模网络阵列单细胞捕获微流控器件。

图1(A)是本发明一个实施例的大规模网络阵列单细胞捕获微流控器件的主视结构示意图，图1(B)是本发明一个实施例的大规模网络阵列单细胞捕获微流控器件的侧视结构示意图，图2是本发明一个实施例的细胞捕获装置捕获细胞的原理示意图。

如图1(A)、图1(B)和图2所示，一种大规模网络阵列单细胞捕获微流控器件，包括细胞捕获腔体101。在细胞捕获腔体下侧设置有载玻片102。细胞捕获腔体101上设置有流入口103和流出口104。细胞捕获腔体101内设置有细胞捕获装置105。细胞捕获装置105包括多个单细胞捕获单元，多个单细胞捕获单元按照预设结构相互连接组成预设形状。每个单细胞捕获单元包括捕获流道203和旁路流道202。捕获流道203上设置有窄口，窄口与待捕获细胞的尺寸相匹配。每个单细胞捕获单元的捕获流道203和旁路流道202与相邻单细胞捕获单元的捕获流道203和旁路流道202均连通。

在本发明的一个实施例中，单细胞捕获单元包括一个捕获流道203和两个旁路流道202，两个旁路流道构成一个矩形结构，捕获流道203连通矩形结构的一组对角。一般情况下，正方形结构比矩形结构具有更大的便利。特别是在捕获流道203捕获细胞后，由于采用正方形结构能够使得两个旁路流道202分担相对均衡的负压力，使得单细胞捕获单元再次遇到细胞时，通过旁路流道202均衡流向其它相邻的单细胞捕获单元。

在本发明的一个实施例中，细胞捕获装置为矩阵结构，多个单细胞捕获单元分别设置在矩阵结构的不同阵元位置上。在矩阵结构的每个阵元位置上，相对应设置的单细胞捕获单元可以根据需要设置为有或无，从而让多个被捕获的单细胞组成不同的形状，以便在培养基环境内继续生长形成不同的结构。

在本发明的一个实施例中，在单细胞捕获单元未捕获细胞时，捕获流道203的体积流率大于旁路流道202的体积流率，可以保证在捕获流道203未捕获细胞时，具有相对于旁路流道202更大的负压吸附力，从而使捕获流道203更容易捕获细胞。

在本发明的一个实施例中，在流出口处设置有负压提供装置，负压提供装置用于在流入口103、细胞捕获装置105和流出口104之间形成负压，使细胞悬浮液均匀地进入每个单细胞捕获单元提供负压吸附力。

在本发明的一个实施例中，负压提供装置包括聚乙烯管106和注射器108，通过抽注射器在流入口、细胞捕获装置和流出口之间形成负压。通过聚乙烯管106和注射器108提供负压结构简单、成本低。

在本发明的一个实施例中，细胞捕获腔体101通过在由光刻制作的SU8负光刻胶模板上均匀涂覆一层聚二甲基硅氧烷烘干后揭膜制成。

为使本领域技术人员进一步理解本发明，将通过以下实施例进行详细说明。

如图1(A)和图1(B)所示，本发明实施例的大规模网络阵列单细胞捕获微流控器件包括细胞捕获腔体101、载玻片102、流入口103、流出口104、细胞捕获装置105、聚乙烯管106、细胞悬浮液注入装置107和注射器108。用移液枪将适当稀释后的细胞悬浮液滴入流入口103，通过拉动出口所连接的注射器108对液体加负压引流，细胞随着细胞悬浮液进入细胞捕获装置105中。

如图2所示，细胞悬浮液从入口201流进，捕获网格出口204流出，每个单细胞捕获单元由捕获流道203与两个旁路流道202组成，在捕获流道内部设置有窄口，可限制细胞流出该单元。每个单细胞捕获单元在捕获细胞前，捕获流道的体积流率Q1，旁路流道的体积流率分别为Q2、Q3，在捕获后捕获流道的体积流率Q1’，旁路流道的体积流率分别为Q2’、Q3’，定义每个单元捕捉单细胞前的体积流率比rq＝Q1/max(Q2,Q3)，捕捉单细胞后的体积流率比rq’＝Q1’/max(Q2’,Q3’)。

图3是本发明一个实施例的理论模型构建的示意图。如图3所示，图示单细胞捕获单元为细胞捕获装置中任一选取的单元。沿着压强下降的方向，A为该单元的起点，B为该单元的终点，从A到B之间共有三条较小的路径可选择，分别为路径1、路径2、路径3。路径1上具有捕捉细胞的窄口，而路径2、3仅作为旁路流道。路径1的体积流率为Q₁。路径2的第一段体积流率为Q₂₁，第二段体积流率为Q₂₂，Q₂₁和Q₂₂不一定相同，其比值会随着单元位置分布以及流道中的细胞捕获状态改变。路径3的第一段体积流率为Q₃₁,第二段体积流率为Q₃₂，Q₃₁和Q₃₂不一定相同，其比值会随着单元位置分布以及流道中的细胞捕获状态改变。在路径1中，A,B两点间长度为L₁,较宽的流道部分的宽度为W₁,用于捕获细胞较窄的流道部分的长度为L_T,宽度为W₁₀。在路径2中，第一段长度为L₂₁,流道宽度为W₂,第二段流道长度为L₂₂,宽度为W₂。在路径3中，第一段长度为L₃₁,流道宽度为W₃,第二段流道长度为L₃₂,宽度为W₃。当细胞进入该单元后，会优先选择体积流率更大的流道，为使细胞优先进入捕获流道选择路径1，应使根据层流模型进行理论推导，可以得到非常简洁的理论解，即r_Q＝r_Q1(1+min(λ₂,λ₃))>1，r_Q由r_Q1,λ₂,λ₃决定，根据下列表达式可知，

r_Q1仅由流道的几何参数决定，只要保证流道的设计满足r_Q1>1的条件即可保证无论λ₂,λ₃如何随周边单元和流道内细胞捕获的状态变化，均可满足的捕获条件。即代表细胞会优先选择捕获流道，待被捕获后，Q₁减小至接近于0，不再被满足，则后续细胞会进入旁路流道，保证捕获流道中在理论上仅捕获单细胞。

图4是本发明的单细胞捕获微流控器件捕获过程示意图。如图4所示，随着细胞随细胞悬浮液依次进入流道中，细胞悬浮液从细胞捕获装置的入口流入，流经细胞捕获装置，细胞通过自适应性选择具有最小流阻的流道，并被捕获在各单细胞捕获单元特定位置处，直至所有单细胞捕获单元捕获单细胞后，多余细胞再从末端出口流出。图5为本发明一个实施例的5×5细胞捕获装置一种可能的细胞捕获顺序示意图。如图5所示，多个细胞在细胞捕获装置依次被相应的单细胞捕获单元捕获。

图6(A)为层流条件下特殊细胞阵列图形的捕获单元网络仿真分析图。图6(B)为层流条件下特殊细胞阵列图形的捕获单元网络仿真分析图。通过填充捕获流道203改变部分单元结构,则可改变单细胞阵列排列方式，形成特殊细胞阵列图形，通过仿真验证结构的变化仍能保证细胞捕获效率。图6(C)是图6(A)实验结果图，与所设计结构基本一致，但由于细胞团(注意不是单个细胞)造成的堵塞以及细胞粘附等现象，造成部分区域与设计图像存在一定差异。图6(D)是图6(B)实验结果图，与所设计结构基本一致，但少部分单元存在捕获不到单细胞的可能性，造成部分区域与设计图像存在一定差异，与A中设计相比区域堵塞以及细胞粘附等情况减少。

本发明实施例的大规模网络阵列单细胞捕获微流控器件，捕获后细胞阵列分布可实现小间距、目标细胞在原有溶液含量少的情况下也能保证高捕获率，同时有效地减缓由器件堵塞造成的器件失效和不能重复使用的情况。

另外，本发明实施例的大规模阵列单细胞捕获微流控器件的其它构成以及作用对于本领域的技术人员而言都是已知的，为了减少冗余，不做赘述。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。