[发明专利]一种利用振荡流和负磁泳效应汇聚微纳生物颗粒的微流控装置

说明书

本发明属于生物微流控芯片技术领域，提供了一种利用振荡流和负磁泳效应汇聚微纳生物颗粒的微流控装置，主要由微流控芯片、压力系统、控制系统I、控制系统II、永磁铁、储液池及导管构成。本发明装置可实现高效、便捷、友好的微纳生物颗粒汇聚。本发明提供的用于汇聚微纳生物颗粒的微流控装置，设计巧妙，操作简单，利用振荡流设计在较短通道中实现“无限长通道”流动，将负磁泳汇聚与和惯性汇聚有机组合，可成功实现循环肿瘤细胞、外泌体等稀有微纳生物颗粒的高效汇聚与富集，用于基础医学研究和临床检测应用。

技术领域

本发明属于生物微流控芯片技术领域，具体涉及一种利用振荡流和负磁泳效应汇聚微纳生物颗粒的微流控装置。

背景技术

微纳生物颗粒(细胞、细菌、囊泡、生物大分子等)汇聚是微流控技术领域的基础操作，是生物颗粒富集、筛选、分离过程中的关键环节，在生物、医学、化学和环境领域具有重要应用意义。以微尺度循环肿瘤细胞和纳尺度外泌体为代表的稀有生物颗粒，在癌症早期诊断、实时监测、靶向治疗及疗效评估等方面中展现出巨大潜力。这些微纳生物颗粒在血液样品中的含量极少，很难满足检测浓度要求，一直制约着基础医学研究和临床检测应用的发展。因此，亟需建立高效、便捷、友好的微纳生物颗粒汇聚与富集方法。

在微流控领域，颗粒汇聚方法一般分被动方法和主动方法两类。被动方法主要基于流体动力学效应，如流动汇聚，惯性汇聚、黏弹性汇聚等；主动方法则利用外场驱动来汇聚颗粒，如电场、声泳、光场等。这些方法可在一定条件下实现微纳颗粒汇聚，但均存在着较大缺陷。被动方法中，流动汇聚通常使用鞘流且与样品流量呈大比例，导致实际处理通量往往很小；惯性汇聚可大幅度地提高通量，但高通量导致的高水平剪切应力很可能造成生物颗粒的状态改变或活性损失，高压强条件也易破坏芯片装置。对于主动方法，一方面，外场直接作用有造成生物颗粒状态改变和活性损失的风险；另一方面，颗粒只有经受足够时间的外场力作用才能发生显著汇聚，意味着需要较长流道且流体流动速度缓慢，实际通量通常远低于被动方法。

负磁泳汇聚是近些年发展的新方法。负磁泳是指抗磁性颗粒在磁流体中受磁场力作用，产生与磁场梯度方向相反的磁浮力，推动颗粒在垂直于流体流动的方向上运动。抗磁性颗粒是磁性极弱甚至无磁性的颗粒，细胞、细菌、囊泡等生物颗粒多为抗磁性颗粒；磁流体则一般是铁磁纳米颗粒的不透明悬浮液。与传统主动方法中相比，负磁泳汇聚优势在于无需对目标颗粒进行修饰和标记，目标颗粒不受磁场直接作用，因而不存在影响生物颗粒状态和活性的风险。此外，负磁泳力与目标颗粒与周围磁流体之间的磁化强度差异正相关，差异大小可通过改变磁流体浓度来任意调节。当前，已有负磁泳汇聚方法大都采用较高浓度磁流体、较低流量，并多针对微尺度颗粒和细胞汇聚。尽管已有研究证实铁磁流体对部分细胞具有较好生物相容性，但高浓度铁磁流体的光衍射效应会导致直接观测困难，且增加后续清洗难度。同时，由于主动方法的通病，要实现外泌体等纳颗粒汇聚，需要很长的磁场作用时间，意味着需要非常长的流道和大量磁流体，这导致成本提高，一定程度上限制了实际应用。

基于此，本发明提出一种利用振荡流和负磁泳效应汇聚微纳生物颗粒的微流控装置。利用振荡流设计在较短直通道中实现“无限长通道”的较高流速流动，将负磁泳汇聚与惯性汇聚有机结合，实现高效、便捷、友好的微纳生物颗粒汇聚。

发明内容

本发明旨在提供一种可高效、友好的汇聚微纳生物颗粒的微流控装置。利用振荡流设计在较短通道中实现“无限长通道”的较高流速流动，将负磁泳汇聚与和惯性汇聚有机组合，以实现高效、便捷、友好的汇聚微纳生物颗粒之目的。

本发明中，装置由微流控芯片、压力系统、控制系统I和II、永磁铁、储液池及导管构成(图1)。相较于单一的负磁泳汇聚，本设计的通量较高且只需使用较低浓度磁流体，既可提高磁流体的可视性，又可降低后续清洗难度。相较于单一的惯性汇聚，本设计保持较低水平的剪切应力，降低了生物颗粒状态改变和活性损失的风险，也免除了微流控芯片的高强度要求。基于上述两点，本发明装置可实现高效、便捷、友好的微纳生物颗粒汇聚。

本发明的技术方案：