基于微流控芯片的细胞操控技术研究

发布时间：2020-07-25 11:50

【摘要】：细胞捕获和分选是指从非均一的细胞群体中固定、收集指定特征细胞的技术,如从外周血中捕获循环肿瘤细胞,是细胞操控研究中重要的两个部分。从成分不均一的各种细胞生物液中捕获分离目标细胞是一种重要的工程技术,无论在科学研究领域还是在实际临床应用中都具有重要的意义。目前,传统的细胞操控方式,如光镊技术、显微技术,虽能精准操控单个细胞,甚至更为微小的细胞器,但存在对设备依赖性强、操作效率低、有创操作等诸多问题,在高通量、高效率等场合下难以胜任。与传统的细胞操控方式相比,微流控技术具有成本低廉、耗样量低、分析速度快、灵敏度高、通量高等优势,可以弥补传统的细胞操控方式的不足。然而,现有的多种基于微流控芯片进行细胞捕获、分选的方案都存在着不足,如芯片加工难度大,分选效率低等。本论文针对现有方法的不足,设计四种基于坝原理结构进行细胞捕获、分选研究,其中四种结构分别是横条型结构、圆弧型结构、三角型结构和又指型结构。通过FLUENT对四种结构以及现有的U型结构进行计算机数值模拟,比较五种结构的流场分布,理论分析细胞捕获过程,并通过实验进行验证,分析评价五种结构的捕获效率。其中不管是细胞捕获容量还是细胞存储稳定性,叉指型结构都占有优势。叉指型结构的主要优点在于在不增加芯片的宽度的前提下,充分利用芯片的长度来增加捕获容量,且能解决U型等常规阵列结构微结构的堵塞问题,同时,可通过多芯片级联方式进行细胞分选。论文的具体研究内容为：①芯片结构设计及计算机仿真设计四种基于坝原理结构用于细胞捕获、分选研究,并通过FLUENT仿真软件对四种结构以及现有的U型结构进行计算机数值模拟,研究芯片内压强、速度分布情况,根据芯片流场分布调整结构设计参数,优化结构,寻求最优的细胞捕获、分选结构,并根据仿真结果进行理论分析细胞操控过程,其中叉指型结构在弯折深处存在一段盲区,流速较慢,利于细胞捕获和储存。②微流控芯片制备分析对比现有的几种常用加工工艺的优缺点,选择适用于本论文芯片加工的方案。芯片制备流程主要包括模具制作、PDMS注塑和芯片键合。模具选用硅片为基板,涂覆SU-8负胶,采用光刻法制备。由于结构中存在两种高度,模具加工方式有别于单一高度的芯片,需进行两次掩膜、两次曝光和一次显影。本论文起初采用常规加工思路,但因对齐问题加工效果不佳,后在常规加工思路的基础上进行改进,提出更为高效的模具加工方案。并在模具上涂覆PDMS采用注塑法制备芯片,再通过氧等离子处理方式与玻璃进行键合,最后验证芯片的成效性。③细胞操控研究利用五种结构芯片进行细胞操控研究,细胞操控主要包括细胞的捕获和分选,比较五种结构的捕获效果,统计捕获效率,其中叉指型结构捕获容量最大,且漏捕率最低。并在红细胞中参入K562细胞模拟外周血循环肿瘤细胞的循环流动效果,通过叉指型结构进行混合液中K562细胞捕获,研究叉指型结构在细胞分选中的应用。细胞分选实验主要包括正常人血中红、白细胞的分离以及红、K562癌细胞的分离。实验结果：通入50u1稀释后全血,红细胞密度为2×105个/ml,共捕获到8个白细胞,红白细胞的比例为1250：1,在正常成年人红白细胞比例范围之内(380：1-1375：1)。K562细胞、红细胞混合液中K562细胞密度约2×103个/ml,红细胞密度约2×105个/ml,通入50u1的细胞悬浮液(约有100个K562细胞),共捕获96个K562细胞。实验结果表明叉指型结构具有强捕获能力和高捕获效率。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：Q813

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