基于离心力及欧拉力驱动确定性侧向位移的三维微流芯片

摘要

一种基于离心力及欧拉力驱动确定性侧向位移的三维微流芯片，包括两组以上的呈中心对称的流道，每一组流道包括全血输入的储血腔，储血腔出口和对全血进行白细胞过滤的白细胞过滤腔入口连接，白细胞过滤腔出口和将血液分离成红细胞悬液及血浆的离心腔入口连接，离心腔出口和暂时存放血浆或提供反应环境的储液腔入口连接，储液腔出口通过螺旋形流道和提供细胞筛选或层析环境的小内径流道入口连接；本发明能够仅仅控制离心系统电机运转的速度、加速度、方向就能实现液流在径向(离心力)、切向(欧拉力)、法向(重力)上的控制，既能实现非接触，也能提供较大的驱动力以及较为精确的控制。

说明书

技术领域

本发明属于微流芯片技术领域，具体涉及基于离心力及欧拉力驱动确定性侧向位移的三维微流芯片。

背景技术

目前的微流芯片中液流驱动与控制方式主要有：重力、机械力、离心力、介电力等驱动与控制方式，其中离心力驱动与控制方式可以在芯片区域形成离心力场并且实现非接触式驱动，具有驱动力高、稳定性好、对材质和芯片结构适应性强、不会对接触物体表面造成损伤和污染等特点，其在结构简单性、控制灵活性、对工作环境及多种材料适应性等方面具有独特的优势。因此利用离心力场中的离心力以及欧拉力对液流进行驱动，在集成化高、尺寸小、材料及结构复杂的微流芯片中具有巨大优势。

在离心微流芯片，如何实现微流的良好控制是微流控领域的重要方面。南京大学张显波设计有利用重力沉降作用对血浆分离的微流芯片。其芯片结构简单，并没有实质上对液流进行运动控制，分离效率较低。清华大学徐友春设计有利用离心力进行血液分离及生化检测的微流芯片，但是这种芯片为二维平面结构，并没有实现三维的也流控制。美国路易斯安娜州立大学Cai ziliang等人设计开发了利用飞球控制微阀的离心微流芯片，这种离心结构需要飞球及弹簧柱来控制微阀，且使用软弹性材料制造芯片，实现流道启闭的功能。其他的介电力机械力等方法也有驱动力小、控制结构复杂等缺点。因此，如何实现非接触式大驱动力多方向液流控制是微流控领域十分关键的课题，其在血液分析方面有重大作用。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于离心力及欧拉力驱动确定性侧向位移的三维微流芯片，既能实现非接触，也能提供较大的驱动力以及较为精确的控制。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于离心力及欧拉力驱动确定性侧向位移的三维微流芯片，包括两组以上的呈中心对称的流道，每一组流道包括全血输入的储血腔1，储血腔1出口和对全血进行白细胞过滤的白细胞过滤腔2入口连接，白细胞过滤腔2上连接有封装盖14，白细胞过滤腔2出口和将血液分离成红细胞悬液及血浆的离心腔3入口连接，离心腔3出口和暂时存放血浆或提供反应环境的储液腔4入口连接，储液腔4出口通过螺旋形流道和提供细胞筛选或层析环境的小内径流道5入口连接。

所述的储血腔1包括空心球形腔1-1，空心球形腔1-1顶部开口1-2为全血入口，空心球形腔1-1径向向外侧开口通过弧形管道1-3连接白细胞过滤腔2。

所述的白细胞过滤腔2纺锤形腔2-1，纺锤形腔2-1外壁有法兰状脊2-2，法兰状脊2-2有通孔2-3，纺锤形腔2-1法线与径向呈约45°角；与水平面呈约15°角向下放置，纺锤形腔2-1出口以长导管3-1与离心腔3连接。

所述的离心腔3为哑铃型腔，其法线与竖直线呈小角度锐角，锐角为5～15°，与径向呈约23°角放置；离心腔3能够容纳150μl至250μl的去白细胞血液进行密度梯度离心操作；离心腔3的上半部分为血浆储存腔3-2，下半部分为红细胞悬液储存腔3-3，血浆储存腔3-2通过螺旋管流道3-4与储液腔4连接。

所述的储液腔4包括球形腔4-1，球形腔4-1通过输液口4-2与外界空气相连，球形腔4-1通过小内径流道5与下一个储液腔相连。

所述的储血腔1、白细胞过滤腔2、离心腔3、储液腔4、小内径流道5均为采用光敏树脂材料3D打印SLA法制作而成。

所述的白细胞过滤腔2内设置的滤材采用二氧化硅静电纺丝材料。

一种基于离心力及欧拉力驱动确定性侧向位移的三维微流芯片的驱动及控制方法，包括以下步骤：

第一步，将全血注入到储血腔1中，运转状态为300～1000r/min的低速匀速顺时针，血液随弧形管道1-3进入白细胞过滤腔2；

第二步，在顺时针状态下，血液流经过白细胞过滤腔2中滤材，红细胞顺利通过，白细胞因其细胞直径特征及吸附特性留存在滤材中；

所述的滤材为二氧化硅静电纺丝纤维棉，采用高压直流静电纺丝制造；

第三步，去白细胞血液进入离心腔3，运转状态变化为2000～4000r/min高速匀速顺时针，血液经密度梯度离心后上下分层为上层血浆与下层红细胞悬液；

第四步，运转状态变化为逆时针，以10rad/s²以上的高加速度达到300～1000r/min低速，并以1rad/s²以下的低加速度回复为静止，不断循环；血浆进入储液腔4并与添加进来的试剂反应。

本发明的有益效果：本发明仅仅控制离心系统电机运转的速度、加速度、方向就能实现液流在径向(离心力)、切向(欧拉力)、法向(重力)上的控制，既能实现非接触，也能提供较大的驱动力以及较为精确的控制，这在微流控领域有着重要的作用。

附图说明

图1-1为本发明实施例1管式离心芯片的三维俯视图；图1-2为本发明实施例1管式离心芯片的三维透视图。

图2-1为管式离心芯片一组流道的三维透视图；图2-2为管式离心芯片一组流道的三维图。

图3为储血腔1三维图。

图4为白细胞过滤腔2三维图。

图5为离心腔三维图。

图6为储液腔4与小内径流道5三维图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细描述。

参照图1-1、图1-2、图2-1和图2-2，一种基于离心力及欧拉力驱动确定性侧向位移的三维微流芯片，包括固定在三个中心对称套筒13上的三组呈中心对称的流道，三组流道中心对称，可以使得芯片在运转时达到较好的动平衡；每一组流道包括全血输入的储血腔1，储血腔1出口和对全血进行白细胞过滤的白细胞过滤腔2入口连接，白细胞过滤腔2上连接有封装盖14，白细胞过滤腔2出口和将血液分离成红细胞悬液及血浆的离心腔3入口连接，离心腔3出口和暂时存放血浆或提供反应环境的储液腔4入口连接，储液腔4出口通过螺旋形流道和提供细胞筛选或层析环境的小内径流道5入口连接。

参照图3，所述的储血腔1包括内径约8mm、壁厚0.5～1.5mm的空心球形腔1-1，空心球形腔1-1顶部开口为全血入口，空心球形腔1-1径向向外侧开口通过曲率半径为5mm的弧形管道1-3连接白细胞过滤腔2，因运行起步阶段加速度较高，约5～10rad/s²，欧拉力较大，液流的切向流动趋势十分明显，故而使用弧形管道1-3来提高液流驱动效率。

参照图4，所述的白细胞过滤腔2包括90°开口纺锤形腔2-1，纺锤形腔2-1总长10mm，纺锤形腔2-1开口处截面内外轮廓为圆心距约0.78mm的曲率半径6mm圆弧，纺锤形结构相比球形腔能够更好地包裹并压缩静电纺丝滤材，并且在引导粘性较高的全血液流方面也效果更好；纺锤形腔2-1外壁前后各有一个270°法兰状脊2-2，法兰状脊2-2能够有效保证纺锤形腔2-1腔壁的刚性；法兰状脊2-2在90°开口处上下各有两个内径1mm通孔2-3，其目的为以M1螺丝与封装盖14连接，封装盖14上亦有内径1mm通孔；纺锤形腔2-1法线与径向呈约45°角，目的为配合欧拉力驱动方向提升液流驱动效率；与水平面呈小角度锐角，锐角为15°，向下放置，目的为配合重力作用提升驱动效率；纺锤形腔2-1出口以2.5mm长导管3-1与离心腔3连接。

参照图5，所述的离心腔3为哑铃型腔，其法线与竖直线呈30°角，与径向呈23°角放置，这样的设计一方面能更好地利用离心力的作用在径向与法向上分离血浆与红细胞悬液，另一方面也能利用欧拉力将分离后的液体保存在离心腔3中；离心腔3能够容纳150μl至250μl的去白细胞血液进行密度梯度离心操作；离心腔3的上半部分为血浆储存腔3-2，下半部分为红细胞悬液储存腔3-3，血浆储存腔3-2通过螺旋管流道3-4与储液腔4连接，螺旋管流道3-4内径2mm，曲率半径约10mm，跨越弧度95°，法线与径向呈28°角；这种流道结构设计搭配以欧拉力和重力的控制，能够将液流从上层的血液成分分离层转移到下层的储液腔4的同时，也将液流在径向上从远心端拉回近心处，这是传统离心微流芯片做不到的。

所述的储液腔4包括内径7mm球形腔4-1，球形腔4-1通过内径2mm的60°输液口4-2与外界空气相连，球形腔4-1通过内径500μm小内径流道5与下一个储液腔相连。

所述的储血腔1、白细胞过滤腔2、离心腔3、储液腔4、小内径流道5均为采用光敏树脂材料3D打印SLA法制作而成。

所述的白细胞过滤腔2内设置的滤材采用二氧化硅静电纺丝材料，与传统的非织造布白细胞滤材需要大量的滤材堆积并依靠重力进行缓慢过滤不同，这种材料可以实现多种等效孔径的过滤作用，并且能以较小的材料用量实现快速高效的白细胞过滤。

一种基于离心力及欧拉力驱动确定性侧向位移的三维微流芯片的驱动及控制方法，包括以下步骤：

第一步，将500μl全血注入到储血腔1中，运转状态为300～1000r/min的低速匀速顺时针，血液随弧形管道1-3进入白细胞过滤腔2；

第二步，在顺时针状态下，血液流经过白细胞过滤腔2中滤材，红细胞顺利通过，白细胞因其细胞直径特征及吸附特性留存在滤材中；

所述的滤材为二氧化硅静电纺丝纤维棉，采用高压直流静电纺丝制造；

第三步，去白细胞血液进入离心腔3，运转状态变化为2000～4000r/min高速匀速顺时针，血液经密度梯度离心后上下分层为上层血浆与下层红细胞悬液；

第四步，运转状态变化为逆时针，以10rad/s²以上的高加速度达到300～1000r/min低速，并以1rad/s²以下的低加速度回复为静止，不断循环；血浆进入储液腔4并与添加进来的试剂反应。

本发明设计的基于离心力及欧拉力驱动确定性侧向位移的三维微流芯片结构及微流控制方式克服了传统二维盘式芯片需要外加机械力或电场力来实现液流控制的弊端，以及打破了离心芯片液流只能由近心端向远心端流动的限制，离心力与欧拉力的共同控制、搭配合理的流道结构实现了液流的三维控制，能够适用于血液分离及检测的广泛需求。