一种适合批量生产的微流控芯片

1.本实用新型属于生物样品显微操作技术领域，具体涉及一种适合批量生产的微流控芯片。


背景技术：

2.低温冷冻保存生物样品通常是指在超低温(零下196摄氏度)的液氮中保存活体，以维持其融化复原后的活性。低温保存技术当前被广泛应用于细胞、组织和器官的长期储存并且已经在诸多领域获得突破性的进展，例如在辅助生殖领域(卵子、精子、胚胎的冷冻等)以及干细胞冷冻领域等。低温冷冻保存当前的技术难点是生物样品的细胞内部和外部的水份在冷冻的过程中会结成冰晶，容易导致细胞死亡。当前的解决方案是在冷冻前加入冷冻保护剂(冷冻液)以置换细胞内的水分，同时通过优化冷冻过程，以避免产生冰晶。目前最常用的低温保存技术是玻璃化冷冻法，该方法是通过添加高浓度的冷冻液(也即换液)使得细胞在超低温环境下快速冷冻(冷却速度约10000摄氏度每分钟)，形成不规则的玻璃化样固体，避免了冷冻的过程中生成冰晶，极大程度减少了对细胞的损伤。
3.为了使得细胞换液过程对细胞的活性的影响降到最小，理想的换液方式是产生从低到高连续的多个精确可控的浓度梯度。使用微流控玻璃化冷冻芯片(简称“微流控芯片”)可以解决上述问题，产生多个精确可控的浓度梯度。例如，专利cn112430531a针对生物样品微流操作提出了一种可数字化操作的装置，通过在微流控芯片内集成的细胞筛固定生物样品的位置减少操作生物样品时带来的机械损伤，并通过数字液滴流量计实现了液体吸入及移除的精确定量，可用数字式液滴生成的方式使生物样品周围的液体浓度梯度连续可调。然而，该方案中用于固定细胞的碗形以及柱形阵列细胞筛的设计较复杂，需要借助高精度的光刻加工或激光加工制备，不适合批量生产，限制了其实用性。此外激光产生的热量也会使细胞筛微结构发生变形，影响使用效果。同样地，美国专利us10508299b2中公开的一种集成在微流控细胞分析芯片上的u形细胞筛设计及其变体使用二甲基硅氧烷(pdms)通过光刻加工而成，该方法需要先将覆有光刻胶的晶片暴露在紫外线下，将晶片上蚀刻下目标结构作为模具，然后将不同晶片模具上的图案转刻到pdms最后再通过硫化反应将多层pdms结合在一起，整个过程中需要计算灌封预聚物和硬化剂的化学计量，并且，整个光刻过程虽然能对该细胞筛结构进行高精度加工，但操作繁琐，单次加工时间长，同样不适合批量生产。


技术实现要素：

4.本实用新型提出一种全新的微流控芯片，从批量生产的角度优化微流控芯片中集成的细胞筛结构，以实现微流控芯片的批量生产。
5.本实用新型公开一种适合批量生产的微流控芯片，其主要包括芯片本体，以及集成在芯片本体内的微流移液管和细胞筛；所述微流移液管具有用于细胞和液体流动的通道；所述细胞筛布置在微流移液管内，用于拦截微流移液管内流动的细胞；所述细胞筛处还设有一条仅限于液体流通的缝隙；所述细胞筛与细胞接触的面为光滑的平面或曲面。
6.可选的，所述芯片本体包括配合使用的盖板和主板，所述微流移液管和细胞筛布置在主板内；所述缝隙位于细胞筛与盖板之间。
7.可选的，所述芯片本体内还集成有用于液滴的定量产生和移除的数字液滴流量计，所述数字液滴流量计布置在主板内并与微流移液管相连。
8.可选的，所述芯片本体包括配合使用的且具有相同结构的盖板和主板，所述盖板和主板对称布置后形成所述微流移液管和细胞筛；所述缝隙穿设于细胞筛。
9.可选的，所述细胞筛与细胞接触的面为光滑的曲面。
10.可选的，所述细胞筛与细胞接触的面的截面至少具有一段圆弧形。
11.可选的，所述细胞筛为对称结构。
12.可选的，所述微流移液管的截面为矩形、圆形、椭圆形或正多边形。
13.可选的，所述芯片本体的材料为pp、ps、pmma、coc、cop中的任意一种。
14.可选的，所述通道的深度与细胞筛中最小的结构尺寸比小于等于2：1。
15.与现有技术相比，本实用新型具以下有益效果：
16.(1)本实用新型公开的适合批量生产的微流控芯片，通过优化细胞筛结构的设计，在保证其细胞阻挡功能且细胞筛结构上对细胞造成较低损伤的同时，提高其易加工性，方便用数控铣床以及注塑等工艺实现批量生产，减少加工步骤和时间，可实现批量生产，大大降低生产成本，由此解决了以往的因细胞筛结构设计对微加工(单微米精度)的苛刻要求及难以实现微流控芯片批量生产等问题。
17.(2)本实用新型公开的适合批量生产的微流控芯片，将细胞筛和数字液滴流量计集成在芯片本体内，通过细胞筛的结构固定细胞，可免去传统的细胞换液过程中多次操作细胞对其造成的机械损伤，并用数字液滴生成的方式实现数字式浓度梯度连续精确可调，完成连续的数字式液体稀释，大大减少换液过程对细胞的渗透损伤，提高细胞在经历玻璃化冷冻及复温后的活性。
附图说明
18.图1为实施例1所述的微流控芯片的结构示意图，其中：图1a为芯片三维结构示意图，图1b为芯片组成示意图，图1c为芯片内部结构示意图，图1d为沿流体方向细胞筛处局部剖视图。
19.图2为细胞筛的结构示意图，其中的图2a、图2b、图2c、图2d分别代表一种细胞筛结构。
20.图3为实施例2所述的微流控芯片的结构示意图，其中：图3a为芯片三维结构示意图，图3b为芯片组成示意图，图3c为芯片内部结构示意图，图3d为沿流体方向细胞筛处局部剖视图。
21.图4为实施例3所述的微流控芯片，其中：图4a为芯片整体三维结构示意图，图4b为芯片组成示意图，图4c为芯片内部结构正视图，图4d为芯片内部结构侧视图。
22.附图标注：11-主板、12-盖板、13-微流移液管、14-细胞筛、15-缝隙；21-主板、22-盖板、23-微流移液管、24-细胞筛、25-缝隙；31-主板、32-盖板、33-微流移液管、34-细胞筛、35-缝隙、36-数字液滴流量计；4-细胞。
具体实施方式
23.下面将结合具体实施例和附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
24.在本实用新型的描述中，若出现“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“顶”、“底”等指示方位或位置关系的术语，其为基于附图所示方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。另外，若出现与“第一”、“第二”等术语，用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或相对重要性。若出现a与b3相连的描述，可以是直接连接，也可以是通过管路等结构间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以结合具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。此外，术语"包括"和"具有"以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些产品或设备固有的其它单元。
25.可以理解的，本实用新型中所涉及的细胞包括人或其他生物的卵母细胞、胚胎、精子、干细胞和胚泡等生物样品。
26.实施例1公开了一种微流控芯片，如图1所示，该芯片可分为主板11和盖板12两部分，主板11上设有微流移液管13和细胞筛14。主板11的厚度可选0.01～5mm，优选0.1～1mm；盖板12的厚度可选0.01～1mm，优选0.01～0.1mm。主板11和盖板12共同构成芯片本体，芯片本体的材料可优选能被灭菌的生物惰性(也称生物兼容性)材料，并具备高导热性和高热扩散性，例如，可选择pp(聚丙烯)、ps(聚苯乙烯)、pmma(聚甲基丙烯酸甲酯)、coc(环烯烃类共聚物)、cop(环烯烃类共聚物)等，这些材料基本为透明材料，方便操作过程中对微流移液管13内细胞和液体流动状况的观察。主板11和盖板12可通过键合技术固定在一起。
27.微流移液管13主要用于吸取细胞和液体，具有用于液体和细胞流通的通道；细胞筛14主要用于捕获和固定细胞。具体的，细胞筛14可用于可逆的细胞吸取和挤出时，使得该芯片用于换液和冷冻时细胞的位置固定，方便细胞的定位，同时可免去传统的细胞换液过程中多次操作细胞对其造成的机械损伤。本实施例中，微流移液管13的截面为矩形结构，细胞筛14设置在微流移液管13内，其材料与芯片本体一致，具有类似门槛的三维结构，其宽度与微流移液管13的宽度(矩形结构的长度l，与液体流通方向垂直)相等，可选0.15mm～0.5mm，优选0.2mm～0.3mm。出于对脆弱生物样本的保护，减少在换液过程中细胞卡在细胞筛14处造成的机械损伤，其与细胞接触的面应为光滑的平面和曲面。进一步，出于贴合细胞表面形状考虑，曲面更佳。实施例中，细胞筛14左右两个侧边(液体流通方向)均为半圆形状，其厚度小于微流移液管13对应通道的深度(矩形结构的宽度d，与液体流通方向垂直)，使得其顶部和盖板12之间留有缝隙15。缝隙15的尺寸小于细胞的尺寸，换句话说，即缝隙15的宽度小于细胞的直径，从而可让液体顺利通过而阻挡住细胞，实现细胞筛14的阻挡细胞的功能。以人类卵母细胞为例，缝隙15的宽度可选0.01～0.1mm，优选0.05～0.08mm。
28.值得说明的是，由于以往的细胞筛设计中(例如专利cn112430531a)，其深宽比(即通道的深度和细胞筛结构的最小宽度)通常大于2:1，用传统的机加工或注塑等批量生产手段难以制备。而在本实用新型中，通过设计门槛结构的细胞筛，其深宽比可以很方便地控制
在2:1以内，从而使得该结构可通过机加工方便地制备，亦可通过注塑等批量生产工艺制备。可以理解的，本实用新型中，微流换液管的截面可能是矩形或圆形等形状，相应的，通道的深度对应的是矩形的宽度、圆形的直径等参数；细胞筛结构的最小宽度则是指细胞筛中最小的结构尺寸。
29.可以理解的，细胞筛14的侧边可不必设计为半圆，具有一段圆弧形结构即可，即便设计成半圆时，其直径也不一定与微流移液管13的宽度相等，具体可以根据不同的细胞形状和尺寸以及具体加工工艺进行优化。图2例举了四种结构的细胞筛设计，其中：图2a所示的细胞筛侧边选用了直径大于微流换液通道11的宽度的一段劣弧，其对应的弦长等于微流移液管11的宽度；图2b在图2a的基础上，细胞筛侧边圆弧对应的弦长小于微流移液管11的宽度，其他部分可用直线代替；图2c在图2b的基础上，将圆弧替换为半圆，半圆的直径应略大于细胞的直径，以人类卵母细胞为例，其直径可选0.2～0.3mm；图2d所示的细胞筛侧边则完全没有圆弧结构，全部采用直线形。需要注意的是，图2b～2d中细胞筛与微流移液管11侧壁连接处的1/4圆弧是为机加工预留的，其直径根据所使用的刀头直径所定；若采用注塑工艺，则不需要设置该结构，可直接采用直线结构。在这四种设计中，图2a～图2c相较于图2d，更容易实现细胞的固定，方便细胞停留和固定，但图2d在加工更简单，具体可根据需求进行选择。此外，右侧边本身也并不与细胞接触，对其结构并不作具体限制，可从加工成本或美观上去考虑。例如，细胞筛的左右两条侧边并不要求一定是对称结构，可由上述的结构两两组合而成。
30.在其它实施例中，微流移液管11的截面除图1所示的矩形，也可选择正方形、圆形、椭圆形、正多边形等，具体可根据实际需要与细胞筛12两两组合，匹配使用即可。
31.实施例2公开另一种微流控芯片，如图3所示，与实施例1不同的是，该芯片本体的主板21和盖板22为对称结构，即二者具有完全相同的结构设计，且厚度也基本相同。可以理解的，在实施例1中，细胞筛14为主板11中的一块整体，缝隙15形成于细胞筛14和微流移液管13的管壁之间，或者说是，细胞筛14与盖板12之间；微流移液管11的深度则由主板11决定。在实施例2中，微流移液管23的截面为圆形结构。细胞筛24包括上下两个单元，分别位于主板21和盖板22内，每个单元的结构与实施例1中的细胞筛14基本相似；微流移液管23的深度则由主板21和盖板22共同决定。在主板21和盖板22对齐键合后，缝隙25形成于细胞筛24的上下两个单元之间，也即位于微流移液管23中间位置。
32.实施例3公开了一种可用于单个细胞冻融的微流控芯片，芯片本体同样可分为主板31和盖板32两部分，与实施例1不同的是，主板31上除了集成微流移液管33和细胞筛34之外，还集成有数字液滴流量计36。其中，数字液滴流量计36主要用于液滴的定量产生和移除，使细胞周围的液体梯度连续可调。由于其结构和工作原理并非本实用新型重点，本实用新型对此也不作具体限制，只要能实现相应功能即可，具体例子可参照美国专利us16538307以及中国专利cn112430531a，此处不再赘述。
33.最后需要说明的是，尽管以上结合附图对本实用新型的实施方案进行了描述，但本实用新型并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下，在不脱离本实用新型权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本实用新型保护之列。

技术特征：
1.一种适合批量生产的微流控芯片，其特征在于，包括芯片本体，以及集成在芯片本体内的微流移液管和细胞筛；所述微流移液管具有用于细胞和液体流动的通道；所述细胞筛布置在微流移液管内，用于拦截微流移液管内流动的细胞；所述细胞筛处还设有一条仅限于液体流通的缝隙；所述细胞筛与细胞接触的面为光滑的平面或曲面。2.如权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述芯片本体包括配合使用的盖板和主板，所述微流移液管和细胞筛布置在主板内；所述缝隙位于细胞筛与盖板之间。3.如权利要求2所述的微流控芯片，其特征在于，所述芯片本体内还集成有用于液滴的定量产生和移除的数字液滴流量计，所述数字液滴流量计布置在主板内并与微流移液管相连。4.如权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述芯片本体包括配合使用的且具有相同结构的盖板和主板，所述盖板和主板对称布置后形成所述微流移液管和细胞筛；所述缝隙穿设于细胞筛。5.如权利要求1至4任意一项所述的微流控芯片，其特征在于，所述细胞筛与细胞接触的面为光滑的曲面。6.如权利要求1至4任意一项所述的微流控芯片，其特征在于，所述细胞筛与细胞接触的面的截面至少具有一段圆弧形。7.如权利要求1至4任意一项所述的微流控芯片，其特征在于，所述细胞筛为对称结构。8.如权利要求1至4任意一项所述的微流控芯片，其特征在于，所述微流移液管的截面为矩形、圆形、椭圆形或正多边形。9.如权利要求1至4任意一项所述的微流控芯片，其特征在于，所述芯片本体的材料为透明pp、ps、pmma、coc、cop中的任意一种。10.如权利要求1至4任意一项所述的微流控芯片，其特征在于，所述通道的深度与细胞筛中最小的结构尺寸比小于等于2：1。

技术总结
本实用新型公开一种适合批量生产的微流控芯片，其主要包括芯片本体，以及集成在芯片本体内的微流移液管和细胞筛；所述微流移液管具有用于细胞和液体流动的通道；所述细胞筛布置在微流移液管内，用于拦截微流移液管内流动的细胞；所述细胞筛处还设有一条用于液体流通的缝隙；所述细胞筛与细胞接触的面为光滑的平面或曲面。通过本实用新型可实现微流控芯片的批量生产，大大降低生产成本。大大降低生产成本。大大降低生产成本。


技术研发人员：请求不公布姓名 程奕昕 潘挺睿
受保护的技术使用者：中国科学技术大学苏州高等研究院
技术研发日：2023.02.08
技术公布日：2023/8/19