摘要
癌症逐渐成为现代社会中影响人类公共健康的一个重大问题，捕获人体血液中的循环肿瘤细胞有助于预测癌症患者的生存期、指导癌症治疗及评估预后。鉴于上述需求，本文基于微流控芯片技术，提出新型惯性与磁场操控细胞方法，并开展细胞操控研究。具体内容如下: (1)内凹形流道中细胞惯性聚焦分离研究。为实现高浓度血液中癌细胞高通量精准分离，提出一种内凹形截面惯性流道。首先，采用软光刻技术制作芯片模具、3D打印技术制作夹具，使用PDMS倒模制作芯片并键合在PDMS薄膜上，并封装入夹具中。其次，为分析内凹形流道截面尺寸参数对粒子聚焦分离的影响，研究不同厚度薄膜器件中粒子的运动轨迹，结果表明内凹形截面使得二次流向内外壁面偏置，大粒子受到强惯性升力作用强聚焦于流道内壁面，小粒子受到强迪恩曳力作用强聚焦于流道外壁面，进而增大分离距离。200μm薄膜器件在气压为30kPa时，取得最大分离距离～398μm，具有最佳分离性能。最后，基于粒子实验结果，进行低浓度与高浓度血液分离癌细胞实验，成功从血液中分离H1299细胞，并实现～99.95％的血细胞去除率与～83.86％的癌细胞回收率。 (2)惯性磁场耦合操控细胞聚焦分离研究。为实现器件结构简单化、易操控的特性，提出一种环形磁铁包围螺旋流道的微流控器件，来实现螺旋流道中磁性粒子的操控。首先，使用软光刻技术与3D打印技术制造惯性磁场耦合器件。其次，为研究磁性粒子迁移特性，使用不同圈数的惯性磁场耦合器件进行磁性粒子聚焦实验，结果表明流道长度越长，粒子具有足够的时间迁移到流道外壁面，聚焦效果越好。由于磁性粒子在流道中主要受到磁力作用聚焦于外壁面，非磁性粒子在流道中主要受到惯性升力作用聚焦于内壁面，惯性磁场耦合器件能够实现磁性粒子与非磁性粒子的分离。最后，使用惯性磁场耦合器件成功实现相同尺寸不同磁性、不同尺寸不同磁性的粒子分离，并成功实现磁性粒子与A549细胞的完全分离。 (3)惯性磁场耦合多级操控细胞聚焦分离研究。基于环形磁铁螺旋流道的研究基础，提出一种惯性流道组合环形磁铁螺旋流道的二级分离微流控器件，来实现粒子的惯性分离与磁性分离。首先，使用软光刻技术与3D打印技术制造惯性磁场耦合二级分离器件。其次，进行15μm磁性粒子、15μm荧光粒子与6μm荧光粒子的分离实验，第一级流道中尺寸较大的粒子主要受到惯性升力作用聚焦于内壁面，尺寸较小的粒子主要受到迪恩曳力作用聚焦于外壁面，实现粒子惯性分离;第二级流道中磁性粒子主要受到磁力作用聚焦于外壁面，非磁性粒子主要受到惯性升力作用聚焦于内壁面，实现粒子磁性分离。最后，基于粒子实验结果，成功从血液中分离出A549细胞与磁性粒子，并实现～99.98％的血细胞去除率与～71.58％的癌细胞回收率，且癌细胞纯度高达～91.28％。
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