用于癌变细胞检测、分选的微流控技术研究
发布时间：2020-10-16 23:46
微流控芯片上的微流道尺寸特征刚好匹配于细胞大小,利于对单个细胞甚至多个细胞操作,微流控技术在细胞检测、分选研究中有着广泛的应用。本文阐述了基于微流控技术癌变细胞检测、分选的研究现状和研究意义,提出了一种将微结构过滤原理和磁分选原理相结合的研究方案。从理论分析、数值仿真、芯片制备和芯片功能性应用等方面对用于癌变细胞检测、分选的微流控技术进行了研究。本文以磁性微球为模型,对微流控芯片内的磁性微球进行详细地受力分析,并推导出磁性微球的受力方程;借助COMSOL有限元软件对磁性微球的受力方程进行求解,得到了磁性微球在微流控芯片内的运动轨迹,分析了永磁体的剩余磁通密度和微流控芯片的入口流速对磁性微球运动轨迹的影响。本文在对芯片制备时材料选取和制作工艺进行阐述的基础上,给出了芯片的制备过程;根据实验所需设备搭建了微流控实验系统,实现了对携带磁性纳米粒子的肝癌细胞(SMCC-7721)在微流控芯片内的分选,分选率约为68.3%。分析实验结果可知,携带磁性纳米粒子的SMCC-7721细胞所受合外力的大小和方向影响其在微流控芯片内的运动轨迹。
【学位单位】：长春理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：R73-3;TN492
【部分图文】：
微结构过滤筛分选，就是根据细胞间尺寸、体积的差异，依靠过滤的方法分选目标细胞。从尺寸来讲，肿瘤细胞比一般正常细胞要大、核质比高、形变性小，根尺寸的差异性在芯片上构建过滤膜或在芯片上制备出一些有过滤作用的微柱、微坝结构，使微流控芯片具有“筛子”的作用。尺寸小、形变性大的血细胞可以顺利通“筛子”流出，而尺寸较大、形变性差的肿瘤细胞则被截留下来[23,24]。微结构过滤早的就被应用于细胞分选，近期 Mohamed 等人[25]根据微结构过滤原理设计了一种流控芯片，实现了从癌症志愿患者的血液中分选出 CTCs。芯片由四组宽度不同的平流道阵列串联组成，流道间隙分别为 20um、15um、10um、5um，如图 1.1 所示，根各种细胞尺寸的不同，实现不同尺寸的细胞在各自匹配的间隙处被捕捉。经实验验证在间隙为 10um 的结构处可以捕捉到较大的神经瘤细胞，而其他尺寸较小、形变性较的血细胞则会不被阻隔的流经整个芯片，实现了从外周血中分离神经瘤细胞。实验神经母细胞瘤细胞的成功捕获，使对小儿颅外肿瘤的研究提升到了细胞水平，为小颅外肿瘤的治疗提供了新思路。后期，该研究团队还使用这种结构成功从外周血中选出了 8 种循环肿瘤细胞[26]。微结构过滤具有较高的通量，可以在短时间内处理大的待测样品，该结构符合 CTCs 分选的准则，最早最广泛应用在细胞分选领域。
后期 Huang 等人[28]又将该方法应用到了细胞分选领和白细胞的分离，白细胞的分选率约为 99.7%。Loutherback 等[分离原理设计了一种细胞分选芯片，其结构如图 1.2 所示。芯片边长为 58μm 等边三角形，三角形微米柱的间距为 42μm，整体的流向呈现 1/20 弧度角。此结构与圆形微柱相比可以更好地减道堵塞的可能性，实现了在高通量下进行细胞分选实验。利用 高通量下达到 90%的捕获率并高效地从外周血中分离 MDA-MB胞损伤小，可以作为进一步细胞分析样本。同时，Loutherback 悬液中成功分离出了 MCF-7 细胞，MCF-7 细胞重新捕获率达到较好的通量可以快速完成 CTCs 的检测，但 CTCs 捕获的纯度较特定出口处被捕获。
图 1.3 正弦型惯性聚焦分选工作原理 (a)微通道的设计图；(b)不同雷诺数下惯性聚焦的状况1.3.2 主动式分选技术主动式分选技术多依赖细胞的本身特性或者在细胞上修饰一些可操纵的特性，通过外场力对微通道中的细胞施加作用力，在外场力的作用下，改变目标细胞原来的运动轨迹实现分选。主动式分选技术优点是分选精度高、特异性强，典型的主动式分选技术有介电泳分选、磁分选和声力分选等。1. 介电泳分选介电泳法(Dielectrophoresis，DEP)，是在介电常数较低的粒子周围施加一个非均匀电场，驱动粒子移动的方法。粒子本身显电中性，在非均匀电场中，不同的微粒由于细胞尺寸和介电性质不同会发生不同程度的漂移运动，根据漂移运动的状况可以实现细胞或者其他微粒的分离。颗粒的固有性质和外加电场的情况都会对介电泳现象产生很大的影响。介电泳法是将细胞物理尺寸差异与介电性质连用的分选方法，不仅有着较高的重新捕获率，还能对目标细胞进行特异性分离有着较高的分离纯度。Hui-SungMoon 等人[33]根据介电泳原理设计了一种用于捕获 CTCs 的微流控芯片，其结构如图1.4 所示，芯片材料选取 PDMS，并在基片上制备金纳米线作为提供非均匀电场的导线。
【参考文献】
本文编号：2843949
【学位单位】：长春理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：R73-3;TN492
【部分图文】：
微结构过滤筛分选，就是根据细胞间尺寸、体积的差异，依靠过滤的方法分选目标细胞。从尺寸来讲，肿瘤细胞比一般正常细胞要大、核质比高、形变性小，根尺寸的差异性在芯片上构建过滤膜或在芯片上制备出一些有过滤作用的微柱、微坝结构，使微流控芯片具有“筛子”的作用。尺寸小、形变性大的血细胞可以顺利通“筛子”流出，而尺寸较大、形变性差的肿瘤细胞则被截留下来[23,24]。微结构过滤早的就被应用于细胞分选，近期 Mohamed 等人[25]根据微结构过滤原理设计了一种流控芯片，实现了从癌症志愿患者的血液中分选出 CTCs。芯片由四组宽度不同的平流道阵列串联组成，流道间隙分别为 20um、15um、10um、5um，如图 1.1 所示，根各种细胞尺寸的不同，实现不同尺寸的细胞在各自匹配的间隙处被捕捉。经实验验证在间隙为 10um 的结构处可以捕捉到较大的神经瘤细胞，而其他尺寸较小、形变性较的血细胞则会不被阻隔的流经整个芯片，实现了从外周血中分离神经瘤细胞。实验神经母细胞瘤细胞的成功捕获，使对小儿颅外肿瘤的研究提升到了细胞水平，为小颅外肿瘤的治疗提供了新思路。后期，该研究团队还使用这种结构成功从外周血中选出了 8 种循环肿瘤细胞[26]。微结构过滤具有较高的通量，可以在短时间内处理大的待测样品，该结构符合 CTCs 分选的准则，最早最广泛应用在细胞分选领域。
后期 Huang 等人[28]又将该方法应用到了细胞分选领和白细胞的分离，白细胞的分选率约为 99.7%。Loutherback 等[分离原理设计了一种细胞分选芯片，其结构如图 1.2 所示。芯片边长为 58μm 等边三角形，三角形微米柱的间距为 42μm，整体的流向呈现 1/20 弧度角。此结构与圆形微柱相比可以更好地减道堵塞的可能性，实现了在高通量下进行细胞分选实验。利用 高通量下达到 90%的捕获率并高效地从外周血中分离 MDA-MB胞损伤小，可以作为进一步细胞分析样本。同时，Loutherback 悬液中成功分离出了 MCF-7 细胞，MCF-7 细胞重新捕获率达到较好的通量可以快速完成 CTCs 的检测，但 CTCs 捕获的纯度较特定出口处被捕获。
图 1.3 正弦型惯性聚焦分选工作原理 (a)微通道的设计图；(b)不同雷诺数下惯性聚焦的状况1.3.2 主动式分选技术主动式分选技术多依赖细胞的本身特性或者在细胞上修饰一些可操纵的特性，通过外场力对微通道中的细胞施加作用力，在外场力的作用下，改变目标细胞原来的运动轨迹实现分选。主动式分选技术优点是分选精度高、特异性强，典型的主动式分选技术有介电泳分选、磁分选和声力分选等。1. 介电泳分选介电泳法(Dielectrophoresis，DEP)，是在介电常数较低的粒子周围施加一个非均匀电场，驱动粒子移动的方法。粒子本身显电中性，在非均匀电场中，不同的微粒由于细胞尺寸和介电性质不同会发生不同程度的漂移运动，根据漂移运动的状况可以实现细胞或者其他微粒的分离。颗粒的固有性质和外加电场的情况都会对介电泳现象产生很大的影响。介电泳法是将细胞物理尺寸差异与介电性质连用的分选方法，不仅有着较高的重新捕获率，还能对目标细胞进行特异性分离有着较高的分离纯度。Hui-SungMoon 等人[33]根据介电泳原理设计了一种用于捕获 CTCs 的微流控芯片，其结构如图1.4 所示，芯片材料选取 PDMS，并在基片上制备金纳米线作为提供非均匀电场的导线。
【参考文献】
相关期刊论文 前3条
1 李帅;刘晓强;;循环肿瘤细胞的检测[J];医学综述;2010年06期
2 黄同海;王正;李富荣;;循环肿瘤细胞检测及临床应用的研究进展[J];肿瘤;2008年05期
3 沙慧芳,江晓丰,顾伟勇,包国良,冯久贤,董强刚;肺癌患者外周血循环中癌细胞的流式细胞仪分析[J];中国肺癌杂志;2001年02期
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本文编号：2843949
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