摘要
随着微流控技术的发展，其在生物医学领域的应用得到越来越多的关注。其中，利用微流控技术分离肿瘤细胞是近年来的研究热点。现有的研究由于制作技术的限制，其微通道多为简单几何截面的平面结构，且样本通量和目标物富集比较低。为提高样本处理通量以及肿瘤细胞富集比，本研究提出了基于3D打印的样条曲线截面的微流控芯片。 针对微流控芯片样本处理通量及肿瘤细胞富集比低，本研究设计了基于类河湾样条曲线截面的两级级联微流控芯片。微流控芯片的一级为两个曲率半径R=15mm和两个R=12mm的立体螺旋通道并联，二级为R=9mm的立体螺旋通道。级联微流控芯片包括一个入口、一个一级废液出口、一个二级废液出口和一个目标出口。首先对类河湾样条曲线截面中速度场和涡旋场进行仿真，基于仿真结果对截面中粒子受力进行分析。利用18μm,12μm和6μm粒子模拟细胞，在基于类河湾样条曲线截面的单级微流控芯片中探索一级和二级通道中粒子聚焦和分离条件。单级微流控芯片中粒子在最佳流量下聚焦带半峰宽（FWHM）范围为24μm到66μm，聚焦状态稳定。使用MDA-MB-231细胞进行细胞分离和富集实验，在R=15mm,R=12mm和R=9mm的单级微流控芯片中分别实现了回收率89.34%，94.96%和78.71%，富集比分别为5.10，3.87和5.77。基于单级微流控芯片实验结果对级联微流控芯片入口和出口流量进行调整，确定了最佳流量配置。入口流量为4800μL/min，一级废液出口流量为3600μL/min，二级废液出口流量为800μL/min，目标出口流量为400μL/min。最后基于上述实验条件进行肿瘤细胞（MDA-MB-231细胞和A549细胞）的分离和富集。MDA-MB-231细胞实现了81.00%的回收率和10.08的富集比，A549细胞实现了78.51%的回收率和10.06的富集比。样本处理通量提升10倍左右，富集比从个位数提升至10以上。 为了进一步拓展对微流控芯片截面的研究，设计能同时实现18μm和12μm粒子聚焦的微流控芯片，本研究设计了新型样条曲线截面的微流控芯片。根据速度场和涡旋场仿真结果得出通道宽度越宽，涡旋中心与通道内壁之间距离越大，粒子可能达到平衡状态的区域越宽。结合仿真结果对新型样条曲线截面中粒子受力进行分析，初步预测粒子可能存在的平衡位置。利用3D打印制作了不同宽度（W=600μm,1000μm和1500μm）和不同形状样条曲线截面的微流控芯片。在不同宽度微流控芯片中18μm粒子聚焦带FWHM范围为19μm到50μm，实现了粒子的稳定聚焦。在W=1500μm微流控芯片中12μm粒子聚焦带FWHM范围为15μm到58μm，实现了粒子稳定聚焦。研究了粒子直径对粒子聚焦的影响，并证明了仿真结果分析的正确性。在不同形状样条曲线截面的微流控芯片中进行18μm和12μm粒子聚焦实验，研究了通道截面形状对粒子聚焦的影响。通过实验结果对比发现平凸型样条曲线截面更有利于粒子聚焦，且在W=1500μm的平凸型样条曲线截面的微流控芯片中能同时实现18μm和12μm粒子聚焦。 本研究提出了基于3D打印的样条曲线截面的微流控芯片。基于单级类河湾样条曲线截面的微流控芯片中粒子实验的最优条件，设计了两级级联的微流控芯片，并实现了高通量、高富集比的肿瘤细胞的分离和富集。设计了新型样条曲线截面的微流控芯片，对其中粒子聚焦规律进行了系统性地分析，并研究了通道曲率半径、粒子直径、样本流量等参数对粒子聚集的影响，同时实现了高通量的18μm和12μm粒子聚焦。证明了3D打印的基于样条曲线截面的微流控芯片在高通量和高富集比的样本处理中具有巨大的应用潜力。
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