高通量无标记惯性微流控细胞分选技术研究

作     者：徐雪峰 

作者单位：杭州电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：黄汐威;陈世昌

授予年度：2022年

学科分类：080903[工学-微电子学与固体电子学] 0831[工学-生物医学工程（可授工学、理学、医学学位）] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：惯性微流控 螺旋管道 蛇形管道 多级管道 循环肿瘤细胞 

摘      要：细胞分选是生物医学研究中样品制备的关键技术。不管是癌症诊断,还是单细胞分析,都需要从大量细胞背景情况下分离出目标样本细胞。而分选得到的目标样本是为了后续的下游检测分析,从而实现疾病的诊断。与现阶段临床上应用的传统大体积细胞分选技术相比,基于微流控的细胞分选技术能够在微尺度上精确地操纵液体或细胞的位移,由于器件尺寸小、成本低、样品消耗少、操作精度高,在现场即时医疗检测（POCT,Point-of-care Testing）应用中具有巨大潜力。在各种微流控细胞分选技术中,惯性微流控技术又以其结构简单、高通量等优点受到了广泛关注。为了探究基于惯性微流控的高通量无标记的细胞分选技术,本文研究并设计四种不同的单级惯性微流控分选芯片,并在单级芯片的基础上设计了一种可实现高通量无标记细胞分选与聚焦的多级惯性微流控芯片。本文中,设计了截面宽度为400μm的矩形截面单螺旋管道、矩形截面双螺旋管道、梯形截面螺旋管道和三种不同截面宽度（200μm、150μm、100μm）的对称矩形截面蛇形管道。通过芯片制备和实验探究,分别得到了在矩形截面螺旋管道、梯形截面螺旋管道和对称矩形截面蛇形管道中大小粒子聚集和分离的一般模式。基于所设计的单级惯性微流控分选芯片,研制了一种多级惯性微流控分选与聚焦芯片。该多级芯片集成了三级管道的优势,第一级为梯形截面螺旋管道,其分离性能优于矩形截面螺旋管道;第二级和第三级采用不同截面宽度的对称矩形截面蛇形管道,用于样本细胞的进一步分离聚焦和降低流速。该多级管道能够在1.3m L/min的高通量流速下,实现纯度为98.10%、效率为99.36%的5μm和15μm粒子的分离。同时可以实现从大细胞背景下分离出多类肿瘤细胞（SW480、A549、Caki-1）,分离效率85%,分离纯度90%,富集倍数约为20。所设计的多级管道为后续分析检测的直接相连提供了可能性,其最终样本输出口的流速仅几十μL/min,可以在片上集成成像检测而避免流动细胞成像模糊的问题。整个工作旨在为快速医疗诊断提供一种便捷高效的样本处理和检测方法。