微流控芯片上的微流道尺寸特征剛好匹配于細(xì)胞大小,利于對單個細(xì)胞甚至多個細(xì)胞操作,微流控技術(shù)在細(xì)胞檢測、分選研究中有著廣泛的應(yīng)用。本文闡述了基于微流控技術(shù)癌變細(xì)胞檢測、分選的研究現(xiàn)狀和研究意義,提出了一種將微結(jié)構(gòu)過濾原理和磁分選原理相結(jié)合的研究方案。從理論分析、數(shù)值仿真、芯片制備和芯片功能性應(yīng)用等方面對用于癌變細(xì)胞檢測、分選的微流控技術(shù)進(jìn)行了研究。本文以磁性微球為模型,對微流控芯片內(nèi)的磁性微球進(jìn)行詳細(xì)地受力分析,并推導(dǎo)出磁性微球的受力方程;借助COMSOL有限元軟件對磁性微球的受力方程進(jìn)行求解,得到了磁性微球在微流控芯片內(nèi)的運動軌跡,分析了永磁體的剩余磁通密度和微流控芯片的入口流速對磁性微球運動軌跡的影響。本文在對芯片制備時材料選取和制作工藝進(jìn)行闡述的基礎(chǔ)上,給出了芯片的制備過程;根據(jù)實驗所需設(shè)備搭建了微流控實驗系統(tǒng),實現(xiàn)了對攜帶磁性納米粒子的肝癌細(xì)胞(SMCC-7721)在微流控芯片內(nèi)的分選,分選率約為68.3%。分析實驗結(jié)果可知,攜帶磁性納米粒子的SMCC-7721細(xì)胞所受合外力的大小和方向影響其在微流控芯片內(nèi)的運動軌跡。
【學(xué)位單位】：長春理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：R73-3;TN492
【部分圖文】：

微結(jié)構(gòu)過濾篩分選，就是根據(jù)細(xì)胞間尺寸、體積的差異，依靠過濾的方法分選目標(biāo)細(xì)胞。從尺寸來講，腫瘤細(xì)胞比一般正常細(xì)胞要大、核質(zhì)比高、形變性小，根尺寸的差異性在芯片上構(gòu)建過濾膜或在芯片上制備出一些有過濾作用的微柱、微壩結(jié)構(gòu)，使微流控芯片具有“篩子”的作用。尺寸小、形變性大的血細(xì)胞可以順利通“篩子”流出，而尺寸較大、形變性差的腫瘤細(xì)胞則被截留下來[23,24]。微結(jié)構(gòu)過濾早的就被應(yīng)用于細(xì)胞分選，近期 Mohamed 等人[25]根據(jù)微結(jié)構(gòu)過濾原理設(shè)計了一種流控芯片，實現(xiàn)了從癌癥志愿患者的血液中分選出 CTCs。芯片由四組寬度不同的平流道陣列串聯(lián)組成，流道間隙分別為 20um、15um、10um、5um，如圖 1.1 所示，根各種細(xì)胞尺寸的不同，實現(xiàn)不同尺寸的細(xì)胞在各自匹配的間隙處被捕捉。經(jīng)實驗驗證在間隙為 10um 的結(jié)構(gòu)處可以捕捉到較大的神經(jīng)瘤細(xì)胞，而其他尺寸較小、形變性較的血細(xì)胞則會不被阻隔的流經(jīng)整個芯片，實現(xiàn)了從外周血中分離神經(jīng)瘤細(xì)胞。實驗神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞的成功捕獲，使對小兒顱外腫瘤的研究提升到了細(xì)胞水平，為小顱外腫瘤的治療提供了新思路。后期，該研究團(tuán)隊還使用這種結(jié)構(gòu)成功從外周血中選出了 8 種循環(huán)腫瘤細(xì)胞[26]。微結(jié)構(gòu)過濾具有較高的通量，可以在短時間內(nèi)處理大的待測樣品，該結(jié)構(gòu)符合 CTCs 分選的準(zhǔn)則，最早最廣泛應(yīng)用在細(xì)胞分選領(lǐng)域。

后期 Huang 等人[28]又將該方法應(yīng)用到了細(xì)胞分選領(lǐng)和白細(xì)胞的分離，白細(xì)胞的分選率約為 99.7%。Loutherback 等[分離原理設(shè)計了一種細(xì)胞分選芯片，其結(jié)構(gòu)如圖 1.2 所示。芯片邊長為 58μm 等邊三角形，三角形微米柱的間距為 42μm，整體的流向呈現(xiàn) 1/20 弧度角。此結(jié)構(gòu)與圓形微柱相比可以更好地減道堵塞的可能性，實現(xiàn)了在高通量下進(jìn)行細(xì)胞分選實驗。利用 高通量下達(dá)到 90%的捕獲率并高效地從外周血中分離 MDA-MB胞損傷小，可以作為進(jìn)一步細(xì)胞分析樣本。同時，Loutherback 懸液中成功分離出了 MCF-7 細(xì)胞，MCF-7 細(xì)胞重新捕獲率達(dá)到較好的通量可以快速完成 CTCs 的檢測，但 CTCs 捕獲的純度較特定出口處被捕獲。

圖 1.3 正弦型慣性聚焦分選工作原理 (a)微通道的設(shè)計圖；(b)不同雷諾數(shù)下慣性聚焦的狀況1.3.2 主動式分選技術(shù)主動式分選技術(shù)多依賴細(xì)胞的本身特性或者在細(xì)胞上修飾一些可操縱的特性，通過外場力對微通道中的細(xì)胞施加作用力，在外場力的作用下，改變目標(biāo)細(xì)胞原來的運動軌跡實現(xiàn)分選。主動式分選技術(shù)優(yōu)點是分選精度高、特異性強(qiáng)，典型的主動式分選技術(shù)有介電泳分選、磁分選和聲力分選等。1. 介電泳分選介電泳法(Dielectrophoresis，DEP)，是在介電常數(shù)較低的粒子周圍施加一個非均勻電場，驅(qū)動粒子移動的方法。粒子本身顯電中性，在非均勻電場中，不同的微粒由于細(xì)胞尺寸和介電性質(zhì)不同會發(fā)生不同程度的漂移運動，根據(jù)漂移運動的狀況可以實現(xiàn)細(xì)胞或者其他微粒的分離。顆粒的固有性質(zhì)和外加電場的情況都會對介電泳現(xiàn)象產(chǎn)生很大的影響。介電泳法是將細(xì)胞物理尺寸差異與介電性質(zhì)連用的分選方法，不僅有著較高的重新捕獲率，還能對目標(biāo)細(xì)胞進(jìn)行特異性分離有著較高的分離純度。Hui-SungMoon 等人[33]根據(jù)介電泳原理設(shè)計了一種用于捕獲 CTCs 的微流控芯片，其結(jié)構(gòu)如圖1.4 所示，芯片材料選取 PDMS，并在基片上制備金納米線作為提供非均勻電場的導(dǎo)線。
【參考文獻(xiàn)】

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2 黃同海;王正;李富榮;;循環(huán)腫瘤細(xì)胞檢測及臨床應(yīng)用的研究進(jìn)展[J];腫瘤;2008年05期

3 沙慧芳,江曉豐,顧偉勇,包國良,馮久賢,董強(qiáng)剛;肺癌患者外周血循環(huán)中癌細(xì)胞的流式細(xì)胞儀分析[J];中國肺癌雜志;2001年02期

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本文編號：2843949