[发明专利]一种实现高通量单细胞捕获与力学特性分析的微流控芯片

权利要求书

1.一种实现高通量单细胞捕获与力学特性分析的微流控芯片，其特征在于，该微流控芯片包括细胞悬浮液入口(1)、细胞悬浮液出口(2)和k排单细胞捕获阵列单元；k排单细胞捕获阵列单元并联设置，且共用一个细胞悬浮液入口(1)和一个细胞悬浮液出口(2)；

每排单细胞捕获阵列单元包括主通道、单细胞捕获通道阵列、捕获通道、阻力通道和出口通道；主通道的下方设有单细胞捕获通道阵列，单细胞捕获通道阵列由紧密并排的凸块组成，凸块在高度方向上的横截面尺寸一致，且下部呈方形，上部呈尖形；相邻凸块的下部平面之间形成捕获通道，捕获通道共n个；主通道的一端与细胞悬浮液入口(1)相连，另一端串联阻力通道，阻力通道迂回一周，确保出口与入口相平行，且出口与出口通道相连；捕获通道的入口与主通道相通，捕获通道的出口与出口通道相通，出口通道接收来自于捕获通道和阻力通道的细胞悬浮液，出口通道与细胞悬浮液出口(2)相连，用于输出细胞悬浮液；

所述主通道的高度、宽度需大于细胞直径，避免主通道的堵塞；且捕获通道的高度应小于主通道的高度；

所述捕获通道的流量大于阻力通道的流量，则细胞悬浮液优先通过上游的捕获通道，捕获通道的横截面积小于细胞的有效横截面积，细胞悬浮液中的细胞优先被捕获在捕获通道的入口处，而不是流向下游的阻力通道；直至所有捕获通道被细胞堵塞，从而实现确定性细胞抓捕。

2.根据权利要求1所述的一种实现高通量单细胞捕获与力学特性分析的微流控芯片，其特征在于，通过设定阻力通道和捕获通道的长度、宽度和高度，来控制阻力通道的流阻大于捕获通道的流阻，实现捕获通道的流量大于阻力通道流量，具体设置如下：

(1)设每排单细胞捕获阵列单元的总流量为Q₀，

Q₀＝Q₁+Q₂+Q₃+...+Q_n+Q_m (1)

其中，Q₁至Q_n为流经第1个捕获通道至第n个捕获通道的流量，Q_m为流经阻力通道的流量，要求Q₁,Q₂,...,Q_n>Q_m；

(2)在流体通道中，有

其中，Δp表示通道两端的水压降，R表示通道流阻；

(3)基于Darcy-Weisbach公式，通道流阻R表示为：

其中，L是捕获通道或阻力通道的长度，，η为流体粘度，A为通道横截面积，P为横截面周长；通过选取捕获通道长度L₀、宽度W₀、高度H₀和阻力通道长度L_m、宽度W_m、高度H_m，使R₁,R₂,...,R_n<R_m从而实现Q₁,Q₂,...,Q_n>Q_m；捕获通道的宽度W₀、高度H₀都应小于细胞被捕获所需的有效直径；

(4)当n个捕获通道均被细胞悬浮液中的细胞堵塞时，之后的细胞悬浮液全部流向阻力通道，基于Darcy-Weisbach公式，计算出堵塞在每一个捕获通道入口处的细胞所承受的流体压差：

其中，L_i是2倍第i个捕获通道入口至捕获阵列末端的距离与阻力通道长度L_m之和；α为纵横比，即通道的高比宽或者宽比高，满足0≤α≤1，C(α)＝96(1-1.3553α+1.9467α²-1.7012α³+0.9564α⁴-0.2537α⁵)；

由(4)式可知，不同捕获通道处细胞所受的压差不同，该差异取决于L_i，且最上游被捕获细胞所受压差与最下游被捕获细胞所受压差之间相差最大；要使捕获通道阵列中各细胞所受压差相差尽量小，那么Δp₁与Δp_n之间的相对差别应尽量小；

其中，L_T为捕获通道阵列长度；使100L_T≤L_m，则Δp₁与Δp_n之间的相对差异在2％以下，故近似认为捕获通道阵列中各细胞所受压差一致；

在各细胞所受压差一致的作用下，通过显微镜观察细胞在捕获通道内伸出的长度L_p，来分析不同细胞在相同压差作用下不同的力学特性响应。

3.根据权利要求1或2所述的一种实现高通量单细胞捕获与力学特性分析的微流控芯片，其特征在于，所述凸块的上部斜面之间的区域设置为梯形，用于连接捕获通道的入口，确保各捕获的单细胞不相互影响，防止单细胞被主通道的液体冲走，减少周围细胞悬浮液的剪切力对单细胞的影响。