单细胞捕获微流控芯片的结构设计及其流场研究

作     者：苏达 

作者单位：东北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘坤

授予年度：2015年

学科分类：080903[工学-微电子学与固体电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：微流控芯片 单细胞捕获 结构设计 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。