聚合物薄膜惯性微流控芯片研制及直流道内粒子聚焦特性

提出一种低成本、可一次性使用的聚合物薄膜惯性微流控芯片,并探索了样品输入流量、粒子尺寸及流道截面尺寸对直流道内粒子惯性聚焦效果的影响机制.该聚合物薄膜芯片采用激光切割和热塑封的新型工艺实现快速、批量化制造.随着样品输入流量的增加,粒子聚焦效果逐渐优化,并在达到峰值后,随流量进一步增加而下滑;不同尺寸粒子在相同结构流道内的表现差异显著,粒子直径越大,其在惯性直流道内的聚焦效果越好;不同流道截面宽度的实验结果显示,截面宽度较小的流道结构更利于实现粒子的聚焦.研制的新型直流道聚合物薄膜惯性微流控芯片具有实现细胞等生物医学样品高效预处理的应用前景.

基于惯性微流原理的微流控芯片用于血浆分离

血浆是临床生化检验中一类广泛使用的样品,从全血中分离血浆是生命医学研究领域中一项非常重要的技术.惯性微流(inertial microfluidics)原理的主要特点是无需施加任何外力如电磁力等,仅依靠液体流动就可以在微通道内实现一定尺寸的微粒或细胞的聚焦流动.本研究基于惯性微流原理,设计并制备了具有不对称弯管结构通道的微流控芯片.采用制备的荧光微球作为模型样品考察了装置的性能,发现尺寸越大的微球保持惯性聚集流动的流速范围也越大.在此基础上,利用发展的芯片平台成功实现从稀释的血液样品中将血浆分离.使用芯片对样品进行两次分离,即二级分离后,血液中血红细胞的分离效率超过90%.该装置具有结构简单、体积小巧、操作方便等特点,不仅可以快速分离血浆,而且对血细胞基本无损,易于作为功能模块与现有的一些芯片实验室(lab on a chip,LOC)系统集成结合.

微通道中弹性颗粒所受惯性升力特性的数值研究

建立一个简单模型以描述球状颗粒弹性变形特征,并根据'运动相对性原理',提出一种描述弹性颗粒准定常运动的数值计算方法,据此研究在方形截面微通道层流场中,弹性球状颗粒所受惯性升力的空间分布特征,揭示了颗粒的弹性变形对惯性升力的影响特点。研究结果表明:弹性颗粒在低Re数通道内运动时,仍存在稳定的横向聚集位置。与对应刚性颗粒相比,弹性颗粒的聚集位置更靠近通道中心,且随颗粒弹性的增加,其聚集位置会向通道中心偏移;弹性颗粒所受惯性升力的空间分布特征与刚性颗粒相似,但颗粒弹性变形会额外产生一个附加升力。这个附加升力的方向始终指向通道中心且随弹性颗粒变形幅度的增加而增大;弹性颗粒所受的惯性升力由'切应力分量'与'压力分量'构成,然而后者是诱发弹性颗粒产生惯性聚集运动的力学成因。

微流控芯片上循环肿瘤细胞高效率分选研究

本研究将高通量的惯性微流技术与高回收率的空间位阻技术相结合,设计并制备了一种用于血液中循环肿瘤细胞高效率分选的被动式微流控芯片。该装置通过设置过滤区域、惯性聚集区域、惯性分离区域和空间位阻区域,实现了循环肿瘤细胞的高效率分选,可在不使用任何抗体标记的情况下,从2%血细胞比容血液样品中分选出人源性乳腺癌细胞和人源性宫颈癌细胞,分离速率均达到3.43×10~7 cell/min,癌细胞回收率与富集率均分别大于95.20%和2.05×10~5。对比目前存在的诸多循环肿瘤细胞分离方法,该技术具有高通量、高回收率及高富集率的优势,可为建立癌症患者微型诊断分析平台提供新的技术手段。

惯性效应在微流控芯片中的应用

作为一种操控粒子或流体的新技术,基于流体惯性的操控技术已被应用于微流控芯片中粒子的输运、分选、聚焦及试样的混合和反应等操作,而在微尺度惯性效应基础上的惯性微流控芯片由于具有高通量、无需外场介入、低成本、易集成及微型化等众多优点,可用于解决医疗诊断、生化分析、合成化学及环境监测等领域的检测分析和微量操控问题,因此对该技术的机理及应用研究已成为目前微流控技术领域一个重要的研究热点。本文在介绍惯性微流控芯片机理及其研究进展的同时,从惯性聚焦、惯性分选及基于Dean流的微混合器和微流控光学器件等几个方面对惯性微流控芯片的最新应用研究进行了较为详细的介绍和分析比较。在此基础上,分析了惯性微流控芯片的局限和未来需要解决的问题。

惯性力辅助微流控芯片-ICPMS研究单细胞对纳米Al_(2)O_(3)的摄取

随着人类对生命体系研究的深入,阐明细胞异质性的单细胞分析已成为生命分析的研究热点.基于流体动力学原理的惯性微流控技术在单细胞聚焦分离中表现出优越的性能.为深入探究螺旋结构对单细胞聚焦的影响,我们设计了三种不同半径变化的螺旋微流控芯片用于单细胞聚焦分离,结合电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)构建了单细胞分析系统,研究了A549细胞对纳米Al_(2)O_(3)(nano-Al_(2)O_(3))的摄取行为.研究表明,半径每90°变化的螺旋型芯片在通道内可生成更强的Dean涡流,更有利于单细胞聚焦.经nano-Al_(2)O_(3)孵育后,细胞间铝含量分布存在明显差异,在单细胞层面证明A549细胞对nano-Al_(2)O_(3)的摄取存在异质性.本研究设计的芯片可在较短通道及较低流量下实现单细胞有效聚焦,为单细胞分析提供了新的平台.