微流控制装置的制备方法及黏弹性-惯性微流控分选装置

1.本发明涉及生物粒子分离技术领域，特别涉及一种微流控制装置的制备方法及黏弹性-惯性微流控分选装置。


背景技术：

2.如何选生物粒子(细菌、酵母菌、哺乳菌以及藻类细胞等)是生物研究中重要的一步，迫切需要以一种更简单、无创、连续的方式进行基于尺寸和形状的生物粒子分离。微流控技术具有样品体积小、成本低、高精度、高效等优点，而黏弹性-惯性微流体被认为是一种实现三维粒子分离的有效方法，它聚焦于更简单的微流体通道，而没有任何外力场或复杂的内部结构。此外，这种技术适用于相对较小的颗粒(即几纳米到亚微米)，这些颗粒在基于牛顿流体的方法中通常难以处理。粒径是黏弹性-惯性微流控分选和分离的基础，由于基于尺寸的分离是由微流控平台的几何形状决定的，但常规的黏弹性-惯性微流控装置一旦设备原型化，通道大小就很难改变，只能分选出特定尺寸的细胞。
3.传统的分离生物粒子的方法包括条纹法、微移液法、离心法和膜过滤法。条纹板法是一项古老的技术可以选择形态不同的种群。然而，藻类细胞产生类似的绿色菌落，导致菌落难以区分。虽然可以在光学显微镜下使用微型移液管提取细胞，但该过程费力且低通量。离心洗脱和膜过滤可以用于藻类脱水，但很难按大小分离细胞，而且它们需要专门和昂贵的设备。
4.研究了几种高通量、高精度、低成本的微流体分离方法。首先是惯性微流控细胞分选，主动方法将微流控流与外部应用的场相结合，例如，电或磁，因此在设备制造和外部组件方面需要更高的需求。被动方法依赖于由特定的通道设计或复杂的微观结构网络引起的微流，如确定性横向位移(dld)、水动力过滤(hdf)，上述粒子操纵方法都是在牛顿流体中进行的一些技术利用外部物理场进行生物粒子分离，如间电泳、磁泳和声泳。然而，外部物理场可能会对细胞提供额外的刺激，这些方法通常需要复杂的制造过程和庞大的实验装置。惯性微流控细胞分选通量低，可分离的生物粒子直径较大，不能满足较小的颗粒(即几纳米到亚微米)分选。黏弹性微流体被认为是一种实现三维粒子的有效方法，它聚焦于更简单的微流体通道，而没有任何外力场或复杂的内部结构，但在矩形截面管道的黏弹性微流体聚焦位置比较复杂，不利于观察，减少聚焦位置的一种简单方法是适度增加流速，使流体惯性不可忽视，并开始影响粒子的聚焦行为，这被称为黏弹性-惯性聚焦。
5.每个黏弹性-惯性微流控装置都有一定的分离阈值，该阈值主要受装置尺寸的影响。为了调整分离阈值和优化分离性能，通常需要迭代设计、制造和测试，这是耗时、劳动密集型和繁琐的。
6.传统的富集和分离方法，如离心洗脱和膜过滤，主要按大小分离细胞，它们需要专门和昂贵的设备，也需要大量的输入，不利于临床样品珍稀的现实情况。将离心洗脱结合到微流控装置，实现了一定范围直径细胞的分离，但是通量低，分离效率不高。一些具有低成本、高通量和高精度的微流控技术已经被开发出来，用于基于形状的颗粒和细胞分离。一些
技术是基于与外部应用领域的集成，如介电泳(dep)和磁电泳，但这些总是需要复杂的制造过程和庞大的外部设置，外部驱动可能对细胞造成不利影响(例如，焦耳加热的细胞损伤)。其他技术依赖于内部通道或微结构诱导的微流，如确定性横向位移(dld)、水泳和惯性聚焦，但dld以及水泳需要复杂的微观结构网络(例如，分支通道或柱阵列和沟槽阵列)，制造成本高，一般的黏弹性-惯性微流控装置一旦设备原型化，通道大小就很难改变，只能分选出特定尺寸的细胞。


技术实现要素：

7.本发明的主要目的在于提出一种微流控制装置的制备方法及黏弹性-惯性微流控分选装置，旨在实现能够聚焦具有宽尺寸分布和各种形态(如球形和纺锤形)的不同生物粒子物种，通过调节通道几何形状，实现生物粒子的分离。
8.为实现上述目的，本发明提供了一种新型的超拉伸黏弹性-惯性微流控分选装置，包括拉伸设备和可拆卸设置于所述拉伸设备上的超拉伸微流控制装置。
9.所述拉伸设备包括相连接的第一方形框架和第二方形框架，所述第一方形框架内设置有用于设置所述超拉伸微流控制装置的可调安装机构，所述第二方形框架穿设有用于调节所述可调安装机构的调节丝杆，所述调节丝杆的一端与所述可调安装机构的一端连接。
10.本发明的进一步技术方案是，所述超拉伸微流控制装置为骨形。
11.本发明的进一步技术方案是，所述超拉伸微流控制装置包括骨形管道载体和设置于所述管道载台中轴线上的微流体通道。
12.本发明的进一步技术方案是，所述骨形管道载体采用ecoflex超拉伸柔性材料制成，所述流体管道采用镓线作为牺牲材料制成。
13.本发明的进一步技术方案是，所述可调安装机构包括相对设置的第一夹具和第二夹具，所述第一夹具固定设置于所述第一方形框架的一端，所述第二夹具活动设置于所述第一方形框架内，且与所述调节丝杆连接。
14.本发明的进一步技术方案是，所述调节丝杆的另一端设置有调节旋钮。
15.为实现上述目的，本发明还提出一种超拉伸微流控制装置的制备方法，所述方法应用于如上所述的新型的超拉伸黏弹性-惯性微流控分选装置，所述方法包括以下步骤：
16.步骤s10，将液态金属镓注入软管中，把注入镓的软管进行冷冻，剥去冷冻好的软管的外皮，得到镓丝；
17.步骤s20，将未固化的ecoflex混合物倒入贴有骨头形状亚克力板的玻璃片上，固化后形成薄薄一层ecoflex基底；
18.步骤s30，将制作好的镓丝两端折起一微米竖着放在ecoflex基底上，保证竖起的两端高于亚克力板的厚度，并用未固化后的ecoflex混合物填充满亚克力板；
19.步骤s40，固化后，将镓模具在40℃的温度下熔化，用0.1mol/l的氢氧化钠溶液滴在突起的镓丝两端，随着氢氧化钠溶液不断侵入镓，通道逐渐打通，最后用充满氢氧化钠溶液的注射器对准通道一端注入溶液冲洗管道内剩余的镓，冲洗干净后得到完整的超拉伸微流控制装置。
20.本发明微流控制装置的制备方法及黏弹性-惯性微流控分选装置的有益效果是：
本发明利用金属镓的相变特性，使用lm(镓)线作为牺牲材料，创建三维微流体通道，利用ecoflex超拉伸特性制造管道载体，实现此黏弹性-惯性微流控装置的超拉伸性能，为黏弹性-惯性微流控装置带来了灵活性和可拉伸性，为通道几何形状的大范围调制开辟了新的可能性。这种超拉伸黏弹性-惯性微流控装置能够聚焦具有宽尺寸分布和各种形态(如球形和纺锤形)的不同生物粒子物种，通过调节通道几何形状，实现生物粒子的分离，实现了一个管道满足大范围直径和不同形状的生物粒子分选。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
22.图1是本发明超拉伸黏弹性-惯性微流控分选装置较佳实施例的整体结构示意图；
23.图2是拉伸设备的结构示意图；
24.图3是超拉伸微流控制装置的结构示意图；
25.图4是本发明超拉伸微流控制装置的制备方法的流程示意图；
26.图5是超拉伸微流控制装置拉伸前后的对比示意图；
27.图6是使用超拉伸黏弹性-惯性微流控分选装置成功分选和富集的雨生红球藻示例图。
28.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
29.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.请参照图1至图3，本发明提出一种新型的超拉伸黏弹性-惯性微流控分选装置，本发明利用金属镓的相变特性，使用lm(镓)线作为牺牲材料，创建三维微流体通道202，利用ecoflex超拉伸特性制造管道载体201，实现此黏弹性-惯性微流控装置的超拉伸性能，为黏弹性-惯性微流控装置带来了灵活性和可拉伸性，为通道几何形状的大范围调制开辟了新的可能性。这种超拉伸黏弹性-惯性微流控装置能够聚焦具有宽尺寸分布和各种形态(如球形和纺锤形)的不同生物粒子物种，通过调节通道几何形状，实现生物粒子的分离。
31.具体地，本发明新型的超拉伸黏弹性-惯性微流控分选装置较佳实施例包括拉伸设备10和可拆卸设置于所述拉伸设备10上的超拉伸微流控制装置20。
32.所述拉伸设备10包括相连接的第一方形框架101和第二方形框架102，所述第一方形框架101内设置有用于设置所述超拉伸微流控制装置20的可调安装机构，所述第二方形框架102穿设有用于调节所述可调安装机构的调节丝杆105，所述调节丝杆105的一端与所述可调安装机构的一端连接。
33.具体地，本实施例中，所述超拉伸微流控制装置20为骨形。
34.更为具体地，本实施例中，所述超拉伸微流控制装置20包括骨形管道载体201和设置于所述管道载台中轴线上的微流体通道202。
35.当通过旋转所述调节丝杆105拉长所述安装机构的长度时，所述骨形管道内的流体通道的几何形状同时发生变化，由此通过调节微流体通道202几何形状，实现生物粒子的分离。
36.所述可调安装机构包括相对设置的第一夹具103和第二夹具104，所述第一夹具103固定设置于所述第一方形框架101的一端，所述第二夹具104活动设置于所述第一方形框架101内，且与所述调节丝杆105连接。
37.本实施例中，所述超拉伸微流控制装置20的一端与所述第一夹具103连接，另一端与所述第二夹具104连接，当旋转所述调节丝杆105使得所述第二夹具104远离所述第一夹具103运动时，所述第一夹具103和所述第二夹具104之间的距离增大，进而使得所述流体通道的几何形状发生变化，由此通过调节微流体通道202几何形状，实现生物粒子的分离。
38.进一步地，本实施例中，所述骨形管道载体201采用ecoflex超拉伸柔性材料制成，所述流体管道采用镓线作为牺牲材料制成。
39.本发明采用lm(镓)线作为牺牲材料，创建三维微流体通道202，使用超拉伸材料ecoflex制作微流控装置，通过拉伸手段改变管道直径(拉伸应变可达500％以上)以此来适应不同直径不同形态的细胞聚焦，同时焊接改变镓丝形状制造不同的微流控装置来达到分选以及富集细胞的目的。
40.值得提出的是，本实施例中，该ecoflex超拉伸柔性材料也可以采用水凝胶等具有类似功能的材料替代，本发明对此不作限定。
41.进一步地，本实施例中，所述调节丝杆105的另一端设置有调节旋钮106。本实施例通过在所述调节丝杆105的另一端设置所述调节旋钮106，便于用户操作。
42.本发明新型的超拉伸黏弹性-惯性微流控分选装置的有益效果是：本发明通过上述技术方案，包括拉伸设备和可拆卸设置于所述拉伸设备上的超拉伸微流控制装置；所述拉伸设备包括相连接的第一方形框架和第二方形框架，所述第一方形框架内设置有用于设置所述超拉伸微流控制装置的可调安装机构，所述第二方形框架穿设有用于调节所述可调安装机构的调节丝杆，所述调节丝杆的一端与所述可调安装机构的一端连接，利用金属镓的相变特性，使用lm(镓)线作为牺牲材料，创建三维微流体通道，利用ecoflex超拉伸特性制造管道载体，实现此黏弹性-惯性微流控装置的超拉伸性能，为黏弹性-惯性微流控装置带来了灵活性和可拉伸性，为通道几何形状的大范围调制开辟了新的可能性。这种超拉伸黏弹性-惯性微流控装置能够聚焦具有宽尺寸分布和各种形态(如球形和纺锤形)的不同生物粒子物种，通过调节通道几何形状，实现生物粒子的分离，实现了一个管道满足大范围直径和不同形状的生物粒子分选；另外，本发明结构简单，操作方便。
43.为实现上述目的，本发明还提出一种超拉伸微流控制装置的制备方法，所述方法应用于如上所述的新型的超拉伸黏弹性-惯性微流控分选装置，如图4所示，所述方法包括以下步骤：
44.步骤s10，将液态金属镓注入软管中，把注入镓的软管进行冷冻，剥去冷冻好的软管的外皮，得到镓丝。
45.具体地，本实施例先将液态的金属镓注入软管中，把注入镓的软管进行冷冻，用手
术刀将冷冻好的软管外皮剥去，得到直径为100μm或300μm的镓丝(直径取决于软管直径)。
46.步骤s20，将未固化的ecoflex混合物(ecoflex 00-31倒入贴有骨头形状亚克力板的玻璃片上，固化后形成薄薄一层ecoflex基底。
47.步骤s30，将制作好的镓丝两端折起一微米竖着放在ecoflex基底上，保证竖起的两端高于亚克力板的厚度，并用未固化后的ecoflex混合物填充满亚克力板。
48.步骤s40，固化后，将镓模具在40℃的温度下熔化，用0.1mol/l的氢氧化钠溶液滴在突起的镓丝两端，随着氢氧化钠溶液不断侵入镓，通道逐渐打通，最后用充满氢氧化钠溶液的注射器对准通道一端注入溶液冲洗管道内剩余的镓，冲洗干净后得到完整的超拉伸微流控制装置。该通道的总长度为28毫米。
49.如图5所示，图5描绘了超拉伸微流控制装置拉伸前后的对比示意图。该微流控装置(芯片)被安装在一个定制的拉伸设备上。将芯片两端固定在拉伸设备上以后，旋转旋钮就可以实现设备带动芯片拉伸，从而改变芯片管道长度。为完成生物粒子的分选，首先使用注射泵将颗粒或细胞悬液引入超拉伸黏弹性-惯性微流控装置，以保持一个1-600μl/min之间的固定流量。然后，将整个装置放置在倒置显微镜的平台上，以监测和记录样品在微通道内的流动，通过拉伸设备实现大范围拉伸微流控芯片(最大可实现500％拉伸量)，改变微流控管道直径，就可以实现调节大范围聚焦细胞。
50.以下结合图6对本发明超拉伸微流控制装置的实验过程和效果进行阐述。
51.图6是使用该超拉伸黏弹性-惯性微流控装置成功分选和富集的雨生红球藻示例图。
52.由于雨生红球藻细胞的迁移可以通过ecoflex通道的延伸来调节，我们基于ecoflex伸长实现无鞘、无标记、连续分离或富集雨生红球藻细胞。随着ecoflex通道的持续伸长，在ecoflex应变为100％时，大细胞容易向通道中心线迁移，从中间出口1(o1’)流出，而小细胞容易从侧出口2(o2’)流出。我们把这种模式称为分选模式；随着进一步的延伸(～200％)，小细胞和大细胞都容易向通道的中心线迁移，并从中间出口1(o1”)流出，这是富集模式，能得到浓度较大的雨生红球藻细胞。
53.本发明超拉伸微流控制装置的制备方法的有益效果是：本发明通过上述技术方案制得的超拉伸微流控制装置，利用金属镓的相变特性，使用lm(镓)线作为牺牲材料，创建三维微流体通道，利用ecoflex超拉伸特性制造管道载体，实现此黏弹性-惯性微流控装置的超拉伸性能，为黏弹性-惯性微流控装置带来了灵活性和可拉伸性，为通道几何形状的大范围调制开辟了新的可能性。这种超拉伸黏弹性-惯性微流控装置能够聚焦具有宽尺寸分布和各种形态(如球形和纺锤形)的不同生物粒子物种，通过调节通道几何形状，实现生物粒子的分离，实现了一个管道满足大范围直径和不同形状的生物粒子分选。
54.以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

技术特征：
1.一种新型的超拉伸黏弹性-惯性微流控分选装置，其特征在于，包括拉伸设备和可拆卸设置于所述拉伸设备上的超拉伸微流控制装置；所述拉伸设备包括相连接的第一方形框架和第二方形框架，所述第一方形框架内设置有用于设置所述超拉伸微流控制装置的可调安装机构，所述第二方形框架穿设有用于调节所述可调安装机构的调节丝杆，所述调节丝杆的一端与所述可调安装机构的一端连接。2.根据权利要求1所述的新型的超拉伸黏弹性-惯性微流控分选装置，其特征在于，所述超拉伸微流控制装置为骨形。3.根据权利要求2所述的新型的超拉伸黏弹性-惯性微流控分选装置，其特征在于，所述超拉伸微流控制装置包括骨形管道载体和设置于所述管道载台中轴线上的微流体通道。4.根据权利要求3所述的新型的超拉伸黏弹性-惯性微流控分选装置，其特征在于，所述骨形管道载体采用ecoflex超拉伸柔性材料制成，所述流体管道采用镓线作为牺牲材料制成。5.根据权利要求4所述的新型的超拉伸黏弹性-惯性微流控分选装置，其特征在于，所述可调安装机构包括相对设置的第一夹具和第二夹具，所述第一夹具固定设置于所述第一方形框架的一端，所述第二夹具活动设置于所述第一方形框架内，且与所述调节丝杆连接。6.根据权利要求1至5任意一项所述的新型的超拉伸黏弹性-惯性微流控分选装置，其特征在于，所述调节丝杆的另一端设置有调节旋钮。7.一种超拉伸微流控制装置的制备方法，其特征在于，所述方法应用于如权利要求1至6任意一项所述的新型的超拉伸黏弹性-惯性微流控分选装置，所述方法包括以下步骤：步骤s10，将液态金属镓注入软管中，把注入镓的软管进行冷冻，剥去冷冻好的软管的外皮，得到镓丝；步骤s20，将未固化的ecoflex混合物倒入贴有骨头形状亚克力板的玻璃片上，固化后形成薄薄一层ecoflex基底；步骤s30，将制作好的镓丝两端折起一微米竖着放在ecoflex基底上，保证竖起的两端高于亚克力板的厚度，并用未固化后的ecoflex混合物填充满亚克力板；步骤s40，固化后，将镓模具在40℃的温度下熔化，用0.1mol/l的氢氧化钠溶液滴在突起的镓丝两端，随着氢氧化钠溶液不断侵入镓，通道逐渐打通，最后用充满氢氧化钠溶液的注射器对准通道一端注入溶液冲洗管道内剩余的镓，冲洗干净后得到完整的超拉伸微流控制装置。

技术总结
本发明公开了一种微流控制装置的制备方法及黏弹性-惯性微流控分选装置，该装置包括拉伸设备和可拆卸设置于所述拉伸设备上的超拉伸微流控制装置；所述拉伸设备包括相连接的第一方形框架和第二方形框架，所述第一方形框架内设置有用于设置所述超拉伸微流控制装置的可调安装机构，所述第二方形框架穿设有用于调节所述可调安装机构的调节丝杆，所述调节丝杆的一端与所述可调安装机构的一端连接。本发明能够聚焦具有宽尺寸分布和各种形态(如球形和纺锤形)的不同生物粒子物种，通过调节通道几何形状，实现生物粒子的分离，实现了一个管道满足大范围直径和不同形状的生物粒子分选。道满足大范围直径和不同形状的生物粒子分选。道满足大范围直径和不同形状的生物粒子分选。


技术研发人员：闫昇 贾紫萱 袁庆伟 刘勇
受保护的技术使用者：深圳大学
技术研发日：2023.06.27
技术公布日：2023/9/6