譚赫 方海旋

摘 要 介電泳技術(shù)作為近些年發(fā)展起來的技術(shù)，在細(xì)胞分離方面有重大影響，本研究以紅細(xì)胞與血小板混合液為研究對象，通過在微流體通道上不同位置施加電極，產(chǎn)生不均勻電場，由于細(xì)胞自身的性質(zhì)不同，會向著不同的方向運(yùn)動，這樣就可實(shí)現(xiàn)紅細(xì)胞與血小板的分離。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，所設(shè)計微流體通道能夠很好的實(shí)現(xiàn)不同半徑大小的細(xì)胞分離，該結(jié)論可以為微流控芯片細(xì)胞分離結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論參考。

關(guān)鍵詞 介電泳 ；細(xì)胞分離 ；數(shù)值模擬 ；微流控芯片

中圖分類號 R730.8

A kind of U-shaped Electrode Erythrocyte and Platelet Microseparation Device.

TAN He FANG Haixuan

（Mechanical and Electrical Engineering College，Hainan University，Haikou，Hainan 570228）

Abstract Dielectrophoresis technology is a new technology developed in recent years， it has significant influence in cell separation. In this study， erythrocyte and blood platelets mixture are the research object. By applying the electrode on microfluidic channels in different position， producing non-uniform electric field， because the cells themselves have different properties， they move to different directions， so that we can separation the erythrocyte and blood platelets. Numerical simulation results shows that the microfluidic channels can achieve different radius of the cell separation， the conclusion can provide theoretical reference for microfluidic chip cell separation structure design.

Key words dielectrophoresis ； cell separation ； numerical simulation ； microfluidic chip

微流控芯片技術(shù)作為研究的熱門領(lǐng)域，具有微型化、便攜化、可集成、成本低廉等特點(diǎn)，其所依托的微流控技術(shù)已成為應(yīng)用于機(jī)械、化學(xué)工程、生物醫(yī)學(xué)、航空航天等多個領(lǐng)域的嶄新技術(shù)；微流控芯片可應(yīng)用于生物細(xì)胞以及微納粒子的操控、分離和篩選，尤其是在腫瘤細(xì)胞和體細(xì)胞研究，以及基因組繪制等研究領(lǐng)域具有重要應(yīng)用；在疾病的診斷和醫(yī)學(xué)檢測過程中，將要檢測細(xì)胞從混合物中分離出來具有重要意義[1-4]。

細(xì)胞分選是從大量非均一細(xì)胞群體中獲取某種特定細(xì)胞的一種技術(shù)，常用于細(xì)胞生物學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[5-7]。但是目前所常用的分選方式是以流式細(xì)胞儀為主，流式細(xì)胞儀設(shè)備不僅價格昂貴，而且體積龐大，需要專人操作，且細(xì)胞用量較大（一般數(shù)量>104），難以在實(shí)驗室和醫(yī)院得到廣泛地應(yīng)用；微流控芯片的出現(xiàn)在某種程度上克服了這些局限性，且微流控芯片成本低，并有可能實(shí)現(xiàn)儀器的小型化、集成化、自動化和便攜化；目前基于微流控芯片技術(shù)的細(xì)胞分選方法包括以下幾種：熒光激光分選、磁珠免疫分選、夾流分選、介電電泳分選、微過濾器分選和表面改性分選。

介電泳技術(shù)作為一種有效的微納顆粒操控方法，最早提出于20世紀(jì)50年代，在近些年取得了快速的發(fā)展[8]。其中一種操控方法是設(shè)計特殊結(jié)構(gòu)的微電極及微流通道結(jié)構(gòu)，通過在微電極上施加一定電壓，產(chǎn)生非均勻電場，通過所產(chǎn)生非均勻電場對粒子的介電泳作用，實(shí)現(xiàn)對溶液中的微納粒子的高效、準(zhǔn)確、快速的操縱及分離。

1 分離裝置與方法

1.1 分離裝置

本研究所設(shè)計的一種新型結(jié)構(gòu)U形電極紅細(xì)胞與血小板微分離裝置，用于分離紅細(xì)胞和血小板等中性粒子，提高微分離裝置的靈敏度，簡化微流通道結(jié)構(gòu)，通過設(shè)計電極即可實(shí)現(xiàn)紅細(xì)胞與血小板的分離。

由圖1可知，U型電極紅細(xì)胞與血小板微分離裝置結(jié)構(gòu)包括待分離血液入口1（1）、載流體入口2（2）、緩沖室（3）、微流體通道（5）、7個電極（3、6、7、8、9、10、11）、出口1（13）以及出口2（12）；其入口1（1）和出口1（13）的軸線與微流體通道（5）的軸線夾角為45°；同樣的，入口2（2）和出口2（12）的軸線與微流體通道（5）的軸線夾角為45°；入口1（1）和入口2（2）、出口1（13）和出口2（12）在幾何結(jié)構(gòu)上分別關(guān)于微流體通道（5）的中軸線對稱，且2個入口與2個出口幾何結(jié)構(gòu)相同；其微流體通道的三維結(jié)構(gòu)長度為560 μm，寬度為50 μm，高度為50 μm，該分離裝置為左右對稱結(jié)構(gòu)，其總長為832 μm；在二維結(jié)構(gòu)圖中，U形電極寬度為c，均勻分布于微流體通道上方，同樣的，矩形電極4和11分別位于微流體通道5兩端，寬度為a，其二維結(jié)構(gòu)在水平方向上，矩形電極寬度a：U形電極寬度c：電極間距b=2：3：4，在垂直方向上，U形電極高h(yuǎn)1：矩形電極高h(yuǎn)2=1：1。

1.2 方法

該設(shè)計結(jié)構(gòu)是在微流體通道上不同位置添加的電極，這些電極會在微流體通道中產(chǎn)生非均勻電場，紅細(xì)胞與血小板由于半徑大小不同、電導(dǎo)率也不同，導(dǎo)致其受力大小不同，受力方向也不同，基于此，該結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)紅細(xì)胞與血小板的分離。

該結(jié)構(gòu)為保證較脆弱的紅細(xì)胞與血小板在流動過程中受到較小的損傷，在待分離血液入口1（1）、載流體入口2（2）交匯處，將矩形電極（4）進(jìn)行修正，沿待分離血液入口（1）的外壁延長線對矩形電極進(jìn)行切割，形成一定空間，這部分作為緩沖室（3），很好的保證了紅細(xì)胞與血小板在通過時不會因急劇的結(jié)構(gòu)改變而造成比較大的損傷，從而能夠保證所分離出來的細(xì)胞結(jié)構(gòu)的完整性，同時2個緩沖室的具體結(jié)構(gòu)不會對紅細(xì)胞與血小板介電泳運(yùn)動產(chǎn)生阻礙或過大干擾；同樣的，緩沖室（12）由紅細(xì)胞出口（13）、血小板出口（14）、電極（11）、微流體通道（5）交匯而成；考慮到芯片加工時的工藝性，該分離裝置設(shè)計為左右對稱結(jié)構(gòu)，且2個入口、2個出口結(jié)構(gòu)相同，矩形電極（4、11）結(jié)構(gòu)相同，U型電極（6、7、8、9、10）結(jié)構(gòu)相同；U型電極（6、7、8、9、10）均勻分布于微流體通道（5）上方，保證了紅細(xì)胞與血小板在流經(jīng)所述微流體通道時每一階段都會受到介電泳力，從而保證了分離的質(zhì)量與效率。該結(jié)構(gòu)其長度并不限于此，可以根據(jù)實(shí)際分離需要適當(dāng)縮短或加長其長度，相應(yīng)減少或增加U形電極個數(shù)，以達(dá)到所需最佳分離效果為準(zhǔn)。

2 結(jié)果與分析

通過有限元軟件對粒子分離進(jìn)行模擬，這部分需要用到電場、流場和流場中的粒子追蹤，隨后導(dǎo)出電場分布圖和細(xì)胞分離效果圖。

2.1 電場分布

微流體通道（5）內(nèi)空間不均勻電場是由不同位置添加的電極產(chǎn)生的，但是在實(shí)際的應(yīng)用中，細(xì)胞的強(qiáng)度會遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于模擬數(shù)值，較大的電場強(qiáng)度會對細(xì)胞產(chǎn)生損傷，所以，采用在電極（4、7、9、11）上施加電壓為+5 V，在電極（6、8、10）上施加電勢為-5 V，空間不均勻電場分布見圖2。

圖2為U形電極紅細(xì)胞與血小板微分離裝置微流體通道內(nèi)電場分布，不同顏色表示不同數(shù)值的電勢大小，白色代表電壓為+5 V，黑色代表電壓為-5 V，顏色越淺代表電勢越大，圖2中可看出微流體通道各處電勢大小。

2.2 細(xì)胞分離效果

具體實(shí)施方案為，將待分離紅細(xì)胞與血小板混合液從入口1注入，初始流速為150 μm/s；載流體從入口2注入，初始流速為850 μm/s，載流體電導(dǎo)率為55 mS/m，載流體可以通過實(shí)驗配置，具體配置方法為取適量的純凈水，向其中逐步加入少量KCL顆粒，加入過程中不斷攪拌，直至用電導(dǎo)率儀檢測溶液的電導(dǎo)率到達(dá)要求即可。

本模擬實(shí)驗中，血小板電導(dǎo)率為σ1=0.25 S/m，介電常數(shù)為50；紅細(xì)胞電導(dǎo)率為σ2=0.31 S/m，介電常數(shù)為59；將紅細(xì)胞與血小板統(tǒng)一看作是微納顆粒，其在血液中密度為1 050 kg/m3；血液的動力粘度近似設(shè)置為0.001 Pa·S。

圖3為U形電極紅細(xì)胞與血小板微分離裝置分離效果二維圖，小直徑黑色顆粒代表血小板，從出口1流出，大直徑黑色顆粒代表紅細(xì)胞，從出口2流出，模擬結(jié)果表明，所述微分離結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)紅細(xì)胞與血小板的分離效果。

3 結(jié)論

本研究所設(shè)計的U型電極紅細(xì)胞與血小板微分離裝置，通過設(shè)計電極實(shí)現(xiàn)紅細(xì)胞與血小板的分離，大大簡化了裝置的復(fù)雜程度，有限元仿真結(jié)果表明，當(dāng)電壓為-5-5 V之間，紅細(xì)胞與血小板能夠?qū)崿F(xiàn)較好的分離，同時對細(xì)胞也不會產(chǎn)生較大的損傷，該分離結(jié)構(gòu)可以為微流控芯片細(xì)胞分離結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論參考。

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