[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

说明书

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，属于细胞生物学及微流控芯片领域。该微流控芯片包括细胞悬浮液入口、细胞悬浮液出口和多排单细胞捕获阵列单元；多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和一个细胞悬浮液出口；每排单元由单细胞捕获通道阵列、阻力通道和出口通道组成。捕获通道中的流量大于阻力通道中的流量，使得细胞被确定性地捕获在捕获通道入口处。由于每排单元间紧密排列，捕获通道也成阵列排布，故实现在一个显微镜视野下高通量捕获单细胞。阻力通道的长度为捕获通道阵列长度的100倍以上，使得各个被捕获单细胞受到近似一致的压差作用，因此可分析不同单细胞在此相同力学刺激下不同的力学特性。

技术领域

本发明属于细胞生物学及微流控芯片领域，具体涉及一种利用流体力学原理实现单细胞捕获并研究其力学特性的微流控芯片装置。

背景技术

细胞是生命的基本单元，其结构和物理特性等方面的任何偏差都可能逐渐破坏细胞结构的完整性，甚至影响到细胞的生物学功能，因此，对细胞力学特性的定量研究十分必要。

以往的细胞力学特性研究大多以细胞群落作为研究对象，最终得到特征参量的平均值。但是个体细胞间具有差异性，即便是相同种类的细胞，每个细胞的特性也都有很大不同。因此，要想获取更精确的细胞力学特征信息，就需要设计和构建行之有效的单细胞力学特性分析实验平台。

微流控技术使得创造一种与细胞尺寸相匹配并能整合细胞处理和流体操作等的研究工具成为可能。

已有的微流控单细胞捕获装置中，一些装置未能实现在一个显微镜视野下将细胞捕获点高度阵列化，故无法同时观察众多单细胞在被捕获后同步的动态响应，限制了其在单细胞动力学研究中的效能。另一些实现了上述高度阵列化的微腔室捕获阵列，依赖于细胞落入微腔室的概率，有一定随机性，未能实现确定性地捕获细胞，而且微腔室无法对捕获后的细胞加载力学刺激。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明设计一种微流控通道回路结构，一方面可在一个较小的显微镜视野下捕获并观察上百个细胞，另一方面在每个捕获点确定性地捕获细胞，并对这些细胞加载一致的力学刺激进而分析单细胞力学特性。

本发明的技术方案：

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，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。

进一步的，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，