基于惯性及介电泳技术的循环肿瘤细胞多级分选装置研究

In this program, a multistage microfluidic chip for circulating tumor cells separation based on inertia and dielectrophoresis technology is proposed, laying a basis for early point-of-care testing of serious diseases. The main content consists of four parts. Firstly, a prototype of multistage microfluidic chip integrating inertial spiral microchannels and oblique interdigitated DEP electrodes will be developed to realize the high throughput and high purity separation of CTCs from blood cells. Secondly, study the motion property of cells in the multistage separation chip, establish the numerical model based on Lattice Boltzmann Method and Brownian Dynamics Method, develop the coupling algorithm of fluid, electric filed model and cell particles model, develop a simulation tool to simulate the distribution regularities and transfer characteristic of cell, calculate and analysis the mechanisms of cell movement under the influence of both flow field and electric field, thus to provide theoretical guidance for optimizing the structure of multistage separation microfluidic chip. Thirdly, develop a low cost process for fabricating the multistage separation microfluidic chip based on maskless lithography. Fourthly, a low cost experimental and observation platform integrated with microscopic observation, fluorescence, and image processing techniques will be set up to characterize the performance of the multistage separation microfluidic chip.

本项目提出基于惯性及介电泳技术研究一种循环肿瘤细胞（circulating tumor cells, CTCs）多级分选微流控芯片，为重大疾病早期现场即时检测奠定基础。具体而言：①研制一套集成惯性螺旋形微流道及斜插齿形介电泳电极的多级分选微流控芯片测试样机，系统研究芯片中细胞粒子迁移运动特性，实现循环肿瘤细胞从血液细胞中的高通量、高纯度分选。②研究多级分选微流控芯片中的细胞流特性，建立基于格子玻尔兹曼方法和布朗动力学方法的数值模型，开发流体、电场模型与细胞粒子模型的耦合算法，开发能够模拟流动过程中细胞分布规律和迁移特性的仿真工具，计算分析细胞在流场、电场共同作用下的运动机理，从而为芯片结构的优化设计提供理论指导。③建立基于无掩模光刻的多级分选微流控芯片低成本制作工艺。④构建一套适合多级分选微流控芯片的低成本实验和表征平台，并整合显微观测技术、荧光技术和图像处理技术实现芯片的特性评估。

循环肿瘤细胞作为由原始肿瘤灶脱离进入外周循环血液的“种子”，在肿瘤转移过程中扮演着重要角色；检测血液中循环肿瘤细胞数量，对癌症早期诊断、治疗效果评估、药物敏感性测试以及肿瘤复发监测等临床应用具有重要意义。通过集成芯片高通量粗分选串接精确分选的多级模式，在肿瘤细胞快速、精确分离方面取得一定突破。取得的创新性研究成果如下：.(1) 研制一种简单结构的高通量惯性螺旋肿瘤细胞分选芯片：提出一种含单一入口、三出口的5圈惯性螺旋简单结构，芯片总面积控制在2cm×2cm范围内，且具备流道长度及流阻较低、无需变截面高成本加工工艺及无需鞘液流引入的优势。研究表明，设计螺旋结构初次分选可移除91.97±0.57%的血细胞，回收85.06±9.27%的MCF-7肿瘤细胞；而通过二次分选，可将血细胞移除率提升至约99.07%，同时将获取MCF-7纯度提升至8.10±2.63%，即实现其相对浓度81倍的提升。.(2) 研制一种集成惯性螺旋与确定性侧向位移技术的两级高通量、精确分选芯片：针对惯性螺旋技术在分选精度上的相对不足，引入对尺寸差异区分度高的确定性侧向位移分选技术并与之串联集成。实验结果表明集成芯片相比于单级螺旋结构优势明显，较低浓度初始样品条件下捕获MCF-7的纯度甚至达到约93.59%的超高水平，血细胞移除率亦达到约99.94%。此外，对捕获肿瘤细胞的再培养表明其仍能保持良好活性。.(3) 研制一种集成惯性螺旋与磁力分选技术的多级高通量、精确分选芯片：集成芯片含有双入口螺旋惯性分选、非对称正弦流道惯性聚焦及磁力分选三级单元，对各单级结构展开设计与优化，分别对双入口螺旋及聚焦/磁力分选单元展开结构设计与优化，完成一层螺旋芯片搭配3层磁力分选芯片流速匹配，并在对各出口流阻补偿的基础上提出具有19层薄膜结构的集成芯片设计方案。利用集成芯片分选血液中肿瘤细胞，实验结果表明捕获肿瘤细胞可达到51.47±6.27%的高纯度及93.84±9.01%的高捕获率，降低样品液细胞浓度更可将捕获MCF-7的纯度提升至93.60±5.97%的极高水平。